【正文】 .............................................................................................. 37 附錄 1 .................................................................................................................... 38 附錄 2 .................................................................................................................... 49 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 1 第 1章 緒 論 我國(guó)煤層賦存狀況 我國(guó)是煤炭資源最為豐富的國(guó)家，煤炭的儲(chǔ)量和產(chǎn)量占世界第一位。煤炭已經(jīng)成為我國(guó)所依賴的重要能源。 社會(huì)市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)進(jìn)一步帶動(dòng)了我國(guó)地方煤礦的飛速發(fā)展。現(xiàn)在已有 幾百 個(gè)年產(chǎn) 3 Mt以上的地方礦出現(xiàn)，形成了國(guó)有重點(diǎn)煤礦和地方中小型煤礦的并存局面。 由于我國(guó)的煤炭資源分布地域極廣，煤層賦存狀況也各式各樣，主要有如下幾個(gè)特點(diǎn)： （ 1）從圍巖和煤層賦存的關(guān)系上來說，我國(guó)不僅有賦存在軟巖頂板下的煤層和 一般頂板條件下的煤層，還有賦存在堅(jiān)硬頂板條件下的煤層。堅(jiān)硬頂板下煤層開采難度相當(dāng)大，常常有幾千平方米的懸頂出現(xiàn)，一旦垮落即可造成嚴(yán)重的事故。 （ 2）從煤層自身的賦存條件上來說，在我國(guó)境內(nèi)的煤層有近水平煤層，有傾斜煤層，有急傾斜煤層，還有直立倒轉(zhuǎn)的煤層；不僅有相當(dāng)穩(wěn)定的大片煤層，也有像我國(guó)南方的“雞窩”狀賦存煤層。 （ 3）從煤層賦存的地質(zhì)條件來說，由于地質(zhì)條件復(fù)雜，由地殼運(yùn)動(dòng)而造成的被斷層破壞的煤層較多。在一塊煤田中，總有幾條貫穿整個(gè)煤田的、大落差的斷層，至于較小的斷層更是層出不窮。 可以看出，我國(guó)是世界上煤 層賦存條件最為復(fù)雜的國(guó)家。在開采的實(shí)踐過程中，工程技術(shù)人員所遇到的困難和解決困難的方式是全世界絕無僅有的。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 單體液壓支柱發(fā)展概況 國(guó)外單體液壓支柱應(yīng)用簡(jiǎn)況 國(guó)外主要產(chǎn)煤國(guó)家中，單體液壓支柱曾經(jīng)在回采工作面廣泛采用，最早研制、使用的國(guó)家（如英國(guó)）在四十年代后期就已有產(chǎn)品問世。其后，聯(lián)邦德國(guó)、日本、波蘭、蘇聯(lián)等國(guó)家在五十年代相繼采用，如聯(lián)邦德國(guó)薩爾礦區(qū)大體經(jīng)歷十年左右的時(shí)間在條件適應(yīng)的工作面基本上全部使用。從 1956 年到 1963 年，使用單體液壓支柱的產(chǎn)量達(dá) %，五年左右時(shí)間內(nèi)使用量增長(zhǎng)了 7～ 8 倍。國(guó)外單體 液壓支柱的使用情況表明，在六十年代初期技術(shù)即達(dá)到成熟階段。 我國(guó)單體液壓支柱的發(fā)展概況 目前，我國(guó)煤礦的回采工作面支護(hù)裝備，除一部分整體自移式液壓支架外，主要的仍使用六十年代初期發(fā)展的摩擦式金屬支柱，用這種支柱裝備的回采工作面的產(chǎn)煤量約占百分之七十以上。 