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本科生畢業(yè)設計開題報告 學生姓名： 學 號： 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 班 級： 指導教師：王春香 教授 開題報告 我的設計題目是液壓支架設計，液壓支架是支護頂板的主要設備。雖然這種機器的工作原理簡單，但具體設計需要許多的參考資料，才能使其具有使用價值。 1、液壓支架簡介 在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定空間，保證工人安全和各項作業(yè)正常進行，必須對頂板進行支護。而液壓支架是以高壓液體作為動力，由液壓元件與金屬構件組成的支護和控制頂板的設備，它能實現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機等一整套工序。實踐表明，液壓支架具有支護性能好、強度大、移架速度快、安全可靠等優(yōu)點。液壓支架與可彎曲輸送機和采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產(chǎn)量、提高勞動生產(chǎn)率、降低成本、減輕工人的體力勞動和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施。因此，液壓支架是技術上先進、經(jīng)濟上合理、安全上可靠的實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設備。 1.1 液壓支架的分類 按液壓支架在采煤工作面的安裝位置來劃分，液壓支架分端頭液壓支架和中間液壓支架，端頭液壓支架簡稱端頭支架，專門安裝在每個采煤工作面的兩端，中間液壓支架是安裝在除工作面兩端以外的采煤工作面上所有位置的支架。 中間液壓支架按其結構形式與頂板相互作用的原理來劃分，可分為四種基本類型，即：支撐式，掩護式，掩護支撐式和支撐掩護式液壓支架。 支撐式液壓支架又有垛式和節(jié)式之分，如圖1-1a所示為垛式支架，圖1-1b所示為節(jié)式支架 掩護式液壓支架又有插腿式和非插腿式之分，如圖1-2a所示為插腿式液壓支架，圖1-2b所示為立柱支在掩護梁上非插腿式支架，圖1-2c所示為立柱支在頂梁上非插腿式支架。 支撐掩護式液壓支架又有四柱支在頂梁上和兩柱支在頂梁上，一柱或兩柱支在掩護梁上之分。如圖1-3a所示為四柱平行支在頂梁上；圖1-3b所示為四柱交叉支在頂梁上；圖1-3c所示為兩柱支在頂梁上，兩柱支在掩護梁上。 a b 圖1-1 a—垛式 b—節(jié)式 a b c 圖1-2 a—插腿式支架 b—立柱支在掩護梁上非插腿式支架 c—立柱支在頂梁上非插腿式支架 a b c 圖1-3 a—四柱平行支在頂梁上支架b—四柱交叉支在頂梁兩柱在掩護梁上支架 c—兩柱在頂梁兩柱支在掩護梁上支架 1.2 液壓支架的適用范圍 1)支撐式液壓支架 支撐式液壓支架有垛式和節(jié)式兩種 從圖1-1上可以看出垛式支架的作用好像一堆木垛,所以叫它為垛式支架,垛式支架一般具有很長的頂梁,立柱的支撐力通過頂梁完全用于支撐頂板 垛式支架支撐力大,切頂性能好,穩(wěn)定性較好，工作空間比較大，容易滿足通風的要求，垛式支架由于頂梁較寬又長，移架時頂板暴露的面積較大，在直接頂比較破碎的頂板條件下使用很困難，所以垛式支架僅適用于頂板較堅硬和穩(wěn)定的煤層。 如圖1-2所示為節(jié)式支架的外形圖，節(jié)式支架由前后立柱、頂梁、底座組成一個框節(jié)。