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精密鍛造模具尺寸精度及模具應力的 集成計算機輔助決策支持系統(tǒng) 摘要：在精密鍛造中，我們可以廣泛而有效地應用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗的鍛造模具設計工程師的總結和經(jīng)驗而產(chǎn)生的。在降低成本、提高元件可靠性的過程中，精密零配件正扮演著越來越重要的角色。因此，在許多應用領域中,業(yè)務規(guī)范本身也已經(jīng)成為固有的部分或工藝流程。在鍛造模具設計中，高尺寸精度更是主要目標之一。任何鍛件的承載力和使用壽命在很大程度上都受尺寸精度影響。為了預測部件的尺寸，并確定精鍛模具的尺寸，我們有必要分析一下影響尺寸精度的因素。并且在鍛造的每個階段中都對模具和產(chǎn)品的空間演變進行分析。在這項研究中，自圓柱形工件投入使用以來，徑向和切向應力都將作為模具應力被測定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合，應盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴張和收縮。 關鍵詞：精密鍛造 模具應力 決策支持系統(tǒng) 1引言 精密成型工藝與鍛件尺寸精度在模具鍛造中地位特殊。由于其經(jīng)濟效益的原因，精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術所要實現(xiàn)最重要的目標之一。在鍛造行業(yè)中，為了獲得較高的鍛造精度和較長的模具壽命，我們已經(jīng)開始著眼于如何提高的鍛件尺寸精度。由于模具和工件的彈性和熱特性的不同影響，鍛件的尺寸很有可能有別于模具型腔。在這些特性中，刀具和工件材料彈性運動對尺寸精度的影響較大。 模具和毛坯的彈性特性受零件不同形狀的影響，即使是相同的材料。因此，設計者應充分認識到消除誤測模具和毛坯彈性變形的重要性。許多研究人員在優(yōu)化模具、延長模具壽命和優(yōu)化工藝設計的研究中，運用實驗和數(shù)學的方法研究了型腔補償。在數(shù)字分析方面，Takshashi和Brebbia 用邊界元法分析了鍛造模具應力。 Sadeghi和Dean則研究了關于尺寸精度的精密鍛造軸對稱組件。 Eyercioglu 和Dean也研究了精密齒輪的設計和加工。此外，一些研究還提到了尺寸精度和有限元，上限元素技術（UBET）等一些數(shù)學研究方法，而平板法也在鍛造工具的彈性特性的過程中被提出。 Gerhard 和 Altan聲明他們的模具結構分析和應力及彈性偏差預測都是基于模具壽命預測的。尤其在熱鍛，模具應力，機械連接的構型及熱應力，修復模具疲勞，表面裂紋，裂紋擴展，等影響模具壽命和效益方面頗具成效。 大多數(shù)成形操作中，形變模式的控制是非常復雜的，因此我們不可能給予定量的描述。毛坯在成形區(qū)的材料形變模式受很多因素的影響，如摩擦，潤滑，溫度，流速，邊界條件，材料性能，刀具和毛坯幾何形狀等。該金屬成形工藝優(yōu)化設計不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對過程中機械參數(shù)的相互作用有所研究，以便了解特定金屬的成型工藝。為了獲得所需的幾何和力學性能，工藝參數(shù)必須準確，優(yōu)化，并得到適當?shù)目刂啤? 對于鍛造模具的設計要求及負荷的預測, 經(jīng)驗豐富的工具設計師運用所積累的知識一般通過正確處理尺寸精度來實現(xiàn)。而這些知識，經(jīng)驗都是基于工業(yè)試驗的。除了有關模具應力和鍛造負荷的數(shù)學計算外，必要的過程計劃及源于行業(yè)業(yè)務規(guī)范的準則和知識也為鍛模設計提供了一個理想的實施方案 。 2模具設計的通用假設 模具設計一般受多個因素的影響，并且各個因素之間又相互關聯(lián)。如：產(chǎn)品的類型、形狀及個別特殊情況等,但主要受強度要求的影響。我們應該意識到,由于鍛模中復雜的應力分布，在設計要求方面不是特別精確。這一情況的出現(xiàn)也是有原因的,如產(chǎn)品材料的分布和徑向壓力的大小就無法確定。此外,產(chǎn)品的材料在鍛造過程中也會不斷的變化，這是由于壓力分布的不斷變化造成的，因而就無法達到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常，我們會假定存在這樣一個穩(wěn)態(tài)，在模具煅燒的過程中內(nèi)部壓力始終不變。有了這些假設，就可以對理論空心氣瓶進行計算。與其他方法相比，邊界元法（UBET）融入了上限定理和有限元素法的優(yōu)點，以便對變形速率、模具負載和型腔充填等重要參數(shù)進行更為準確的預測。作為初始階段的最優(yōu)化的算法，UBET無可挑剔，但仍需盡快達成近乎完美的解決方案。 模具內(nèi)部不斷上升的應力主要來源于煅燒時模具內(nèi)部較高的壓力。然而，壓力并非一直不變。由于壓力主要集中在模具與形變工件相接觸的部分，所以壓力在鍛造過程中會有所變化，而壓區(qū)的長度也將發(fā)生變化。該鍛件在尺寸上會與模具有所不同，這主要是由以下幾個因素造成的： -鑲件會收縮至模具外環(huán)的大小以方便工件從模具腔體內(nèi)抽出（Ue）。 -在熱鍛造中，模具可能會被預加熱，然后在鋼坯加熱過程中會被進一步加熱。這將造成模具形腔擴展（UT）。 -工件從鍛造溫度冷卻至室溫時會發(fā)生收縮現(xiàn)象（Uc）。 -在模具零件的電火花加工時，電極與工件之間會發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸（克）。 如圖1所示，假設工件的初始半徑為R0，則模具的最終半徑R4的將是： R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G 3.公式計算 3.1擴展的彈性模計算（Ue） 為了計算由模具的彈性形變造成的工件尺寸的變化，我們必須考慮工件的彈塑性形變。假設工件受模具的應力是不變的，并且鍛件在最大負荷時始終保持圓柱形， 同時模具形變是又是彈性的，沿其軸線不變。忽略工件與鍛模接口的摩擦，工件的尺寸在沖頭負荷產(chǎn)生和消失時發(fā)生變化。此外，工件尺寸的變化發(fā)生在脫模階段。 為了計算出的模具在徑向壓力的擴張總量，我們必須考慮無壓力雙汽缸的膨脹量。工件上存在的沖頭負荷會導致兩種形式的形變。首先，工件將發(fā)生彈性形變，當沖頭應力等于工件的屈服應力時，工件開始發(fā)生塑性形變，壓縮一直持續(xù)到工件接觸到模具內(nèi)壁。為了保證工件表面的連續(xù)性，箍張力（切向）工件和收縮環(huán)必須在這一點上是相等的，即:εθ1=εθ2.下標1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當工件所施加的負荷達到最大時，徑向應力將大于其屈服應力。在這種情況下，如果沖頭負荷消失，工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應力降低到剪切屈服應力的兩倍（Sy）。通過使用特雷斯卡的屈服準則，在本階段結束時， 工件的徑向膨脹的總值可以通過以下公式計算出： 在鍛造過程結束時，沖壓力為零，徑向應力（2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出時，它的半徑將彈性擴大而回收量（S）可以通過假設壓力（簡1 / 4平方米）呈圓柱形分布并且取σz= 0： 、 Ev Ew分別是工件材料的楊氏模量和泊松比 。 彈性模膨脹造成的工件的尺寸變化為： 3.2熱模拓展的計算(Ut) 　 　 在熱鍛造中為防止鍛模組件開裂、降低工件冷卻率,通常會對模具進行預熱。煅燒過程中工件上的部分熱量會進一步加熱模具，這兩部分熱量會導致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預熱溫度為Tp，圖2給出了鈦合金的孔徑大小。我們假定模具的溫度始終不變，但是工件上產(chǎn)生的熱量會隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設預熱均勻，則模壁會自由膨脹所有徑向膨脹量計算如下： 這里，Tr為室溫，Tp是預熱溫度，αd為模具材料的熱膨脹系數(shù)。模具內(nèi)表面溫度不斷上升，圖3為壓力分布示意圖。 因此，由熱壓力造成的任一半徑的徑向位移量可以由計算而得： 　　 高溫造成的模具總膨脹量為： 3.3產(chǎn)品熱收縮的計算（Uc） 　熱成型加工后的收縮量受加工溫度和鍛造材料熱膨脹的共同影響。假設收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時的溫度是均勻的,則任何半徑的徑向收縮量為:　　 其中，Tf是鍛造溫度，αw工件的熱膨脹系數(shù)，r是工件收縮前的半徑。