六十年代初期，回采工作面幾乎全部使用木支架。當(dāng)時(shí)開始了第一次支護(hù)技術(shù)改革，即摩擦式金屬支柱配以鉸接頂梁代替木支護(hù)，并經(jīng)歷了大約三年時(shí)間大量推廣應(yīng)用。 其最突出的效果之一是大幅度的降低了木材消耗。與此同時(shí)，也促使人們認(rèn)識(shí)到礦山支護(hù)是一門綜合的技術(shù)，與巖層控制 及采掘工序緊密相關(guān)，對(duì)加強(qiáng)頂板管理促進(jìn)安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。 我國(guó)在六十年代已開始了液壓支柱的研究，經(jīng)過一度中斷后，于七十年代初繼續(xù)進(jìn)行研究試制工作，至七十年代末完成了工業(yè)性試驗(yàn)，進(jìn)行了技術(shù)鑒定，現(xiàn)已經(jīng)投入成批生產(chǎn)，并正在有計(jì)劃的逐步進(jìn)行回采支護(hù)的更新?lián)Q代工作。近幾年國(guó)內(nèi)的大量實(shí)踐證明，使用單體液壓支柱有著良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，適合國(guó)情，適應(yīng)煤礦的具體情況，是進(jìn)行回采支護(hù)第二次技術(shù)改革的一個(gè)方向。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 使用單體液壓支柱的突出優(yōu)點(diǎn) 初撐力高 一般地，初撐力可以達(dá)到 7～ 10t，為摩擦式金屬支柱的 3～ 10倍（摩擦式金屬支柱用液壓升柱裝置時(shí)初撐力 2～ 3t，不用液壓升柱裝置時(shí)初撐力僅 1t左右）。 恒阻的性能 在較小的頂板下沉量情況下，支柱即可達(dá)到額定的工作阻力，并保持恒阻的特點(diǎn)（摩擦式金屬支柱在頂板下沉量大，支柱下縮到 100mm 至 400mm 以上時(shí)才能達(dá)到最大工作阻力）。顯然，單體液壓支柱能很快達(dá)到較高的工作阻力，大大改善了頂板維護(hù)狀況。 支柱承載力均勻 初撐力大與恒阻的特點(diǎn)，使各支柱能較均勻的承受載荷，這是優(yōu)于摩擦式金屬支柱的重要特點(diǎn)，對(duì)保持中等穩(wěn)定以下工作面頂板的完整是十分有利的。 支、撤速度快 單體 液壓支柱的升柱與降柱，靠液壓系統(tǒng)來完成。內(nèi)注式支柱只須扳動(dòng)手柄、外注式支柱用注液槍從外部注液、扳動(dòng)卸載閥排液等輕微操作即可完成回撤與支設(shè)作業(yè)，其速度一般比摩擦式支柱提高一倍左右。 促進(jìn)安全生產(chǎn)、降低輔助材料消耗 由于初撐力高與頂板接觸嚴(yán)實(shí)，回撤與支設(shè)速度快，控制頂板效果好，提高了工作面推進(jìn)速度，冒頂事故明顯減少，促進(jìn)了安全生產(chǎn)，相應(yīng)地降低了木材消耗。 綜上所述可以看出單體液壓支柱比摩擦式金屬式支柱具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。單體液壓支柱的主要缺點(diǎn)是：構(gòu)造比較復(fù)雜，內(nèi)注液式支柱結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，如果局部密封失效，即會(huì)導(dǎo)致整個(gè)支 柱失去支撐能力；其次是維護(hù)檢修量大，為保證支柱安全使用，定期檢修、隨時(shí)更換零件量大，因而使其維護(hù)費(fèi)增高。為保持每一根單體液壓支柱的正常使用，每年所需的維修費(fèi)用平均占支柱造價(jià)的 20%左右，這比摩擦式支柱要高出若干倍。