【正文】 中國礦業(yè)大學2009屆本科生畢業(yè)設計 第 124 頁掩護式液壓支架設計畢業(yè)設計1 前言我國液壓支架技術起步于20世紀60年代末70年代初,當時煤炭科學研究總院北京開采所、太原、唐山和上海研究所等單位都先后開始對液壓支架展開研究。30多年來，先后開發(fā)研制了垛式、節(jié)式和掩護式等系列液壓支架,并且針對不同地質(zhì)條件和煤層厚度開發(fā)了大采高液壓支架、薄煤層液壓支架、大傾角液壓支架和鋪網(wǎng)式等液壓支架。20世紀50年代前，在國內(nèi)外煤礦生產(chǎn)中，基本上采用木支柱、木頂梁或金屬摩擦支柱鉸接頂梁來支護頂板。1954年英國首次研制出液壓支架，目前，以液壓支架為主體的地下綜采設備，已逐步向程控、遙控和自動化方向發(fā)展。我國是煤炭生產(chǎn)大國，在20世紀60年代也曾研制了幾種液壓支架，但未得到推廣和應用。20世紀70年代，我國從英、德、波蘭和前蘇聯(lián)等國家引進數(shù)十套液壓支架，經(jīng)過使用、仿制和總結經(jīng)驗，到20世紀80年代以后，我國液壓支架的研制和應用獲得了迅速的發(fā)展，相繼研制和生產(chǎn)了TD系列、ZY系列和ZZ系列等20多種不同規(guī)格的液壓支架。目前，在國內(nèi)大、中型礦井中，條件合適的煤層均采用液壓支架進行綜合機械化開采。1980年起，人們?nèi)〉昧藢ψ砸剖揭簤褐Ъ艿难兄瞥晒Σ⒅鸩礁倪M完善，進而普遍推廣應用，使回采工作面采煤過程中的落煤、裝煤、運煤和支護控頂?shù)裙ば蛉繉崿F(xiàn)綜合機械化，煤礦取得了較大綜合效益。采煤綜合機械化，是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展，大幅度提高勞動生產(chǎn)率，實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項戰(zhàn)略措施。綜合機械化采煤不僅產(chǎn)量大，效率高，成本低，而且能減輕繁重的體力勞動，改善工人的作業(yè)環(huán)境，保護工人的生命安全，是煤炭工業(yè)技術的發(fā)展方向。我國綜采技術日趨成熟，不但生產(chǎn)水平，而且工藝水平已進入世界先進行列。液壓支架作為綜合機械化采煤的關鍵設備之一，其重量約為綜采設備總重量的80%90%，其費用約占綜采設備總費用的60%70%。因此，為了降低成本，提高采煤的經(jīng)濟效益，世界各產(chǎn)煤大國都一直在積極地開展液壓支架的研究。2 緒論 國內(nèi)外液壓支架的研究現(xiàn)狀綜合機械化采煤是煤炭工業(yè)的一次技術革命，從根本上改變了煤炭工業(yè)的面貌，綜合機械化采煤是20世紀人類科技發(fā)展的重要成果。綜合機械化采煤技術在我國的研究試驗、使用、發(fā)展，徹底改變了我國煤炭工業(yè)的面貌，降低了工人的勞動強度，提高了產(chǎn)量、勞動生產(chǎn)率和企業(yè)效益，滿足了國民經(jīng)濟建設對煤炭的需求，合理的集中生產(chǎn)簡化了生產(chǎn)系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)安全性。我國綜采技術發(fā)展的30多年，使我國的煤炭生產(chǎn)技術水平跨進了世界先進行列，綜放技術躍居世界領先地位。工作面支護問題始終是困擾煤礦生產(chǎn)安全、產(chǎn)量和效率的重要問題。因此以液壓支架為主要設備的綜合機械化采煤(以下簡稱綜采)的誕生和發(fā)展是煤礦生產(chǎn)發(fā)展史上的一次重大革命。不僅從根本上改善了勞動和安全條件，也為工作面產(chǎn)量和效率的迅速提高奠定了基礎，使煤礦生產(chǎn)面貌徹底改觀。但是綜采設備初期投資高，特別是液壓支架占綜采設備總投資約60%，因此液壓支架的合理選用尤顯重要。 