為了實現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會被嚴格控制。正如上文所述，在調(diào)整模具和確定毛坯尺寸之前很明顯要對上述因素給予充分的考慮。在上述的分析中, 要先計算出影響鍛造尺寸的參數(shù)，而對于一個給定的條件，模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計算這些數(shù)據(jù)和修正模具的產(chǎn)品鍛造尺寸的程序。鑲件和收縮環(huán)的尺寸（見圖4）可以通過等式10-17計算得出。 其中a是模具內(nèi)半徑、b是鑲件外半徑、c是收縮環(huán)的外半徑、z是干擾參量,Pi是內(nèi)壓力。 4總體結構系統(tǒng) 現(xiàn)在我們已經(jīng)實現(xiàn)了一種結構,該結構為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力，同時找到了正確處理模具應力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。 我們也開始考慮運用一種智能的面向?qū)ο笙到y(tǒng)生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。我們曾試圖用母系框架(幾何、鍛造負荷、模具幾何、網(wǎng)絡構架來描述這項工作的知識表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個母系框架又設有有子框架。圖5為整體框架。 　　母系框架通常用來描述一般的對象。數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)定義詳細說明了數(shù)據(jù)庫的存儲方式,以方便數(shù)據(jù)的搜索和整理。為了將文本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)我們需要調(diào)整子框架和例證以使其能代指特定的對象。鍛造負荷的預測對尺寸精度和模具壽命至關重要。 下面的這個框架有六個子框架,它是開發(fā)系統(tǒng)主要框架之一(見圖6)。 　　 輪廓框架：這個框架從它的幾何母系框架獲取知識表達。為了確定煅燒負荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線，要對實體進行搜索。在這個過程中, 為了找到斜行或弧,相關的支架都要被刪除。 移除框架：在這個框架中,移除的實體將被儲存在數(shù)據(jù)庫中。這里有兩個實例：其中一種包含斜行的信息而另一個包含了弧域框架：這個框架也是鍛造負荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個框架的。垂直和水平線都引自同行的角點。通過這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關知識儲存在數(shù)據(jù)庫中。 摩擦框架：域的一側(cè)與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。因此,兩側(cè)都會被檢查，而摩擦系數(shù)也是確定的。該框架用于測定域的兩側(cè)是否與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。 　 潤滑框架：潤滑框架從摩擦框架獲取信息。這一框架有四層標準:良潤滑，潤滑、差及零潤滑(干)。這些標準必須由用戶認定。輸入值通常用于域各邊及所有產(chǎn)品摩擦系數(shù)的確定。 流動應力框架：不同材料的形變特性各有迥異。一旦發(fā)生形變流動應力值就會隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時掌握。 5實驗 在實驗中用到一個600kN的液壓力，同時，石墨水也將被用作潤滑劑。最后，必須確保所有的工作表面都被完全潤滑。AISI空氣硬化中度偏冷合金被作為一種鑲件材料被使用。工具箱中有容器、沖床、噴射器及墊板。 同時要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實驗在室溫下進行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質(zhì)坯料。外徑40毫米、高度20毫米的產(chǎn)品都由工料桿和空心桿獲得。 5.1閥瓣鍛造 為確定鋁的應力-應變曲線，我們進行了閥瓣鍛造壓縮試驗。為了實現(xiàn)這一目標，我們又進行了增量壓縮測試，并在每一次加載之后對面積減少量及相應的載荷進行計算與記錄。高度的降低量與載荷關系如圖7所示。圖8為應力-應變曲線。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對模環(huán)進行了抗壓測試。扁環(huán)樣本在兩個擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦會產(chǎn)生材料的內(nèi)向流，相反，減少摩擦則會造成材料的外向流。對于抗壓測試中給定的高縮比,相應的試件內(nèi)徑尺寸為我們提供了工件與模具間現(xiàn)行摩擦系數(shù)的數(shù)量級 。 從這個角度看,鋁的模環(huán)抗壓測試的數(shù)據(jù)見表格1。ΔH和%ΔD的值可由下面的方程式計算得出。摩擦系數(shù)m可以從圖9看出。 　　 5.2 u型鍛造 　 在產(chǎn)品的精密鍛造中，模具填充完全被認為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標準。我們應該嚴格控制毛坯的體積,否則就有可能發(fā)生填模不滿或填模過滿的問題。通常認為液態(tài)金屬在棱角處不易流動。這一問題可以通過適當?shù)恼{(diào)整毛坯的幾何構型來解決。 圖10給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。第一個毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個毛坯則在55噸載荷下鍛造出來的，但試件內(nèi)側(cè)明顯出現(xiàn)填模不滿的情況。而第三個毛坯更是同時出現(xiàn)了填模不滿和填模過滿的情況。它的載荷是40噸。 5.3 t型鍛造 t型鍛造如圖11所示。同樣，這里給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過程中都維持其體積不變。雖然這里用了55噸的載荷，圖11a表明,t型產(chǎn)品的模腔仍未填滿。而第二個試件的載荷量是40噸，此時模腔基本上被填滿了。第三個試件形狀較小，直徑不變，在26噸的載荷下獲得了這種產(chǎn)品。 5.4 錐型鍛造 圖12為錐形鍛造。這種產(chǎn)品同樣是用不同尺寸且保持尺寸不變的試件。圖12給出了三種不同尺寸的錐型毛坯。圖12a表明錐型鍛造的產(chǎn)品是不能夠在55噸載荷下得到的，由于毛坯變形出現(xiàn)了填模過滿的情況。實驗二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負載(圖12b)。在這種情況下，錐形頂部不能完全成型。第三個試件直徑為25毫米,負荷為24噸。幾乎達到了尺寸要求。 這些實驗表明,能否鍛造出合格的產(chǎn)品取決于毛坯的幾何形狀，而毛坯的幾何形狀又受翅成型、形變縮鍛與擠壓以及摩擦的影響。 5.5尺寸精度分析 　 因為精密鍛造的模具在鍛造過程中會受到非常大的徑向壓力，所以模具會發(fā)生較為明顯的徑向形變。模具的這種徑向形變是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要因素。要想獲得高精度尺寸的產(chǎn)品，就要對模具和產(chǎn)品的彈性形變進行（Ue）估算。 通過上述的分析，影響鍛造尺寸的參數(shù)，也就是模具擴張（Ue），可以通過等式5并結合模具尺寸計算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計算的截屏見圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計算結果。 表2.模具修正幾何尺寸（mm） U型 T型 錐型 Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667 工件最終半徑 19.96437 19.96437 19.95333 模具最終半徑 20.03563 20.03563 20.04667 b 28.78528 28.78528 27.66765 c 41.42962 41.42962 38.27494 z 0.02978 0.02978 0.02642 w1 9.98815 10.0456 7.51274 w2 10.0456 9.98815 7.5110 表2分別給出了U型鍛造、T型鍛造和錐形鍛造根據(jù)模具應力和尺寸精度的計算結果推算出的模腔尺寸。