但從綜合效果比較，如安全狀況的改善，單產(chǎn)的提高，降低輔助材料的消耗，以及最終的實(shí)際支護(hù)費(fèi)用降低等方面分析，單體液壓支柱則有明顯的優(yōu)勢(shì)。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 4 機(jī)械制圖的改進(jìn) 軟件制圖的發(fā)展 傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)制圖通常使用 CAD 進(jìn)行二維制圖，對(duì)于觀察立體圖有一定的缺陷。因此本次設(shè)計(jì)不僅采用了傳統(tǒng)的 CAD 制圖，還利用 Pro/E 進(jìn)行了三維實(shí)體造型，充分發(fā)揮了 Pro/E 的優(yōu)點(diǎn)。 Pro/E 是當(dāng)前三維設(shè)計(jì)軟件中應(yīng)用比較廣泛的軟件之一，在目前的三維造型軟件領(lǐng)域中占有著重要地位，并作為當(dāng)今世界機(jī)械 CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域的新標(biāo)準(zhǔn)而得到業(yè)界的認(rèn)可和推廣。對(duì)于很多高等學(xué)校和研究機(jī)構(gòu)來說，該軟件是進(jìn)行設(shè)計(jì)的重要輔助工具。 Pro/E 第一個(gè)提出了參數(shù)化設(shè)計(jì)的概念，并且采用了單一數(shù)據(jù)庫(kù)來解決特征的相關(guān)性問題。另外，它采用模塊化方式，使用者可以根據(jù)自身的需要進(jìn)行不同的選擇，而不用安裝所有模塊。 Pro/E 的基于特征方式，能夠?qū)⒃O(shè)計(jì)至生產(chǎn)全過程集成到一 起，實(shí)現(xiàn)并行工程設(shè)計(jì)。 Pro/E 采用了模塊方式，可以分別進(jìn)行草圖繪制、零件制作、裝配設(shè)計(jì)、鈑金設(shè)計(jì)、加工處理等，這樣可以保證使用者按照自己的需要進(jìn)行選擇使用?；窘Y(jié)構(gòu) Pro/E軟件的使用簡(jiǎn)介 Pro/E 的優(yōu)勢(shì) Pro/E 強(qiáng)調(diào)的是三維實(shí)體模型，可隨時(shí)計(jì)算出產(chǎn)品的質(zhì)量、體積、表面積、中心、慣性矩等相關(guān)物理量，能清楚了解產(chǎn)品的真實(shí)性，優(yōu)于傳統(tǒng)的面結(jié)構(gòu)、線結(jié)構(gòu)存在的不足。 單一數(shù)據(jù)庫(kù)和完全關(guān)聯(lián)性 Pro/E 設(shè)計(jì)概念是從三維實(shí)體模型產(chǎn)生二維工程圖，并且自動(dòng)標(biāo)注相關(guān)尺寸，也就是說，不論設(shè)計(jì)者在三維還是二維環(huán)境下 修改尺寸，其關(guān)聯(lián)的二維或三維實(shí)體模型都將自動(dòng)更改。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，用戶在任何時(shí)候所做的更改，都會(huì)傳送到整個(gè)設(shè)計(jì)中，自動(dòng)更新所有的工程文檔。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 基于特征的參數(shù)式建摸 “特征”，簡(jiǎn)而言之是利用較高階的組成圖形來產(chǎn)生具有工程意義的元件，也就是一般的機(jī)械對(duì)象，如圓角、薄殼、鉆孔等，以最自然的思考方式從事設(shè)計(jì)工作，充分理解設(shè)計(jì)意圖，能隨時(shí)對(duì)特征進(jìn)行合理但不違反幾何原理的重定義、重新排序、和插入等操作。 數(shù)據(jù)管理 想要加速產(chǎn)品上市的日程，就必須以最少的時(shí)間完成最多的開發(fā)工作。