國內(nèi)液壓支架現(xiàn)狀我國在1964年由太原分院和鄭州煤機廠設計70型邁步式自移支架，從此開始了液壓支架的國產(chǎn)化道路。1984年，北京開采所、沈陽所、鄭州煤機廠在沈陽蒲河礦進行我國第一套放頂煤液壓支架的工業(yè)性試驗，繼而研制了多種低位、中位和高位放頂煤支架，成功地在緩傾斜厚煤層和急傾斜厚煤層水平分層工作面使用。1990年后，國產(chǎn)液壓支架得到了全面的發(fā)展，到1998年止，全國己建成88處高產(chǎn)高效礦井，，%，達到了世界先進水平。30多年來在液壓支架技術不斷發(fā)展中，形成了以煤科總院專業(yè)研究所和骨干支架制造廠設計所為主的支架研究設計隊伍，采用計算機CAD進行各種類型支架的設計，用有限元計算軟件等進行計算，并普及計算機繪圖。我國制訂的緩傾斜工作面頂板分類及其它研究成果為支架設計、選型和使用提供了有力的指導依據(jù)。制造方面形成以原部屬專業(yè)制造廠為主、機械工業(yè)部及船舶制造總公司等工業(yè)廠為輔的制造體系，以及以國家煤礦支護設備質(zhì)量檢測中心為骨干的檢測隊伍。制定有關支架檢測標準n項，建立了各項支架檢測手段，造就了一支研究制造和使用液壓支架的龐大隊伍；形成了研制液壓支架的雄厚基礎。不僅能滿足國內(nèi)的需要，還向美國、俄羅斯、土耳其和印度等國家出口液壓支架或成套綜采設備。 國外液壓支架現(xiàn)狀80年代以來，世界主要采煤國家一直圍繞減面提產(chǎn)、減人提效、降低成本、實現(xiàn)礦井集中生產(chǎn)做努力，人們積極開發(fā)和應用新技術，致力于高性能、高可靠性的新一代液壓支架的研制。新型液壓支架普遍具有微型電機或電磁鐵驅(qū)動的液控制閥，推移千斤頂裝有位移傳感器，采煤機裝有紅外線傳感裝置，立柱缸徑超過400mm。為減少割煤時間。支架還采用屈服強度800~I000MPa的鋼板，既有較高的強度、硬度和韌性，又具有良好的冷焊性能。隨著長壁工作面長度的不斷增加，為適應快速移架的需要，國外還廣泛采用高壓大流量乳化液泵站，其額定壓力為40一50MPa，額定流量400~800L/min，實現(xiàn)工作面支架的單架程控或分組程控操作，其移架速度可達到6一8s/架。美國是世界上最先進的采煤國家，早在1990年就己采用額定壓力50MPa、額定流量478L/min的乳化液泵站，以實現(xiàn)支架快速推進，移架速度達6~8s/架。美國的高產(chǎn)高效工作面采用兩柱掩護式支架，使用壽命8一10年，可用率高達95%一98%。支架平均工作阻力6470kN(最大為9800kN)，支架寬度普遍增大，并向2m發(fā)展，增大架寬有利于減少工作面架數(shù)、縮短移架時間、增加有效工作時間和提高單產(chǎn)。如洛斯公司20英里礦在2505280m長壁綜采面用工作阻力為28565kN電液控制兩柱掩護式支架，成為世界上首次月產(chǎn)商品煤近百萬噸的工作面；1995年9月，糜鹿礦用工作阻力為8900kN電流控制的兩柱掩護式支架。美國綜采工作面最高日產(chǎn)超7萬噸，工效1336噸/工。澳大利亞也基本上采用一井一面的高度集中化生產(chǎn)，使用兩柱掩護式支架，支架的平均工作阻力7640kN。如尤蘭礦用電流控制的兩柱掩護式支架，班產(chǎn)一直保持在5000一6000噸。英國也在大力發(fā)展兩柱掩護式支架，工作阻力有了很大提高，達到6000—8000kN。 液壓支架的發(fā)展方向當前，世界液壓支架發(fā)展方向：1) 掩護支架化由于掩護與支撐掩護式支架的優(yōu)良性能，今后仍將是工作面液壓支架的主要架型。2) 輕型化進行優(yōu)化設計，減輕支架重量，這樣不僅降低成本，而且利于運輸搬家，適應中小礦井和地質(zhì)構造較復雜的煤層。中國、俄羅斯和歐洲一些國家的液壓支架有這種發(fā)展趨勢。