圖15給出了合成鍛造的剖面圖。圖16給出了錐型鍛造產(chǎn)品的模具設計要素。沖床最為獨立的單元，沒有列出詳細數(shù)據(jù)。沖床充當了腔體頂部，與隨機運動的鍛機相接觸。噴射器通常用于去除模具內(nèi)尚未形變的產(chǎn)品。也用于產(chǎn)品底部成型。鑲件則促成了模具（模具內(nèi)壁）的成型。 　由于鑲件受到鍛造負荷、摩擦負荷和溫度的影響，同時它的強度又必須能夠應對所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強鑲件對內(nèi)部壓力的抵抗力，通常是在一個或多個收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件，使其達到熱力配合。因此，可以大大減少由鍛造部件傳遞的鍛造壓力與鍛孔上的張應力合力。 6結論 計算機輔助鍛造設計對于逐漸沒落的鍛造產(chǎn)業(yè)意義非凡。由于鍛造的形狀在整個產(chǎn)業(yè)中地位突出，所以，發(fā)達的決策支持系統(tǒng)的應用非常廣泛。通常假設移除外加負載后，只發(fā)生徑向尺寸變化。為了研究精密鍛造過程中尺寸變化的力學參數(shù)，也會考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過程中會忽略加工硬化和溫度變化的影響，但理論和實驗結果還是非常吻合的。 機 機 械 英 文 翻 譯 譯 文 姓 名: 林 超 班 級:07機制2班 指導老師:楊志波 機 械 英 文 翻 譯 原 文 姓 名: 林 超 班 級:07機制2班 指導老師:楊志波 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）中期檢查表 指導教師： 楊志波 職稱： 副教授 所在系部（單位）： 機械與動力工程學院 教研室（研究室）： 機械教研室 題 目 礦用液壓支架的設計 學生姓名 林超 專業(yè)班級 07機制2班 學號 0720150088 一、選題質(zhì)量 1， 該選題為礦用液壓支架設計，符合專業(yè)培養(yǎng)目標，能夠體現(xiàn)綜合訓練的要求，可以對 我們大學四年所學知識進行一次全面的練習。 2， 這將對我們以后深造學習和工作起到十分有效的幫助，也能達到一個綜合訓練的效 果，又加強了實際的動手動腦能力。 3， 題目的難易程度很適中，對我們既是一個挑戰(zhàn)也是一個很好的鍛煉提高過程。 4， 題目的工作量：要求完成3張以上的A0圖紙，50—60頁的說明書一份。 5， 選題不但能緊密的結合生產(chǎn)和實踐，而且在我們所學課程的范圍之內(nèi)，對我們 以后不管是科研還是從事實際的工作都有很大的幫助。 二、開題報告完成情況 在老師指導和同學們的幫助之下，我順利的開始本次畢業(yè)設計。我在自己經(jīng)過一些查閱資料的前提下，慢慢地理出頭緒,摸索出了設計思路。 由于我們這次是礦用液壓支架的設計，以前接觸這方面的知識較少，所以在剛開始不是很順利，甚至感到有些無從下手，但是經(jīng)過和指導老師的提導、與本組同學的商量、在工廠實習觀看實物之后， 我逐漸找到設計的切入點，順利的完成了開題報告。并有了一定的成果和進行了一些前期的工作，并使本次設計有了一個良好的開始。在查閱了一些資料后，已經(jīng)進行了計算設計，正在整理說明書,并進行初步繪制草圖.我將繼續(xù)努力，認真完成這次畢業(yè)設計。 三、階段性成果 1．通過對液壓傳動原理的學習，在加上老師的仔細講解，我收集了大量的資料和文獻，為設計的順利完成打下了堅實的基礎。 2. 在老師的指導和同學的幫助下找到了設計的基本方法，開始了一些基本的原理的設計計算，并取得了一定成果。 3. 完成了開題報告。 4．對整個設計有了一個總體的方案,并進行了前期的一些工作和設計. 四、存在主要問題 由于在液壓傳動原理及機械原理的理解不夠深入,實際經(jīng)驗不足,而且這方面參考資料有限,所以隨著設計的逐漸進行中我遇到了許多新的和更加復雜的問題，這些問題使我充分認識到了自己在以前學習中的不足和自己與一些同學在專業(yè)知識方面的差距，所以我要以本次設計為契機加強自己在學習上薄弱環(huán)節(jié)，爭取使我的畢業(yè)設計能夠取得好的成績，也能夠使我所學的知識能夠在以后的工作中發(fā)揮更大的作用。 五、指導教師對學生在畢業(yè)實習中，勞動、學習紀律及畢業(yè)設計（論文）進展等方面的評語 指導教師： （簽名） 年 月 日 河南理工大學萬方科技學院 本科畢業(yè)設計（論文）開題報告 題目名稱 礦用液壓支架 學生姓名 林超 專業(yè)班級 07機制2班 學號 0720150088 一、 本課題的研究目的和意義 通過本次畢業(yè)設計，培養(yǎng)學生綜合運用液壓傳動、機械設計、工程理學等課程中所學理論知識的能力；強調(diào)設計的獨創(chuàng)性和實用性，培養(yǎng)和提高設計者獨立分析問題和解決實際問題的能力，為今后適應工作崗位和創(chuàng)造性地開展工作打下堅實基礎。 采用綜合機械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益的必由之路。為了滿足對煤炭日益增長的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設備，迅速增加綜合機械化采煤工作面（簡稱綜采工作面）。而每個綜采工作面平均需要安裝150臺液壓支架，可見對液壓支架的需要量時很大的。 由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件，煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機械性質(zhì)等的不同，對液壓支架的要求也不同，為了有效的支護和控制頂板，必須設計出不同類型和不同結構尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設計工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設計工作量是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。 在過去的半個多世紀中，煤礦井下開采支護設備的設計和使用發(fā)生了巨大變化。其中，最引人矚目的是世界范圍內(nèi)廣泛采用液壓支架作為長臂開采支護工程的主要設備。從采煤設備的發(fā)展過程來看，采用液壓支架管理頂板是當代采煤技術史上一次重要的變革，也是煤礦現(xiàn)代化的主要標志。液壓支架作為綜合機械化采煤的關鍵設備之一，其重量約占綜合采煤設備總重量的80%~90%，其費用約占綜合采煤設備總費用的60%~70%。因此，為了降低成本提高采煤的經(jīng)濟效益，世界各主要產(chǎn)煤大國都一直在積極地開展液壓支架的研究。 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 摘 要 本論文主要闡述了一般掩護式液壓支架的設計過程。設計內(nèi)容包括：選架型、總體設計、主要零部件的設計、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設計。 由于該煤層厚度適中，選用掩護式液壓支架。煤層厚度介于之間，煤層厚度變化較大，選用調(diào)高范圍大且抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。支架采用正四連桿機構，以改善支架受力狀況。頂梁、掩護梁、底座均做成箱體結構；立柱采用雙伸縮作用液壓缸，以增加工作行程來滿足支架調(diào)高范圍的需要。推移千斤頂采用框架結構，以減少推溜力和增大移架力。為了提高移架速度，確保對頂板的及時支護，采用錐閥液壓系統(tǒng)。 關鍵詞：液壓支架 液壓 四連桿機構 采煤 支架選型 推溜 移架 - III - 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 Abstract The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design. Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 2.5~3.8 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system. Key word: The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal, support shaping push forwards the conveyer, advancing the powered support. 