一架節(jié)式支架一般由兩個框節(jié)組成，也有的由三節(jié)或更多的框節(jié)組成，所以叫它為節(jié)式支架，由于節(jié)式支架立柱的支撐力也是完全用于支撐擋板，所以它也屬于支撐式支架，它與垛式支架相比，結構比較靈巧，質(zhì)量較輕，移架時頂板暴露面積較小，對頂?shù)装宓倪m應性較好，但是它的穩(wěn)定性差（容易倒架）。從現(xiàn)在支架發(fā)展情況來看，基本被淘汰。 2）掩護式液壓支架 掩護式支架沒有支撐部件即頂梁，只有掩護部件，立柱的承載能力完全用以承受掩護梁上的載荷（冒落的矸石），所以稱為掩護式支架，掩護式支架適于頂板特軟，特破碎的煤層。 3）掩護支撐式液壓支架 掩護支撐式液壓支架的頂梁比較短（與支撐式比較），掩護梁不太長（與掩護式支架比較）。因此，這種類型的支架在支護頂板方面，掩護梁發(fā)揮著很大的作用，同時又支撐著靠近煤壁的一小段頂板，所以叫它為掩護式支撐液壓支架。以為在使用的習慣上都稱這類型的支架為掩護式液壓支架，所以在以后說到的掩護式液壓支架都是指這類型的支架。掩護是液壓支架能使工作面與老空區(qū)隔絕，而且有側(cè)護板，冒落的矸石不易落入工作面。掩護式液壓支架有較短的頂梁，在頂梁上的壓力分布較均勻，對頂板的適應性較強，結構又簡單。所以它適用于頂板比較破碎，容易冒落的煤層。 這類支架的適應性比較強，煤層厚度從薄煤層0.8m到厚煤層4.5m,而且在硬頂板的煤層中也取得一定的效果，所以是一種很有發(fā)展前途的架型，但是掩護式液壓支架的工作空間比較狹窄，通風斷面比較小。 4）支撐掩護式液壓支架 支撐掩護式液壓支架它的頂梁很長（與垛式支架的頂梁相似），掩護梁很短，四根立柱組成垛式結構，這類支架對頂板的控制主要是立柱通過頂梁來支撐頂板，掩護梁只隔絕支架后面冒落的矸石，所以稱為支撐掩護式液壓支架，實質(zhì)上它是加強擋矸裝置的垛式支架。 1.3 液壓支架的工作原理 液壓支架的主要動作有升架、降架、推移輸送機和移架。這些動作是利用乳化液泵站提供的高壓液體，通過液壓控制系統(tǒng)控制不同功能的液壓缸來完成的，如圖1-9所示。每架支架的液壓管路都與工作面主管路并聯(lián)，形成各自獨立的液壓系統(tǒng)，其中液控單向閥和安全閥設在本架內(nèi)，操縱閥可設在本架也可設在鄰架內(nèi)，前者為本架操作，后者為鄰架操作。 （一）支架的工作過程 支架的升降依靠立柱的伸縮來實現(xiàn)，其工作過程如下： 1.初撐 操縱閥處于升柱位置，由泵站輸送來的高壓液體，經(jīng)液控單向閥進入立柱的下腔，同時立柱上腔排液，于是活柱和頂梁升起，支撐頂板。當頂梁接觸頂板，立柱下腔的壓力達到泵站工作壓力后，液控單向閥關閉，從而立柱下腔的液體被封閉，操縱閥置于中位，這就是支架的初撐階段，此時，支架對頂板產(chǎn)生的支撐力成為初撐力。 2.承載 支架初撐后，進入承載階段，隨著頂板的緩慢下沉，頂板對支架的壓力不斷增加，立柱下腔被封閉的液體壓力將隨之迅速升高，液壓支架受到彈性壓縮，并由于立柱缸壁的彈性變形而使缸徑產(chǎn)生彈性擴張，這一過程就是支架的增阻過程。當下腔液體的壓力超過安全閥的動作壓力時，高壓液體經(jīng)安全閥泄出，立柱微微下縮，頂板對支架的壓力降低直至立柱下腔的液體壓力小于安全閥的動作壓力時，安全閥關閉，停止泄液，從而使立柱工作阻力保持恒定，這就是橫阻過程，此時，支架對頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。當操縱閥處于降架位置時，高壓液體進入立柱的上腔，同時打開液控單向閥，立柱下腔排液，于是立柱（支架）卸載下降。 （二）支架的移動和推移輸送機 支架和輸送機的前移，由底座上的推移千斤頂來完成。 