3) 強力化為適應工作面高產(chǎn)、高效，增加液壓支架的可靠性，減少維修，滿足地質(zhì)條件較好的大、中型礦井集中化生產(chǎn)等要求，在美國、澳大利亞等國，這種液壓支架強力化的趨勢比較明顯。4) 多樣化由于煤礦地質(zhì)條件、采煤方法以及生產(chǎn)，管理等各不相同，對液壓支架提出了各種不同的要求。為使液壓支架更加合理，實用，面向用戶，結構也趨于多樣化。液壓支架的使用范圍，如適應的采高、傾角，頂?shù)装鍡l件及采煤方法等更為廣泛。5) 成套化與系列化液壓支架只有與采煤機、輸送機等設備共同配套使用，才能最大限度地發(fā)揮作用。由于液壓支架使用范圍逐漸擴大，要求與采煤機、輸送機等設備進行成套化設計與制造。此外，液壓支架還要與特殊采煤工藝，如放頂煤、風力(水砂)充填、水平分層及急傾斜煤層開采等采煤工藝加以成套考慮。支架的液壓元部件逐漸系列化，標準化，這樣便于多樣化的總體設計和實現(xiàn)支架的計算機輔助設計與制造(CAD一CAM)。6) 自動化電子液壓控制系統(tǒng)可使液壓支架實現(xiàn)程序、成組或者自動化集中控制，從而改善支護效果，適應工作面高產(chǎn)、高效和安全的要求。有的還與采煤機，輸送機等一起實現(xiàn)自動控制。 液壓支架的組成液壓支架按其結構特點和與圍巖的作用關系一般分為三大類，即支撐式、掩護式和支撐掩護式。根據(jù)支架各部件的功能和作用，其組成可分為四個部分：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；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；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。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；輔助裝置 如推移裝置、護幫（或挑梁）裝置、伸縮梁（或插板）裝置、活動側護板、防倒防滑裝置、連接件、噴霧裝置等。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。 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乳化液通過工作性質(zhì)不同的幾個液壓缸來完成的。如圖2—4所示。 升柱和降柱當需要支架上升支護頂板時，高壓乳化液及進入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，使于活塞桿相連接的頂梁緊緊接觸頂板。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2—4 液壓支架工作原理1 — 輸送機；2 — 推移千斤頂；3 — 立柱；4 — 安全閥；5 — 液控單向閥；6 — 操縱閥 支架和輸送機前移支架和輸送機的前移，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；當需要推輸送機時，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，使活塞桿伸出，把輸送機推向煤壁。 液壓支架各部件結構及用途 頂梁頂梁都為箱型結構，一般由鋼板焊接而成。為加強結構的剛度，在上下蓋板之間焊有加強筋板，構成封閉式棋盤型頂梁，頂梁前端呈滑橇式或圓弧型，以減少移架阻力。在頂梁下面焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側有孔，孔用鋼絲繩或銷軸把立柱和頂梁連接起來。掩護式液壓支架在頂梁后端有銷孔，通過銷軸與掩護梁上的銷孔相連。為了滿足各種支架強度和剛度的要求，頂梁可分為整體頂梁和分段組合式頂梁兩大類。用途：l 用于支撐維護控頂區(qū)的頂板；l 承受頂板的壓力；l 將頂板載荷通過立柱、掩護梁、前后連桿經(jīng)底座傳到底板。 