【正文】 周期來(lái)壓，且水平力小的條件。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。 (2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。 本論文主要研究?jī)?nèi)容 通過(guò)以上對(duì)液壓支架的研究和分析，本論 文的主要研究?jī)?nèi)容包括以下幾點(diǎn)： （ 1） 初步確定 支架的總體方案，確定架型，進(jìn)行總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； （ 2） 利用 Pro/E 對(duì) 液壓支架各 主要 結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維建模設(shè)計(jì)； （ 3） 對(duì) 建模的 液壓支架各 主要 結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行三維裝配設(shè)計(jì)與分析； （ 4） 對(duì)液壓支架 的升柱、降柱等運(yùn)動(dòng)過(guò)程 進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真分析。其中在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意以下幾個(gè)方面： ① 提高液壓支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，加大支架的工作阻力，加大支架的設(shè)計(jì)強(qiáng)度系數(shù)，還有選材等方面； ② 如何提高支架的移架速度； ③改進(jìn)支架個(gè)別部件結(jié)構(gòu)，加大聯(lián)結(jié)件強(qiáng)度 (3)改進(jìn)制造工藝，保證制造質(zhì)量；對(duì)支架的閥類，從材料、熱處理、加工條件和密封件入手，制定更嚴(yán)格的質(zhì)量和抗腐蝕標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)目前液壓支架采用電液控制系統(tǒng)的數(shù)量很少，絕大部分為手動(dòng)。最近幾年我國(guó)的天瑪公司與德 國(guó)合作，引進(jìn)德國(guó)瑪坷公司的 PM3技術(shù)已成功在充州、開灤礦區(qū)的支架上應(yīng)用，并取得了較好的效果。采用三維 3 Pro/E 軟件可以不需要生產(chǎn)樣機(jī)，而直 接對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，只需要輸出一組數(shù)據(jù)，即相應(yīng)出現(xiàn)一種設(shè)計(jì)方案，可以減輕設(shè)計(jì)人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。因此液壓支架的設(shè)計(jì)工作是很重要 的， 由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計(jì)工作量也是很大的，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。在未來(lái)新能源大規(guī)模利用之前 ， 煤炭是支持我 國(guó) 能源供應(yīng)的 重要品種。 液壓支架是由幾個(gè)液壓油缸或千斤頂以及幾大復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)件組成的多自由度機(jī)構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)件運(yùn)動(dòng)對(duì)其性能的影響非常大。以前對(duì)綜放液壓支架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬是通過(guò)數(shù)據(jù)和二維圖形進(jìn)行的，局限性大。據(jù)國(guó)際能源署預(yù)測(cè)，從 2020 到 2020年，一次商品能源需求年增長(zhǎng) ％， 2020 年我國(guó)煤炭需求量將超過(guò) 25 億 t，煤炭工業(yè)將有一個(gè)很大的發(fā)展。 隨著科技的發(fā)展，單一使用二維 CAD 技術(shù)進(jìn)行液壓支架的設(shè)計(jì)已不能滿足現(xiàn)代設(shè)計(jì)的需求?？梢灶A(yù)期，三維軟件 Pro/E 在液壓支架的設(shè)計(jì)中將會(huì)被廣泛應(yīng)用。 國(guó)產(chǎn)液壓支架與國(guó)外差距 目前國(guó)產(chǎn)液壓支架與世界上先進(jìn)國(guó)家的差距主要表現(xiàn)在支架的整體可靠性、控制系統(tǒng)等方面。在控制系統(tǒng)方面我國(guó)與國(guó)外的差距較大。 (4)對(duì)不穩(wěn)定頂板、松軟底板、地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜等特殊條件，加大投入，研制大量的特殊支架，以適用不同的開采條件。 6 2 液壓支架的 概述 液壓支架的組成和用途 液壓支架的用途 在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過(guò)程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工人安全和各項(xiàng)工作正常進(jìn)行，必須對(duì)頂板進(jìn)行支 護(hù)，而液壓支架是以高壓液體作為動(dòng)力由液壓元件與金屬構(gòu)件組成的控制頂板的設(shè)備，它能實(shí)現(xiàn)支撐、切頂、移架和推移輸送機(jī)等一整套工序。