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 目 錄 1 概述 1 1.1 液壓支架的組成和分類 1 1.1.1液壓支架的組成 1 1.1.2液壓支架的分類 2 1.2液壓支架的工作原理 2 1.3 液壓支架的支護方式 5 1.4支架選型的基本參數(shù) 6 1.4.1 對液壓支架的基本要求 6 2 液壓支架的總體設計 ７ 2.1 液壓支架的選型 ７ 2.2 液壓支架參數(shù)的確定 ９ 2.2.1 支護強度和工作阻力 ９ 2.2.2 初撐力 ９ 2.2.3 移架力與推溜力 １０ 2.2.4 支架調(diào)高范圍 １０ 2.2.5 中心距和寬度的確定 １１ 2.2.6 底座寬度 １１ 2.3 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 １２ 2.3.1 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 １２ 2.3.2 其他附屬設備的配套 １２ 2.4 四連桿機構設計 １３ 2.4.1 四連桿機構的作用 １３ 2.4.2 用優(yōu)選設計法設計四連桿機構 １４ 2.5 頂梁長度的確定 １９ 2.6立柱及柱窩位置的確定 ２０ 2.7平衡千斤頂位置的確定 ２４ 2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 ２４ 2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 ２５ 2.8其它千斤頂技術參數(shù)的確定 ２７ 2.8.1 推移千斤頂技術參數(shù) ２７ 2.8.2 側(cè)推千斤頂技術參數(shù) ２７ 2.8.3 前梁千斤頂技術參數(shù) ２７ 2.8.4 護幫板千斤頂?shù)募夹g參數(shù) ２８ 3 液壓支架受力分析和計算 ２９ 3.1 受力分析計算 ２９ 3.2 支護強度計算 ３０ 3.3 底座比壓的計算 ３０ 4 液壓支架的主要部件的設計 ３２ 4.1 前梁 ３２ 4.2 主頂梁 ３２ 4.3 掩護梁 ３３ 4.4 前、后連桿 ３４ 4.5 底座 ３５ 4.6 立柱 ３６ 4.7 千斤頂 ３７ 4.7.1 推移千斤頂 ３７ 5 主要零、部件的強度校核 ３９ 5.1校核的基本要求 ３９ 5.2前梁強度校核 ４０ 5.2.1 前梁受力情況 ４０ 5.2.2 前梁強度計算 ４１ 5.3 主頂梁強度校核 ４３ 5.3.1 主頂梁受力情況 ４３ 5.3.2 主頂梁強度計算 ４４ 5.4 掩護梁強度校核 ４６ 5.4.1 掩護梁受力情況 ４６ 5.4.2 掩護梁強度計算 ４６ 5.5 底座強度校核 ４８ 5.5.1 底座受力情況 ４８ 5.5.2 底座強度校核 ４９ 5.6 立柱強度的校核 ５０ 5.6.1 立柱穩(wěn)定性校核 ５０ 6 液壓系統(tǒng) ５３ 6.1 液壓支架的液壓系統(tǒng)的簡介 ５３ 6.1.1 液壓支架傳動系統(tǒng)的基本要求 ５３ 6.1.2 液壓支架的液壓傳動特點 ５３ 致 謝 ５５ 參考文獻 ５６ IV 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 1 概述 1.1 液壓支架的組成和分類 1.1.1液壓支架的組成 液壓支架是綜采工作面支護設備，它的主要作用是支護采場頂板，維護安全作業(yè)空間，推移工作面采運設備。 液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架按其結構特點和與圍巖的作用關系—“般分為三大類，即支撐式、掩護式(圖1-2)和支撐掩護式(圖1-3) 根據(jù)支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個部分： (1) 承載結構件，如頂梁、掩護梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。 (2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實現(xiàn)支架的各種動作，產(chǎn)生液壓動力。 (3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動作及保證所需的工作特性。 圖1-2 掩護式液壓支架結構 圖1-3 支撐掩護式液壓支架結構 (4) 輔助裝置，如推移裝置、護幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動側(cè)護板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實現(xiàn)支架的某些動作或功能所必需的裝置。 1.1.2液壓支架的分類 按液壓支架在采煤工作面的安置位置來劃分，有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端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。 中間液壓支架按其結構形式來劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護式和支撐掩護式。 1.2液壓支架的工作原理 液壓支架在工作過程中必須具備升、降、推、移四個基本動作，這些動作是利用泵站供給的高壓乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來實現(xiàn)完成的。如圖1-5示 1. 升柱 當需要支架上升支護頂板時。高壓乳化液進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。 2. 降柱 當需要降柱時，高壓液進入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。 圖1-5 液壓支架工作原理 -頂梁 -立柱 -底座 -推移千斤頂 -安全閥 -液控單向閥 、-操縱閥 -輸送機 -乳化液泵 -主供液管 -主回液管 3. 支架和輸送機前移 支架和運輸機的前移，都是由底座上的推移千斤頂來完成的。當需要支架前移時，先降柱卸載，然后高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機為支點，缸體前移，把整個支架拉向煤壁；當需要推運輸機時，支架支撐頂板后，高壓液進入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點，是活塞桿伸出，把運輸機推向煤壁。 支架的支撐力與時間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-6所示： 支架立柱工作時，其支撐力隨時間的變化過程可分為三個階段 -初撐階段； -增阻階段； -恒阻階段；-初撐力；-工作阻力 （1）初撐階段 支架在升柱時，高壓液進入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當增加到泵站工作壓力時，泵站自動卸載，支架的夜控單向閥關閉，立柱下腔壓力達到初撐力，此階段為初撐階段， 此時支架對頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為 (1.1) 圖1-6 支架的工作特性曲線 式中 --支架立柱的缸徑，； --泵站的工作壓力，； --支架立柱的數(shù)量。 由上式可知，支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力，以免立柱的缸徑過大。 （2）承載增阻階段 支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達到工作阻力。此階段為增阻階段。 （3）恒阻階段 隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過支架的安全閥壓力調(diào)正值時，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。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。支撐式支架的工作組力為 (1.2) 式中 --支架安全閥的調(diào)定壓力 ； 支架的工作阻力標志著支架的最大承載能力。 對于掩護式和支撐掩護式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。 支架的工作阻力是支架的一個重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對頂板的支撐能力。