需要移架時，先降柱卸載，然后通過操縱閥使高壓液體進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，活塞腔回液，以輸送機為支點，輸送機受相鄰支架推移千斤頂?shù)淖饔貌荒芎笸?，所以缸體前移，把整個支架拉向煤壁。 需要推移輸送機時，支架支撐頂板，高壓液體進入推移千斤頂?shù)幕钊?，活塞桿腔回液，以支架為支點，活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。 液壓支架的推移速度，移架方式?jīng)Q定著移架速度的大小，移架速度是指單位時間內(nèi)移動支架數(shù)目的多少，它反映在采煤機牽引方向的距離。移架速度應大于采煤機工作時的牽引速度。 2、液壓支架的構成 2.1 頂梁 頂梁是支架的主要承載部件之一，支架通過頂梁實現(xiàn)支撐和管理頂板。為了適應頂板的要求，支架頂梁有以下幾種： （1）整體剛性頂梁。這種頂梁結構簡單、重量較輕，但對頂板 不平性的適應能力較差，接頂不夠理想，多用于頂板比較平整、穩(wěn)定，很少出現(xiàn)片幫現(xiàn)象的采煤工作面。 （2）鉸接分體頂梁。這種頂梁分前梁和后梁兩部分，前梁在前梁千斤頂作用下可繞銷軸上下各擺動20左右。這種頂梁的接頂性能好，也加大了靠近煤壁頂板的支撐能力 。 （3）伸縮鉸接頂梁。它是在鉸接分體頂梁的前梁上又套上（或插入）一個可伸縮的梁，這種頂梁除具有鉸接分體頂梁的優(yōu)點外，還可超前支護，防止片幫。 2.2 底座 底座是支架的又一主要承載部件，支架通過底座將頂板壓力傳至底板。底座也是組成四連桿機構的構件之一。支架還通過底座與推移機構相連，以實現(xiàn)自身的前移和推動輸送機。底座有以下幾種： （1）整體剛性底座。底座用鋼板焊接成箱形結構，底部封閉。具有強度高、穩(wěn)定性好、對底板比壓小的特點；缺點是排矸性能差。該底座適用于底板比較松軟、采高與傾角較大以及頂板穩(wěn)定的采煤工作面。 （2）分式剛性底座。底座分左右對稱的兩部分，上部用過橋或箱形結構將左右部分固定連接。這種底座在剛性、穩(wěn)定性和強度等方面基本與整體剛性底座相同，由于安裝推移裝置通道的底座不封閉，故排矸性能好。該底座適用于各類支架，在底板比壓允許的條件下，廣為采用。 （3）左右分體底座。底座由左右兩個獨立而對稱的箱形結構件組成，兩部分之間用鉸接過橋或連桿連接，并可在一定范圍內(nèi)擺動。對不平底板適應性較好；排矸性能好；缺點是底座底面積小，穩(wěn)定性差，故不宜用于底板松軟、厚煤層、傾角大的條件。 （4）前后分體底座。底座由前后兩個獨立的箱形結構件組成，用鉸接或連扳相連。對底板的適應性好，多用于多排立柱、支撐掩護式、垛式支架以及端頭等支架。 2.3 掩護梁 掩護梁只有掩護式呵支撐掩護式支架才安設。其主要功能是隔離采空區(qū)、阻止采空區(qū)冒落矸石涌入工作面，并承受采空區(qū)冒落矸石的載荷和基本頂來壓時的沖擊載荷。掩護梁與前后連桿、底座共同組成四連桿機構，承受支架的水平分力。掩護梁有以下幾種： （1）整體直線形掩護梁。掩護梁一般都為整體箱形結構，這類掩護梁整體性能好，強度大。從側(cè)面看，掩護梁上輪廓線形狀為直線形，目前應用最為廣泛。 （2）整體折線形掩護梁。從側(cè)面看，掩護梁上輪廓線為折線形，相對地增大了工作空間，但當支架歪斜時架間密封性差，加工工藝性差，目前應用較少。 2.4 連桿 連桿是掩護式和支撐掩護式支架上的部件。它與掩護梁、底座組成四連桿機構，即可承受支架的水平力，又可使頂梁與掩護梁的鉸接點在支架調(diào)高范圍內(nèi)作近似直線運動，使支架的梁端距基本保持不變，從而提高了支架控制頂板的可靠性。前后連桿一般采用分體式箱形結構，即左右各一件。后連桿往往用鋼板將兩個箱形結構連接在一起，可增加擋矸性能。 