其主要功能是實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，產(chǎn)生液壓動(dòng)力。 中間液壓支架按其結(jié)構(gòu)形式來(lái)劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。 此種支架在現(xiàn)階段的綜采工作面的生產(chǎn)時(shí)都已基本不再采用。 掩護(hù)式支架的支護(hù)性能是：支撐力較小，切頂性能差，但由于頂梁短，支撐力集中在靠近煤壁的頂板上，所以支護(hù)強(qiáng)度較大、且均勻，掩護(hù)性好，能承受較大的水平推力，對(duì)頂板反復(fù)支撐的次數(shù)少，能帶壓移架 。 支撐掩護(hù)式支架的立柱均為兩排，立柱可前傾或后傾。高壓乳化液進(jìn)入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。 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。 12 對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)算還要考慮到立柱傾角的影響因素。即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是，頂板暴露時(shí)間短，梁端距較小。 支架選型的基本參數(shù) 對(duì)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。 （ 8）支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。 （ 4）底板巖性及小時(shí)涌水量 根據(jù)底板巖性和小時(shí)涌水量驗(yàn)算底板比壓。當(dāng)煤層厚度大于 ~ (軟煤層下限，硬煤層上限 )時(shí)，應(yīng)選用抗水平推力強(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。 （ 5）地質(zhì)構(gòu)造 地質(zhì)構(gòu)造十分復(fù)雜，煤層厚度變化又較大，頂板允許暴露面積和時(shí)間分別在 25~8m 和20min 以下時(shí)，暫不宜采用液壓支架。薄煤層支架可達(dá) 3。當(dāng)支架中心距為 時(shí)，最小寬度一般取 1400~1430mm,最大寬度一般取 1570~1600mm。 先移架后推溜的方式（及時(shí)支護(hù)方式）要求頂梁有較大長(zhǎng)度；先推溜后移架的方式（滯后支護(hù)方式）要求頂梁長(zhǎng)度較短。 配套設(shè)備的選擇 綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)之間在性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、空間尺寸及相互連接等方面，有 著嚴(yán)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。 實(shí)體零件的一般繪制過(guò)程是，在進(jìn)入 Pro/E 軟件之后點(diǎn)擊【文件】→【新建】→【零件】→【實(shí)體】，去掉使用缺省模版，選擇毫米牛頓秒模版。它可多次反復(fù)支撐頂板，以利于放煤。 頂梁的主要作用有： （ 1) 支撐，維護(hù)和覆蓋頂板，為工作面創(chuàng)造安全的工作空間。 23 （ 1) 承受頂梁部分載荷和掩護(hù)梁背部載荷并通過(guò)前后連桿傳遞給底座 （ 2) 掩護(hù)梁承受對(duì)支架的水平作用力及偏載扭矩。為了防止外部煤塵等臟物隨活柱下縮而進(jìn)入缸體，在導(dǎo)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(dǎo)向套上還裝有蕾形密封圈和 O 形密封圈。 圖 46 千斤頂示意圖 The Jack 26 底座的設(shè)計(jì) 底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。它的結(jié)構(gòu)輕便，能夠作靈活，對(duì)底板的不平整適應(yīng)性強(qiáng)。只有被裝配體處于完全約束的時(shí)候，才可能具有確定運(yùn)動(dòng)，“聯(lián)接”才有效。在裝配過(guò)程中，如果按照設(shè)定的約束關(guān)系并沒有使被裝配件處于“正常的工作位置”，可使用“拖動(dòng)”選項(xiàng)板上的“平移” 、“旋轉(zhuǎn)”等工具對(duì)被裝配件進(jìn)行調(diào)整，直至符合要求為止。元件 參照和組 29 件參照分別是元件和裝配體中用于約束定位和定向的點(diǎn)、線、面。前連桿與掩護(hù)梁的鏈接關(guān)系為銷釘鏈接如 圖 53 所示，這種連接是為了以后的仿真而設(shè)置的，銷釘鏈接可以保證組件留有沿著軸旋轉(zhuǎn)的的運(yùn)動(dòng)關(guān)系。要形成一個(gè)認(rèn)識(shí)：以三維建模設(shè)計(jì)軟件為平臺(tái)，集成運(yùn)動(dòng)仿真軟件組成的應(yīng)用系統(tǒng)，才能真正解決提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量問(wèn)題。