掩護梁掩護梁是支撐掩護式和掩護式支架的特征之一，它直接承受冒落矸石的載荷和頂板通過頂梁傳遞的水平載荷引起的彎距，一般都采用有鋼板焊接而成的箱體結構，在掩護梁上端與頂梁鉸接，下部焊有與前、后連桿鉸接的耳座?；顒觽茸o板裝在掩護梁的兩側。掩護梁的側面形狀有折線型和直線型兩種，通常插腿式掩護式支架掩護梁采用折線型，結構強度高，可以增大通風斷面，但工藝性差。掩護式和支撐掩護式支架多采用直線型，使得制造工藝簡單。掩護梁一般做成整體，也有做成左右對分的對分式結構，尺寸小，易于加工、運輸和安裝,但結構強度差。用途：l 掩護梁承受頂梁部分載荷和掩護梁背部載荷并通過前后連桿傳遞給底座；l 掩護梁承受對支架的水平作用力及偏載扭矩；l 掩護梁和頂梁（包括活動側護板）一起，構成了支架完善的支撐和掩護體，完善了支架的掩護和擋矸能力。 活動側護板目前用的掩護式支架都有比較完善的側護裝置，不僅掩護梁兩側有側護板，而且主梁或整體頂梁從前排立柱到頂梁后端的兩側均有側護板。支架工作時，一側的側護板是固定的，另一側是活動的，制造式通常兩側側護對稱，活動側護板通過彈簧套筒和側推千斤頂與梁體連接，總裝時按照需要將一側用螺栓或銷子固定在頂梁和掩護梁上。還有一種是兩側皆為活動側護板，這種側護板可以適應工作面開采方向變化的要求，有利于放倒和調(diào)架。用途：l 消除相鄰支架掩護梁和頂梁之間的架間間隙；l 防止冒落前是進入支護空間作為支架移架過程中的導向板；l 防止支架將落后側倒；l 調(diào)整支架的間距。同時，側護板必須同時具有導向、防倒和調(diào)架等功能，否則將因支架不平行、傾倒或間距加大而出現(xiàn)架間空隙，影響防釬效。 連桿 前后連桿是四連桿機構中重要的運動和承載部件，與掩護梁和底座的一部分共同組成四連桿機構，使支架能承受圍巖載荷、水平作用力和保持穩(wěn)定。雙扭線式支架的連桿應能承受從掩護梁傳遞來的冒落石的載荷和頂板水平運動引起的載荷，從而對它們有足夠的要求，一般后連桿為整體鑄鋼件，前連桿為左右分支的鑄鋼件,這樣可使支架的有效利用空間大些。雙扭線式支架的梁、各連桿雖然增加了支架結構的穩(wěn)定性，但也因要抵抗頂板的水平運動大大增加了對支架承載構件的作用力，結果使構件斷面增大，支架重量增加。掩護式和支撐掩護式支架的進一步發(fā)展方向之一是尋求減輕支架的重量的方法，其中一個辦法就是把剛性連桿用液壓油缸代替，它的最大承受載荷可由安全閥調(diào)定，這樣適當控制支架承受的水平載荷，從而減輕支架的重量,但這樣做的結果使得支架的穩(wěn)定性降低，因此在限制液壓連桿的受力時應滿足支架穩(wěn)定性的需要。 底座底座有三種類型：整體式 整體式底座是用鋼板焊接成的箱式結構,整體性強,穩(wěn)定性好,強度高,不易變形,與底板接觸面積大,比壓??；對分式 為使底座在一定范圍內(nèi)適應底板起伏不平的變化,通常把底座制成前,后或左,右對分式；底靴式 底靴式底座的特點是每根立柱支承在一個底靴上,立柱之間用彈簧鋼板連接，立柱與底靴之間用銷軸連接，結構簡單，動作靈活，對底板的不平整適應性強，但剛性差，與底板接觸面積小，穩(wěn)定性差，一般用于節(jié)式支架。掩護式和支撐掩護式支架的底座多采用整體剛性平底座，各種形式的底座前端都制成滑橇形，避免移架時啃底，底座與立柱之間連接處用鑄鋼球面柱窩接觸，以免因立柱偏斜受偏載，并用限位板和銷軸限位，防止立柱脫出柱窩。在整體式底座后部中間去掉一塊鋼板，減少底座后部與底板的接觸面積，增加底座后部比壓,同時有利于排矸。 液壓支架的主要液壓元件和泵站 立柱立柱是支架實現(xiàn)支撐和承載的主要部件，它直接影響到支架的工作性能，同時還處于高壓受力狀態(tài)，因此，立柱除了具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，還必須有足夠的抗壓和抗彎強度，密封良好、結構簡單并能適應支架的工作要求。立柱類型： 立柱按動作不同分為單作用立柱和雙作用立柱；按