因此，常用單位支護面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護強度來表示支架的支護性能。即 (1.3) 式中 —支架的支護面積，。 1.3 液壓支架的支護方式 綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關系。 1 即時支護 —般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機”的配套關系。即時支護的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應用最廣泛的支護方式。 2 滯后支護 一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護的特點是，支護滯后時間較長，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。 3 復合支護 —般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。 復合支護的特點是：支護滯后時間短，但增加了反復支撐次數(shù)?？蛇m用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應高產(chǎn)高效要求，目前應用較少。 1.4支架選型的基本參數(shù) 1.4.1 對液壓支架的基本要求 1. 為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。 2. 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為,中厚煤層一般為,厚煤層一般為。 3. 防矸性能要好。 4. 排矸性能要好。 5. 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。 6. 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈? 7. 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 8. 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。 9. 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定得不均勻載荷和沖擊載荷。 10. 滿足強度條件下，盡可能的減輕支架重量。 11. 要易于拆卸，結構要簡單。 12. 液壓元件要可靠。 ２９ 山東科技大學學士學位論文 液壓支架的總體設計 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 2 液壓支架的總體設計 2.1 液壓支架的選型 正確選擇液壓支架的架型，對于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設計的效能，實現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個很重要的因素。在具體選擇架型時，首先要考慮煤層的頂板條件。表2-1是根據(jù)國內(nèi)外液壓支架的使用經(jīng)驗，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架的主要依據(jù). 由于給定參數(shù)中頂?shù)装嫘再|(zhì)：老頂I級、直接頂2級，底板平整，無影響支架通過的斷層，初步選擇為掩護式支架。 1 煤層厚度 煤層厚度不但直接影響到支架的高度和工作阻力，而且還影響到支架的穩(wěn)定性。當煤層厚度大于(軟煤層下限，硬煤層上限)時，應選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式或支撐掩護式支架。當煤層厚度變化較大時，應選用調(diào)高范圍大的支架。因此本次設計應選用抗水平推力強且?guī)ёo幫裝置的掩護式支架。 2 煤層傾角 煤層傾角主要影響支架的穩(wěn)定性、傾角大時易發(fā)生傾倒下滑等現(xiàn)象。當煤層傾角大于時，應設防滑和調(diào)架裝置，當傾角超過時，應同時具有防滑防倒裝置。給定煤層傾角，不用設置防滑和調(diào)架裝置。 3 底板性質(zhì) 底板承受支架的全部載荷，對支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架地做的結構和支撐面積。選型時，要驗算底座對底板的接觸比壓，其值要小于底板允許比壓（對于砂巖底板，允許比壓為,軟底板為左右） 4 瓦斯涌出量 對于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風斷面應滿足通風的要求，選型時要進行驗算。 表2-1 老頂級別 I II III IV 直接頂級別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類型 掩護式 掩護式 支 撐 式 掩護式 掩護式或支撐掩護式 掩 護 式 支撐掩護式 支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐或支撐掩護式 支撐式 采高 小于 2.5m時 支撐 掩護式 采高 大于 2.5m時 支架支護強度 采高 1 2 3 4 0.294 0.343（0.245） 0.441（0.343） 0.539（0.441） 1.30.294 1.30.343（0.245） 1.30.441（0.343） 1.30.539（0.441） 1.60.294 1.60.343 1.60.441 1.60.539 〉20.294 〉20.343 〉20.441 〉20.539 應結合 深孔爆破 ，軟化頂板 等措施 處理采空區(qū) 單體支柱支護強度 采高 1 2 3. 0.147 0.245 0.343 1.30.147 1.30.245 1.30.343 1.60.147 1.60.245 1.60.343 按采空區(qū)處理方法確定 注：①括號內(nèi)的數(shù)字是掩護式支架的支護強度。表中所列支護強度在選用時，可根據(jù)本礦情況允許有5%的波動范圍。 ②表中1.3、1.6、2分別為II、III、IV級老頂?shù)姆旨壴鰤合禂?shù)；IV級老頂只給出最低值2，選用時可根據(jù)本礦實際確定適宜值。 2.2 液壓支架參數(shù)的確定 2.2.1 支護強度和工作阻力 支護強度取決于頂板性質(zhì)和煤層厚度。支護強度可根據(jù)下列公式估算： （2.1） 式中K—作用與支架上的頂板巖石系數(shù)，一般取。頂板條件好、周起來壓不明顯時取下限，否則取上限； H—采高， γ—頂板巖石密度，一般為 放頂煤支架的支護強度一般為 支架工作阻力P應滿足頂板支護強度的要求，即支架工作阻力由支護強度和支護面積所決定。 （2.2） 式中 F—支架的支護面積，可按下式計算 2.2.2 初撐力 初撐力的大小是相對與支架的工作阻力而言，并與頂板的性質(zhì)有關。較大的初撐力可以使支架較快地達到工作阻力，防止頂板過早的離層，增加頂板的穩(wěn)定性。對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護機道上方的頂板，應取較高的初撐力，約為工作阻力的80%；對于穩(wěn)定頂板，初撐力不宜過大，一般不低于工作阻力的60%，對于周期來壓強烈的頂板，為了避免大面積的垮落對工作面的動載威脅，應取較高的初撐力，約為工作阻力的75%。 2.2.3 移架力與推溜力 移架力與支架結構、噸位、支撐高度、頂板狀況是否帶壓移架等因素有關。一般薄煤層支架的一架力為;中等厚度煤層支架為;厚煤層為。推溜力一般為. 2.2.4 支架調(diào)高范圍 支架最大結構高度 (2.5) 支架最小結構高度 (2.6) 式中 、—煤層最大、最小采高 —偽頂冒落的最大厚度，一般取 —頂板周期來壓時的最大下沉量、移架使支架的下降量和頂梁上、底座下的浮矸、煤層厚度之和，一般取 確定支架的最低高度時還應考慮到井下的允許運輸高度。 支架的伸縮比 （2.7） 值的大小反映了支架對煤層厚度變化的適應能力，其值越大，說明支架適應煤層厚度變化的能力越強，采用單伸縮立柱，值一般為1.6左右。若進一步提高伸縮比，需采用帶機械加長桿的立柱或雙伸縮立柱，其值一般為2.5左右。薄煤層厚度可達。由于又考慮到煤層厚度較高，初選雙伸縮立柱。 2.2.5 中心距和寬度的確定 支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長度。目前國內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用.大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用，輕型支架為適應中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用。