2.5 立柱 立柱是液壓支架承載與實現(xiàn)升降動作的主要液壓元部件。液壓支架上常用的立柱有： （1）單伸縮雙作用立柱。只有一級行程，伸縮比一般為1.6左右，這類立柱結構簡單、調(diào)整高度方便，缺點是調(diào)高范圍小。 （2）單伸縮機械加長桿立柱?？傂谐虨橐簤盒谐膛c機械行程之和，這類立柱的調(diào)高范圍較大，可在較大范圍內(nèi)適應煤層厚度的變化。但機械行程只能在地面根據(jù)煤層的最大厚度調(diào)定。這種立柱造價比雙伸縮立柱低，應用廣泛。 （3）雙伸縮雙作用立柱。兩級行程都由液壓力操控，總行程為液壓行程與機械行程之和，可在較大范圍內(nèi)適應煤層厚度的變化，而且可在井下隨時調(diào)節(jié)，其伸縮比可達3。這類立柱造價高、結構復雜。 2.6 千斤頂 千斤頂是完成支架及其各部位動作、承載的主要元件，大多屬于單伸縮作用活塞式液壓缸。千斤頂按用途分，有推移千斤頂、前梁千斤頂、伸縮梁千斤頂、平衡千斤頂、側(cè)推千斤頂、調(diào)架千斤頂、防倒千斤頂、防滑千斤頂、護幫千斤頂?shù)?。千斤頂與立柱都是活塞式動力油缸，因此其工作原理、基本組成以及對零部件的要求等大體相同。但是，與立柱相比，千斤頂仍有一些區(qū)別，如立柱受力大，千斤頂受力小；立柱壓力高，千斤頂壓力低；立柱主要承受推力，拉力較小，推拉力相對較大，而千斤頂推拉力均有要求，一般相差不大，有時還要求拉力大于推力（采用浮動活塞千斤頂?shù)冉Y構）。 2.7 推移裝置 支架推移裝置是實現(xiàn)支架自身前移和輸送機前推的裝置，一般由推移千斤頂、推桿或框架等導向傳力桿件以及連接頭等部件組成。其中推移千斤頂形式有普通式、差動式和浮動活塞式。普通式推移千斤頂通常是外供液普通活塞式雙作用油缸；差動式推移千斤頂則利用交替單向閥或換向閥的油路系統(tǒng)，使其減小推輸送機力；浮動活塞式推移千斤頂?shù)幕钊稍诨钊麠U上滑動（保持密封），使活塞桿腔（上腔）供液時拉力與普通千斤頂相同，但在活塞腔（下腔）供液時，使壓力的作用面積僅為活塞桿斷面，從而減少了推輸送機力。推移裝置有以下幾種形式： （1）直接式推移裝置。采用普遍式或差動式千斤頂，千斤頂?shù)膬啥酥苯油ㄟ^連接頭、銷軸分別與輸送機和支架底座相連。支架移動時必須有專門的導向裝置，而不能用千斤頂導向。這種推移裝置可用于底座上有專門導向裝置的插腿式等支架，目前應用較少。 （2）平面短推桿式推移裝置。通過推桿，千斤頂分別與輸送機、支架相連，千斤頂多采用浮動活塞式，以減小推輸送機力。由于平面短推桿與千斤頂位于同一軸線，故受力較好，同時，用推桿作導向裝置，抗彎強度高，導向性能好。這種推移裝置推拉力合理，導向簡單、可靠，應用廣泛。 （3）反拉長框架式推移裝置。框架一端與輸送機相連，另一端與推移千斤頂?shù)幕钊麠U或缸體相連，推移千斤頂?shù)牧硪欢伺c支架相連。即用框架來改變千斤頂推拉力的作用方向，用千斤頂推力移支架，用拉力推輸送機，使移架力大于推輸送機的力，移架力最大?？蚣芤话阌酶邚姸葓A鋼制成，作為支架底座的導向裝置。由于框架廠，框架的抗彎性能差，易變形，裝卸不方便，不宜在短底座上采用，重量較大，成本較高。這種推移裝置只需用普通千斤頂，推拉力合理，應用廣泛。 2.8 活動側(cè)護板 活動側(cè)護板安裝在掩護式和支撐掩護式支架的頂梁和掩護梁的側(cè)面，其作用如下： （1）可改善頂梁與掩護梁的護頂、防矸性能，隔離控頂區(qū)與采空區(qū)，防止冒落矸石竄入工作面。 （2）在移架時起導向作用。 （3）活動側(cè)護板增強了支架側(cè)向穩(wěn)定性，其上設置的彈簧與千斤頂都起防止支架降落后傾倒和調(diào)整支架間距的作用。 2.9 護幫裝置 一般情況下，當采高大于2.5m時，支架都應配護幫裝置。