為達(dá)到這樣高的工作效率，必須允許多個(gè) 工程師同時(shí)處理一件產(chǎn)品。 Pro/E 數(shù)據(jù)管理就是專門為同步工程而開發(fā)的，它以獨(dú)特的完全關(guān)聯(lián)特性，滿足管理同步工程所需要的同步造作程序。 易于使用 折疊式菜單按照直觀的方式變化，以提供合乎邏輯的選項(xiàng)；另一方面，系統(tǒng)也提供簡(jiǎn)短的功能選項(xiàng)說明，以及完整的在線幫助。用戶操作界面與窗口操作環(huán)境類似，這樣就使得 Pro/E 既容易學(xué)習(xí)又容易操作。 硬件獨(dú)立 Pro/E 可在 Windouws95/98/2021/XP 操作平臺(tái)上運(yùn)行，并且在每個(gè)系統(tǒng)上都維持相同的外形和界面。用戶可以根據(jù)自己的需要程度，選購(gòu)最經(jīng)濟(jì)的硬件設(shè)備， 再混用或搭配任何一種平臺(tái)組合即可。 尺寸參數(shù)化 Pro/E 將尺寸看作可變化的參數(shù)，尺寸修改時(shí)，實(shí)體模型會(huì)立即重新生成。 Pro/E 可謂是個(gè)全方位的三維產(chǎn)品開發(fā)軟件，其模塊眾多，做出的零件圖立體感強(qiáng)，裝配圖非常形象、逼真，整體效果好，讓人一目了然，能夠清楚地看出機(jī)械各部分的構(gòu)造?；?Pro/E 的這些優(yōu)點(diǎn)，我在畢業(yè)設(shè)計(jì)中選擇了 Pro/E 三維設(shè)計(jì)軟件。 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 6 第 2章 單體液壓支柱分類 分類 按用途分類 通用型支柱。用于一般條件下使用。 重型支柱。用于特殊條件下使用。 按升柱時(shí)工作液循環(huán)方式分類 內(nèi)部注液式單體液壓支柱（簡(jiǎn)稱內(nèi)注式）。 工作液壓油在機(jī)體內(nèi)形成閉路循環(huán)。 外部注液式單體液壓支柱（簡(jiǎn)稱外注式）。從泵站供給乳化液，通過注液槍注入支柱。 按材質(zhì)分類 熱軋低碳合金鋼單體液壓支柱。 冷拔低碳合金鋼單體液壓支柱。 輕金屬合金鋼單體液壓支柱。 我國(guó)批量生產(chǎn)、使用的是熱軋低碳合金鋼支柱。 我國(guó)的單體液壓支柱類型 我國(guó)單體液壓支柱基本上有兩個(gè)類型，即內(nèi)注式與外注式。兩種支柱的工作原理、性能等基本相同。其技術(shù)性能、特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)，分別按內(nèi)、外注液式予以介紹。 外注式單體液壓支柱 河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 7 額定工作阻力為 245～ 294KN，目前投入生產(chǎn)的共 12種規(guī)格。其主要特點(diǎn)為：工作介質(zhì)乳化液由遠(yuǎn)距離的液壓泵站通過橡膠管路，經(jīng)專用的注液槍注入缸體。升柱靠乳化液泵站的壓力供給，降柱利用活柱體的自重和復(fù)位彈簧進(jìn)行?；刂鶗r(shí)，柱內(nèi)乳化液需排出柱體，每支設(shè)一根支柱需排出一次乳化液。 外注式單體液壓支柱的主要優(yōu)點(diǎn)是，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，零部件少，易于維修。支柱的關(guān)鍵部件是三用閥，組裝于一體，拆裝便利，井下一般可立即拆換。初撐力靠泵站壓力獲得，可靠性高。此外，由于以泵站壓力來升柱，升柱速度高于手工作業(yè) 的內(nèi)注式液壓支柱，一般要高 3～ 4 倍，所以能提高支柱的支設(shè)效率。外注式支柱由于靠外部供液以及零件少，使支柱自重減輕了 5kg，大大降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度。 