因此設計中預取1.5m。 2.2.6 底座寬度 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設計支架的底座長度時，應考慮如下諸方面： 支架對底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作和行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護式支架的底座長度取3.5倍的移架步距一個移架步距為，即左右；支撐掩護式支架的底座長度取4倍的移架步距，即左右。 2.3 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 2.3.1 采煤機、液壓支架和輸送機的配套 綜采工作面采煤機、液壓支架和輸送機之間在性能參數(shù)、結構參數(shù)、空間尺寸及相互連接等方面，有著嚴格的配套要求，以保證綜采工作面的最大生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)的要求。 （1）生產(chǎn)能力的配套 （2）性能配套 （3）幾何關系的配套 2.3.2 其他附屬設備的配套 煤層傾角大于時，采用鏈牽引的采煤機應設置防滑裝置；當傾角大于時應安裝防滑絞車，輸送機應設置防滑錨固裝置，支架也應有防倒防滑和調(diào)架裝置；而對于大采高工作面設備，煤層傾角大于時，即應設防滑裝置。 落煤塊度過大時，工作面轉(zhuǎn)載機上應設置破碎裝置。 本設計采用配套 液壓支架 北京煤機廠 采煤機 刮板運輸機： 2.4 四連桿機構設計 2.4.1 四連桿機構的作用 四連桿機構是掩護式支架和支撐掩護式支架的最重要部件之一。其作用概括起來主要有兩個：其一是當支架由高到低變化時，借助四連桿機構使支架頂梁前端點的運動軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。 為了掌握四連桿機構的設計方法，必須正確理解四連桿機構的作用。下面通過四連桿機構動作過程的幾何特征進一步闡述其作用。這些特征是四連桿動作過程的必然結果。 1.支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時，頂梁端點運動軌跡的最大寬度，最好為以下； 2.支架在最高位置時和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，應滿足如下要求： 支架在最高位置時，，；支架在最低位置時，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護梁上，根據(jù)物理學摩擦理論可知，要求，如果剛和矸石的摩擦系數(shù)，則，為了安全可靠，最低工作位置應使為宜。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取,在特殊情況下需要角度較小時,可提高后連桿下鉸點的高度； 3.掩護梁與頂梁鉸點和瞬心中心間的只限于水平線夾角,滿足。原因是角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。 4.應取頂梁前端點運動軌跡雙紐線向前凸的一段為支架工作段，如圖2—2所示的h段。 圖2—2所示 其原因為當頂板來壓時，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢，可防止巖石向后移動，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時底板防止底座向后移，使整個支架產(chǎn)生順時針轉(zhuǎn)動的趨勢，從而增加了頂梁前端的支護力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應減小，所以減輕了掩護梁的外負荷。 2.4.2 用優(yōu)選設計法設計四連桿機構 目標函數(shù)的確定：令支架由高到低時，頂梁前端運動軌跡近似呈斜線；這樣比用直線作為目標函數(shù)的雙紐線的上半部分要長。 四連桿機構的設計通過程序來計算和驗證，程序編制如下所示： Private Sub Command1_Click() Dim h1, h2 As Double '支架最高，最低計算高度 Dim p1 As Double '支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角 Dim q1 As Double '支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角 Dim i As Double '后連桿與掩護梁的比值 Dim i1 As Double '前后連桿上鉸點之距與掩護梁的比值 Dim g As Double '掩護梁長度 Dim a As Double '后連桿長度 Dim b As Double '前后連桿上鉸點之距 Dim f As Double '前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距 Dim b1, b2, b3 As Double Dim c As Double '前連桿長度 Dim d As Double '前連桿下鉸點高度 Dim e As Double '前后連趕下鉸點在底座上的投影距離 Dim a1, q2, o1, l As Double Dim s As Double h1 = Val(Text1.Text) h2 = Val(Text2.Text) For p1 = 0.91 To 1.08 Step 0.034 For q1 = 1.31 To 1.48 Step 0.034 For i = 0.61 To 0.82 Step 0.042 For i1 = 0.22 To 0.3 Step 0.02 g = h1 / (Sin(p1) + i * Sin(q1)) a = i * g b = i1 * g f = g - b e1 = g * Cos(p1) - a * Cos(q1) X1 = f * Cos(p1) Y1 = h1 - f * Sin(p1) q2 = 0.436 p2 = Atn(Sqr(Abs(g * g - (e1 + a * Cos(q2)) ^ 2)) / (e1 + a * Cos(q2))) X2 = f * Cos(p2) Y2 = b * Sin(p2) + a * Sin(q2) p3 = 3.14 / 2 - Atn(a / g) - Atn(e1 / Sqr(g * g + a * a - e1 * e1)) q3 = 3.14 / 2 - p3 x3 = f * Cos(p3) y3 = b * Sin(p3) + a * Sin(q3) m = x3 * x3 - X1 * X1 + y3 * y3 - Y1 * Y1 n = X2 * X2 - x3 * x3 + Y2 * Y2 - y3 * y3 t = 2 * ((x3 - X1) * (Y2 - y3) - (y3 - Y1) * (X2 - x3)) xc = (m * (Y2 - y3) - n * (y3 - Y1)) / t yc = (n * (x3 - X1) - m * (X2 - x3)) / t c = Sqr((X1 - xc) ^ 2 + (Y1 - yc) ^ 2) o = c / a If o > 0.9 And o < 1.2 Then d = yc e = e1 - xc x4 = e1 + a * Cos(q1) y4 = a * Sin(q1) x5 = e1 y5 = 0 k1 = (Y1 - yc) / (X1 - xc) c1 = Atn(k1) k2 = (y4 - y5) / (x4 - x5) x6 = (k1 * X1 - Y1 - k2 * x4 + y4) / (k1 - k2) y6 = k1 * (x6 - X1) + Y1 l = x6 s = h1 - y6 u = s / l If u < 0.2 And u > 0 And d < h1 / 5 And e < h1 / 4.5 Then Label3.Caption = "掩護梁與頂梁鉸點至瞬心和底座平面夾角的正切值 " & u & " 支架在最高位置時，后連桿與底座平面夾角" & q1 * 180 / 3.14 & "弧度" & " 后連桿長度" & a & "米" & " 前后連桿上鉸點之距" & b & "米" & "前連桿長度" & c & "米" & "前連桿下鉸點高度" & d & "米" & " 前后連趕下鉸點在底座上的投影距離" & e & "米" & " 前連桿上鉸點至掩護梁上鉸點之距" & f & "米" & "支架在最高位置時，頂梁與掩護梁夾角" & p1 & "弧度" & " 掩護梁長度" & g & "米" & " 支架在最高位置時，前連桿與底座平面夾角" & c1 & "弧度" & "s=" & s & "米" & " l=" & l & "米" End If End If Next i1 Next i Next q1 Next p1 End Sub 輸入初始值，程序運行結果如下： 圖2-3 這樣，四連桿機構的幾何長度及最高最低位置時對應的夾角就確定。