護幫裝置設在頂梁前段或伸縮梁的前部，使用時將護幫板推出，支托在煤壁上，起到護幫作用，防止片幫現(xiàn)象發(fā)生。護幫裝置的基本形式有下垂式和普通翻轉(zhuǎn)式： （1）下垂式護幫裝置。由護幫板、千斤頂、限位擋塊等主要部件構成，結構簡單。但護幫板由垂直位置起向煤壁的擺動值一般較小，因此適應性差，一般用于采高為2.5m—3.5m，片幫不十分嚴重的工作面。 （2）普通翻轉(zhuǎn)式護幫裝置。除具有下垂式特點外，其擺動值大，可回轉(zhuǎn)180，因此對梁端距變化與煤壁片幫程度的適應性強，適用于頂板比較穩(wěn)定的采煤工作面，使用較多。 2.10 防倒、防滑裝置 當工作面傾角大于15時，液壓支架必須采取防倒、防滑措施。其辦法是利用裝設在支架上的防倒、防滑千斤頂在調(diào)架時產(chǎn)生的一定的推移力，以防支架下滑、傾倒，并進行架間調(diào)整。 ZZ520/22/42型支撐掩護式液壓支架 ZY4800/26/50掩護式液壓支架 3、液壓支架的安裝與使用 3.1采煤機在工作時，保證支架和輸送機之間不發(fā)生位移的措施 采煤機在采煤的一段區(qū)間內(nèi)，直接和輸送機都不前移，液控單向閥都關閉，從而鎖住支架呵輸送機，使它們之間保持相對穩(wěn)定的狀態(tài)。 3.2移架時“啃底”的原因 當采煤機在工作面采完一個循環(huán)，支架就前移一個步距，一般為600m。如果底板平整，頂板完整，頂板來壓正常，支架就可以平衡前移。當?shù)装宄霈F(xiàn)下傾或凹坑，在支架前移時，就可能出現(xiàn)啃底。 3.3底座焊接時，前、后連桿銷軸孔保證同軸度的方式 在底座焊接時，為保證前、后連桿銷軸孔的同軸度，往往根據(jù)同軸度的要求做好套管，把套管插在底座的左、右兩塊板上的前、后銷軸孔中，然后再進行焊接，從而保證了前、后連桿銷軸的同軸度。 3.4左、右工作面改變時，側(cè)護板的改裝 從煤層傾斜下方向上看，向左開采為左工作面，向右開采為右工作面。支架在左工作面采煤時，為防止支架下滑所以把活動側(cè)護板安裝在支架的左側(cè)，產(chǎn)生一個向下的推力，使活動側(cè)護板始終向下方推，緊緊地靠著下架；同理，支架在右工作面采煤時，活動側(cè)護板安裝在支架右側(cè)。 3.5液壓支架在工作中常見的破壞形式及易損部件 由于支架長期在井下的采煤工作面支撐著頂板的壓力而頂板的壓力是周期性變化的，所以支架長期處在周期壓力的作用下。當周期來壓突然變大或安全閥失靈，靈敏度不夠或支架壓死等，支架不能承受頂板壓力時，頂梁和立柱就會受到破壞。破壞的形式，往往為頂梁變形、立柱壓爆等，另外由于安全閥長期處于頻繁開閉狀態(tài)，所以安全閥易損壞。 4、我國液壓支架發(fā)展 目前我國是世界上第一大煤炭生產(chǎn)國和消費國，2006年煤炭產(chǎn)量達到23.25億T，占世界煤炭總產(chǎn)量的37.4%。與之相一致的是，我國煤機制造行業(yè)的總產(chǎn)量也是位居世界首位，特別是以液壓支架、刮板輸送機、采煤機為主的煤炭綜采裝備生產(chǎn)總量位居世界第一。 2007年4月，6.3米液壓支架在鄭州煤礦機械集團通過了出廠評定，這套新型液壓支架的高度刷新了世界記錄，成為目前世界上支護高度最大的礦用液壓支架。它的面世，也結束了我國高性能液壓支架完全依靠進口的局面。6.3米液壓支架由鄭州煤礦機械集團自主研發(fā)制造，是我國第一套擁有全部自主知識產(chǎn)權的液壓支架。目前國有煤礦礦井回采率平均為45％，采用6.3米液壓支架，可使煤層回采率超過90％，可節(jié)約大量的煤炭資源。6.3米支架的研制成功，還解決了特厚煤層一次采全高的重大技術難題，標志著我國煤礦裝備本土化研發(fā)、制造水平的新突破。