這種支柱的主要缺點(diǎn)是：工作液來自外部，要配備全套的乳化液泵站，并且從泵站到工作面一端要裝設(shè)高壓膠管干線，從管路干線到支柱的注液口要接通聯(lián)接注液槍的高壓膠管支線，形成了一套管路系統(tǒng)。離開了泵站和管路系統(tǒng)外注式液壓支柱就不能單獨(dú)使用。外注式液壓支柱回柱時(shí)，由于必須將內(nèi)腔的乳化液排放到外面，每一棵支柱回撤一次必須從柱內(nèi)排放 1～ 2kg 的乳化液，并且不能回收復(fù)用，因而增加 了成本。排出的乳化液流失在工作面底板上，還會(huì)使底板巖面（特別是泥質(zhì)頁(yè)巖）膨脹變軟，支柱底座易插入，不能很好地發(fā)揮支護(hù)效果。 內(nèi)注式單體液壓支柱 額定工作阻力為 245KN，目前投入生產(chǎn)的共 9 種規(guī)格，工作介質(zhì)為液壓油?；爻分е坑透字械囊簤河土飨蚧钪鶅?nèi)腔形成閉路循環(huán)。由內(nèi)柱式支柱本身的手搖泵進(jìn)行升柱，初撐力大小由人力操作手柄來決定。降柱則靠支柱的活柱自重進(jìn)行。柱體內(nèi)腔的液壓是閉路循環(huán)系統(tǒng)，不需要外部供液。支柱活柱上升高度由柱體內(nèi)貯油量的多少來決定。支柱的安全閥、單向閥、卸載閥分別裝設(shè)于不同位置，不能 在井下隨時(shí)調(diào)換。內(nèi)柱式支柱的主要優(yōu)點(diǎn)是：由于支柱本身進(jìn)行液壓油循環(huán)，不需從外部供液，節(jié)省了全套的泵站及管道系統(tǒng)，支柱本身可以獨(dú)自使用。內(nèi)注式支柱的三用閥是分別裝設(shè)在支柱內(nèi)腔的，可以防止煤粉等外界贓物的污染，閥類的性能不易受損；內(nèi)注式支柱液壓系統(tǒng)形成閉路循河北工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 環(huán)，僅需補(bǔ)充微量油耗，不會(huì)向柱體外部排出油液，既節(jié)約了油液，也不會(huì)浸濕底板，勞動(dòng)條件也有所改善。 內(nèi)注式單體液壓支柱的主要缺點(diǎn)是：支柱結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，內(nèi)腔中的零部件多，加工量與加工難度較大，維護(hù)與檢修工作量大，內(nèi)部零件損壞時(shí)，必須運(yùn)至地面進(jìn)行檢修；靠手搖泵升柱 ，初撐力大小差異很大，不容易保證有較均勻的初撐力；人力搖動(dòng)手柄的升柱速度較慢，一般地每搖一次手柄升柱形程約 20～ 30mm；自重也較大，比同類型的外注式液壓支柱自重增多了 3～ 5kg。 兩種類型支柱有不同的特點(diǎn)，也各有不同的優(yōu)缺點(diǎn)，各礦區(qū)應(yīng)根據(jù)自己的具體條件并結(jié)合積累的經(jīng)驗(yàn)綜合分析，進(jìn)行選用。 國(guó)外單體液壓支柱類型 英國(guó)除生產(chǎn)通用型以外，還有特殊類型的單體液壓支柱。例如超短型支柱，一般為內(nèi)部注液式，液壓缸以底座面積大，頂蓋系圓形平頂，面積大于底座，缸體下部裝有搖動(dòng)手柄作為升降活柱用，柱帽面積大，呈圓形， 支設(shè)時(shí)柱帽直接貼緊于頂板。由于柱帽之間空隙小，頂板暴露面小，可代替頂梁支護(hù)，減少了一般頂梁所占有的空間，適用于極薄煤層；另有長(zhǎng)伸縮輕型單體液壓支柱。這種支柱活柱較長(zhǎng)，工作行程大，體輕，適用于急傾斜水平分層工作面和煤層變化大但壓力并不很大的工作面。 日本生產(chǎn)有輕合金單體液壓支柱。這類支柱有內(nèi)部注液式及外部注液式兩種，結(jié)構(gòu)與工作原理與同類支柱基本相同。其特點(diǎn)是，柱體輕，較普通低碳合金鋼支柱平均輕 20～30%，因而操作移設(shè)較方便。其適用范圍與同類低碳合金鋼單體液壓支柱基本相同。 河北