該四連桿機構不僅能滿足工作高度的要求，而且在支架下降時，頂梁前端向前傾斜，這樣有利于改善支架的受力狀況。 2.5 頂梁長度的確定 為防止當采煤機向支架內(nèi)傾斜時，采煤機滾筒不切割頂梁在設計時要求頂梁前端距煤壁最小距離為 參照三機配套 液壓支架 北京煤機廠 采煤機 刮板運輸機： 由于選擇掩護式支架，b的長度按下式計算 （2.11） 式中 ―人行道寬度不小于0.6m ―立柱傾角 ―支架高度 頂梁全長 式中―柱窩到鉸接軸的距離，通常取 圖2-4 經(jīng)上式計算，頂梁長度預取 此外應注意采用及時支護方式，即先移架后推溜，因此要求頂梁有較大長度 2.6立柱及柱窩位置的確定 1. 立柱數(shù) 2根 2. 支護方式 支護時立柱均前傾立柱在最低位置時與頂梁垂線的夾角最大 3. 立柱間距 立柱間距的選取原則為：有利于操作，行人和部件的和理布置。前后兩排立柱間距一般取。 4. 立柱的設計 （1）支護面積 支架的支護面積按下式計算： (2.12) 故： （2）支護強度 支護強度的計算可借助于查表。首先按表根據(jù)老頂級別和直接頂類別確定支架架型，再根據(jù)名頂級別和采高確定支護強度。由于實際最大采高不—定正好和表中所列采高相同，所以要用插值法重新計算。 (2.13) 代入數(shù)據(jù)得： 立柱參數(shù)的確定： 假設立柱的傾角小于，現(xiàn)取傾角為則 (2.14) 式中： —立柱內(nèi)徑（） —理論支護阻力（） —每跟立柱數(shù) —立柱最大傾角（） —安全閥的調(diào)整壓力，取型 按照國家標準選取比計算直大的標準值作為內(nèi)徑，選取立柱的基本參數(shù)為： 缸體內(nèi)徑： 活柱外徑： 工作阻力： 額定工作壓力： 推薦選用鋼材： 鋼材規(guī)格： 由支架的 由國家標準選取立柱行程。 5. 立柱的初撐力和泵站的額定工作壓力 立柱的初撐力 (2.15) 取作為泵站的額定工作壓力，考慮到從泵站到支架的壓力損失，根究一般的經(jīng)驗的泵站乳化液到支架的壓力一般為。但對于只考慮支架的設計來說一般都把泵站壓力做為計算初撐力的壓力。 安全閥的調(diào)整壓力和立柱的實際工作壓力 安全閥的調(diào)整壓力 (2.16) 式中： 由用安全閥的調(diào)整壓力為，則立柱的工作阻力: 6. 立柱柱窩位置的確定 （1）上柱窩位置的確定 確定的原則： ①根據(jù)支撐力分布與頂板載荷相一直的原則，通過受力分析計算，確定柱窩合力作用點的位置。 ②根據(jù)前后立柱間行人及初撐力的均勻分布的要求，初步確定前后立柱間的距離為 ③考慮到支撐效率，立柱的傾角不宜太大，最高位置時立柱傾角不小于。取頂梁為分離體，受力情況如圖： 圖2-5 對A點有 其中 則有 取 則由立柱的傾角和兩立柱間的距離可以確定各個柱窩的位置。 支架整體尺寸結構圖如下所示： 圖2-6 2.7平衡千斤頂位置的確定 掩護式支架中平衡千斤頂?shù)耐屏屠τ嬎?，平衡千斤頂位置應按如下方法計算確定： 2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 為了保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡力千斤頂?shù)耐屏屠Φ龋?，必須適應頂板載荷分布。當立柱的上、下柱窩位置確定后，就可以根據(jù)頂板載荷分布來確定平衡千斤頂?shù)奈恢?，現(xiàn)按兩種情況進行分析。 當頂梁前端出現(xiàn)空頂時，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受拉，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.27倍頂梁長度出來進行計算。 當頂梁后端出現(xiàn)空頂時，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點位置后移，此時平衡千斤頂受推，為使支架支撐力分布適應頂板載荷分布，假設合力作用點位置在頂梁后端0.35倍頂梁長度處進行計算。 2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 取頂梁和掩護梁為分離體 （如圖2-7示） (2.17) 取頂梁為分離體為： 圖2-7 按下式進行計算： （m） (2.18) 平衡千斤頂在拉力時，取;平衡千斤頂在推力時，取 (2.19) 式中為頂梁長度。 （1） 平衡千斤頂?shù)男谐逃嬎? 為了防止平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或平衡千斤頂本身拉壞，對平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒斨Ъ茉谧罡呶恢脮r，頂梁能下擺；支架在最低位置時頂梁能上擺，或頂梁和掩護梁近似成。為簡化計算，取如下兩種情況：假設平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部伸出時頂梁和掩護梁成；平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部縮回時，支架恰好在最高位置。 （2） 平衡千斤頂在掩護梁上位置的確定 平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護梁上的位置 (2.20) 式中 —當活塞全部縮回后，缸體上鉸墊支活塞上部之距。 —當活塞桿全部縮回時，活塞桿鉸點至活塞腔出油孔中心線之距。 (2.21) 通過和的計算，平衡千斤頂在掩護梁上的位置就確定了。 2.8其它千斤頂技術參數(shù)的確定 2.8.1 推移千斤頂技術參數(shù) 桿徑 推力 拉力 泵壓 由采煤機規(guī)格，推移步距為,則推移千斤頂步距為,參照資料規(guī)定選行程為 2.8.2 側(cè)推千斤頂技術參數(shù) 選取側(cè)推千斤頂?shù)募夹g參數(shù)如下 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 2.8.3 前梁千斤頂技術參數(shù) 參照平衡千斤頂?shù)募夹g特性，選取前梁千斤頂?shù)募夹g參數(shù)如下 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 2.8.4 護幫板千斤頂?shù)募夹g參數(shù) 選取護幫板千斤頂?shù)募夹g參數(shù)如下： 缸徑 桿徑 推力 拉力 行程 02  02 3 液壓支架受力分析和計算 當支架撐緊在頂板和底座之間時，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡化為平面桿系進行受力計算。 3.1 受力分析計算 掩護梁上沒有負載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示： 3-1支架總體受力圖 支架的工作阻力為： （3.1） 頂梁集中受力點距頂梁后鉸點的距離為： （3.2） 河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文 3 液壓支架受力分析和計算 當支架撐緊在頂板和底座之間時，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡化為平面桿系進行受力計算。 3.1 受力分析計算 掩護梁上沒有負載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示： 3-1支架總體受力圖 支架的工作阻力為： （3.1） 頂梁集中受力點距頂梁后鉸點的距離為： （3.2） 前后連桿受力為： （3.3） 由上式得“-”號，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受拉力； （3.4） 由上式得“-”號，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受壓力。 3.2 支護強度計算 支架的外載荷已經(jīng)確定，支架的實際支護強度為： （3.5） 誤差 滿足誤差要求 3.3 底座比壓的計算 底座與底板的接觸面積為： （3.6） 則底座的平均比壓： （3.7） 4 液壓支架的主要部件的設計 4.1 前梁 前梁為由鋼板焊接而成的箱體結構，前面連接護幫板，后面與主頂梁鉸接，下部焊有耳座連接前梁千斤頂，可上下擺動。前梁前后銷孔中心之間的距離為，寬度為，厚度為，與前梁千斤頂鉸接的耳座孔孔徑為，前部也焊有與護幫板千斤頂鉸接的耳座。主筋為的鋼板，加強板為的鋼板。結構如下圖4-1所示 圖4-1 前梁 4.2 主頂梁 頂梁（圖4-2）后面與掩護梁鉸接，下面由立柱支撐，上與頂板直接接觸，做成箱體結構，不但要滿足一定的剛度和強度的要求，還要適應頂板的不平整性，避免局部應力過大而損壞。頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。一般前、后柱窩斷面為最危險斷面，斷面安全系數(shù)， 它可多次反復支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護板，一側(cè)裝有側(cè)推千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸石及調(diào)節(jié)支架間距。 由于選用的掩護式支架，頂梁基本尺寸：長度;寬度，側(cè)護板縮回時；全部伸出時為；上下面厚度；與前梁連接用銷孔直徑,與掩護梁連接用銷孔直徑,安裝前梁千斤頂用銷孔直徑。 圖4-2頂梁 構件材料：16鋼板，厚度有16、20、30三種。 結構：采用箱式結構，有鋼板焊接而成。主要有四根主立筋，為加強構件的剛度，在上下蓋板之間焊有加強肋，構成封閉式棋盤型。在頂梁下焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側(cè)有孔，用銷軸把立柱和頂梁連接起來；頂梁前端有銷孔，通過銷軸與前梁上的銷孔連接起來；頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔連接。頂梁腹部前端還焊有耳座用來安裝前梁千斤頂。 4.3 掩護梁 掩護梁下部與前、后連桿相連，下端與尾梁鉸接，還設有尾梁千斤項的耳座。用于承受部分煤、矸載荷，防止其竄入后輸送機的工作空間，保證支 架、后輸送機正常運行。掩護梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。掩護梁做成箱體結構，尾部有伸縮插板式和在下端鉸接一伸縮尾梁式，它裝有側(cè)護板．作用與頂梁側(cè)護板相同。側(cè)護板的橫向?qū)挾?，要稍大于移架步距，這樣移架時能與不動的鄰架間保持封閉。 掩護梁的主要結構尺寸如下：全長，兩耳座之間的水平距離為，寬，厚，上方用銷軸與頂梁鉸接，尾部用的銷軸與尾梁鉸接，與前連桿鉸接用的銷孔直徑為，與后連桿鉸接用的銷孔直徑為。 圖4-3掩護梁 4.4前、后連桿 連桿分前連桿與后連桿，前連桿有一根，后連桿有兩根，兩端都有銷孔，用于與掩護梁和底座的鉸接，前連桿長，前后銷孔的直徑為，厚，寬，主筋為厚的鋼板，加強板的厚度為；后連桿兩邊中心孔中心之間的距離為，銷孔直徑為，鋼板材料均為，前連桿作為整體式，由左右兩部分焊接而成，后連桿則為單桿機構，下圖為前連桿一部分的機構圖： 圖4-4 前連桿 4.5底座 底座為整體式剛性底座，四連桿機構鉸接在底座后部，在兩內(nèi)主筋中間形成的較高的鉸點位置，這主要是為了形成足夠的后工作空間，在不影響人行通道的基礎上，前、后連桿鉸接點應盡量前移。在兩內(nèi)主筋間下部布置有推拉裝置。有四個球面柱窩與立柱缸底相連，在底座側(cè)面靠前位置設有拉后輸送機千斤頂?shù)目刹鹧b固定耳座。該底座整體性強，穩(wěn)定性好，比壓小。 底座上的相關結構尺寸如下： 為方便行人及工作人員操作，立柱距底座前端點的距離為，前連桿與后連桿下鉸點的水平距離為，底座全長，底面寬，中間為安裝推移千斤頂留有推溜槽。 圖4-5 底座 4.6立柱 立柱的結構可如下圖4-6所示，采用單作用、活塞式、雙伸縮的型式。由缸體、活柱、導向套等主要零部件組成。缸體由無縫鋼管加工而成．缸體的下端焊接球形缸底，在缸底上鉆有孔并焊有管接頭作為立柱下腔(活塞下部空腔)的液口。在缸體的上端裝有導向套，它為活柱的上下往復運動導向。為了防止外部煤塵等臟物隨活柱下縮而進入缸體，在導向套的上端裝有防塵圈，為了防止液體從立柱上腔(活塞上部環(huán)形空間)向外泄漏，在導向套上還裝有蕾形密封圈和O形圈。缸體上部鉆有螺紋孔并焊有管接頭，與上腔相通，作為立柱上腔的液口。 圖4-6 立柱裝配圖 4.7千斤頂 立柱的主要參數(shù)為：內(nèi)徑，桿徑，選用管材為,工作阻力為，初撐力，工作阻力為立柱調(diào)高范圍為 4.7.1 推移千斤頂 (1) 根據(jù)采高可以確定移架力為. 根據(jù)經(jīng)驗，采用泵站時 ，由于沿程阻力損失，傳到支架時油液壓力一般只有左右。 (2) 設計計算 移架時： （4.1） 所以： （4.2） 由國家標準，選取內(nèi)徑為，外徑為。則，時， 移架力： 所以，移架力矩滿足要求。 由于配套煤機的截深為，去推移千斤頂?shù)男谐虨椤? 缸體外經(jīng)，長度，桿徑。 （2）前梁千斤頂 前梁千斤頂?shù)幕緟?shù)為： 缸徑： 桿徑： 推薦材料規(guī)格：缸 行程。安全閥的調(diào)整壓力：。 （3）護幫板千斤頂 護邦千斤頂?shù)幕緟?shù)： 缸徑： 桿徑： 推薦材料規(guī)格： 缸 桿 110圓鋼 液壓行程 5 主要零、部件的強度校核 5.1校核的基本要求 在液壓支架的研制過程中,個構件的強度校核是極為重要的。強度條件以現(xiàn)階段的液壓支架所選用的材料、制造工藝及失效形式等為依據(jù)。 1. 強度校核均以材料的屈服極限計算安全系數(shù)。 2. 結構件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強度條件： (1) 個別結構件通常用等普通合金結構鋼。并由具有標準厚度的鋼板焊接而成。采用鋼。 (2) 主要銷軸均采用等合金結構鋼，現(xiàn)用。 (3) 活柱桿均采用號鋼，取屈服極限 。 (4)結構件、銷軸和活塞桿的強度條件為： (5.1) 3. 剛體材料采用無縫鋼管，取抗拉強度 ，強度條件為： 式中：剛體許用應力。 4. 焊條抗拉強度條件為： 式中：按焊條類型來定。 許用擠壓應力 。 表5--1 安全系數(shù) 前梁 頂梁 底座 掩護梁 前連桿 N 1.1 1.1 1.1 1.3 1.3 后連桿 主要軸 剛體 焊縫 活塞桿 1.3 1.3 3.3~4 3.3~4 >4 5.2前梁強度校核 5.2.1 前梁受力情況 假定前梁千斤頂缸體內(nèi)徑先按下表標準取為125 表5--2 50 63 80 100 110 125 140 (145) 200 (210) 220 (230) 250 則前梁千斤頂?shù)闹瘟椋? （5.2） 圖5-1 前梁前端受一集中載荷P，其受力圖如上圖所示： 前端集中載荷為： 在斷面A-A處的彎矩為： 前梁做成變斷面箱形結構，A-A斷面如下圖所示： 圖5-2 A-A斷面 5.2.2 前梁強度計算 (1) 形心位置 各板件的計算數(shù)據(jù)如下表所示： 表5--3 件號 1 2 3 4 5 數(shù)量 面積 形心位置 慣性矩 1 138 0.5 11.6 2 16 9 340 1 123 17.5 10 2 74 19.5 4220 4 48 9 1024 結構件的形心位置為： （5.3） (2) 慣性矩 （5.4） = ++ =53790 (3) 彎曲應力 （5.5） = (4) 安全系數(shù) 鋼板材料選取16Mn， （5.6） 5.3 主頂梁強度校核 5.3.1 主頂梁受力情況 假設前梁失去作用，主頂梁受一集中載荷，其受力圖如下圖所示： 由上面求出為3279.3KN，距離鉸接點1661mm,最大彎矩為 圖5-3 主頂梁受力情況圖 主頂梁做成等斷面箱式結構，在最大彎矩處的斷面如下圖所示： 圖5-4 5.3.2 主頂梁強度計算 （1）形心位置 各板件計算數(shù)據(jù)如下表所示： 結構件的形心位置為： （5.7）= 表5--4 件號 1 2 3 4 5 6 7 8 9 數(shù)量 1 139.2 0.8 29.7 2 73.6 2.4 31.4 2 27.8 11.9 1404.8 4 52.2 11.9 5268 2 18.8 11 1107.4 2 37.1 21.2 5447.7 2 35.2 21.2 5166 2 25.9 21.2 3804 1 30.4 11.2 914.5 (2) 慣性矩 （5.8） (3) 彎曲應力 （5.9） (4) 安全系數(shù) 鋼板材料選取16Mn， 5.4 掩護梁強度校核 5.4.1 掩護梁受力情況 由前面已經(jīng)求出在掩護梁上前后連桿的銷軸處受力為2725.9KN和2096.89KN，其受力圖如下圖所示： 圖5-5 掩護梁受力圖 最大彎矩發(fā)生在前連桿處，其值為： 最大彎矩處的斷面表示如下圖所示： 圖5-6 5.4.2 掩護梁強度計算 (1) 形心位置 各板件記算數(shù)據(jù)如下表所示： 表5--5 件號 1 2 3 4 5 數(shù)量 1 1 1 4 2 156 150 175 18 39 0.6 4.4 14.8 14 27 17.2 673.5 2960.1 249.4 14.2 結構件的形心位置： （5.10）