爆炸圖嚴(yán)格按照整體裝配的順序來(lái)制作顯示。 （ 2） 在“組件”環(huán)境下單擊菜單中的“應(yīng)用程序”，選擇“機(jī)構(gòu)”即可進(jìn)入仿真環(huán)境。定義電動(dòng)機(jī) 7 在底座與頂梁之間前排千斤頂處，方向反向，速度為 15。因此，運(yùn)動(dòng)分析不能使用執(zhí)行電動(dòng)機(jī)，也不必為機(jī)構(gòu)指定質(zhì)量屬性。 運(yùn)行的時(shí)間長(zhǎng)度、幀頻、幀數(shù)和最小時(shí)間間隔的關(guān)系： 37 幀頻＝ 1／最小時(shí)間間隔。并可以觀察并記錄分析，可以測(cè)量諸如位置、速度、加速度等運(yùn)動(dòng)特征，可以通過(guò)圖形直觀的顯示這些測(cè)量量。直接利用 Pro/Analysis 對(duì)設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析 ,重點(diǎn)對(duì)裝配模型進(jìn)行全局干涉檢驗(yàn) ,檢驗(yàn)結(jié)果直接顯示在模型中 ,同時(shí)用數(shù)字給出干涉區(qū)域的面積。如圖 67 所示 。為了有效的支護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計(jì)出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。對(duì)相關(guān)運(yùn)動(dòng)構(gòu)件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了分析，其操作方法簡(jiǎn)單快捷、產(chǎn)品形式形象直觀、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。在這樣的大背 景下，本文主要進(jìn)行了一下幾方面的工作： （ 1） 介紹了國(guó)內(nèi)外液壓支架研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì) （ 2） 分析了液壓支架的工作原理，進(jìn)行了液壓支架整體結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)及主要部件的設(shè)計(jì)。在這半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，石 樹林老師和徐廣明老師也時(shí)刻關(guān)心著我的設(shè)計(jì)進(jìn)度和所遇到的困難。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [8]甘永立 .幾何量公差與檢測(cè) [M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 2020 [9]孫恒，陳作模主編 .《機(jī)械原理》 [M].第六版 .高等教育出版社 ， 2020 [10]機(jī)械 設(shè)計(jì)手冊(cè)編委會(huì) .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [11]雷天覺 .新編液壓工程手冊(cè) [M].北京：北京理工大學(xué)出版社， 1998 [12]張家鑒，陳亨文，伊長(zhǎng)德 .液壓支架 [A].北京：煤炭工業(yè)出版社 ， [13]張繼春 .Pro/ENGINEER Wildfire 結(jié)構(gòu)分析 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [14]祝凌云，李斌 .Pro/ENGINEER 運(yùn)動(dòng)仿真和有限元分析 [M].北京：人民郵電出版社， [15]詹友剛 . Pro/ENGINEER 中文野火版教程 [M]：專用模塊 .北京：清華大學(xué)出版社， 2020 [16]Donald Hearn, M Pauline Baker. Computer Graphics [M]. Prentice Ha11,1997. [17]Thomas M,Barczak,David F Gearchart,Canopy and base load distribution on a long wall shield[M],Bureau of mines,1992 47 附錄 A 譯文 自移式液壓支架的設(shè)計(jì) 支撐力選定 目前對(duì)自移支架能力仍沒有一個(gè)通用的估算方法，而是用反復(fù)試驗(yàn)和不斷摸索的辦法。這一百分?jǐn)?shù)如果有偏差，就會(huì)影響冒落的高度。 美國(guó)采礦局的方法?，F(xiàn)舉例說(shuō)明此圖的使用方法。 模擬巖塊主要受三種作用力 :巖塊的重力 W，其作用方向?yàn)榇怪毕蛳拢饔命c(diǎn)位置在與工作面相距為 w的巖塊重心處 。 W =ρ Slh，式中ρ為巖石容重， S 為支架間距， h 為冒 51 落高度； w = l/2 + h/2cotα。為了使支架保持平衡，力系中的任何一點(diǎn)力矩的代數(shù)和均應(yīng)等于 0。力矩臂 f 與頂梁高度和摩擦系數(shù)成反比。 掩護(hù)式自移支架支撐力。理想 49 的條件是 W與 P相等，并沿共同的垂直線作用。 威爾遜法。圖 示出了三種情況 :第一種情況表示空頂距最小。這可能是造成美國(guó)使用大量重型支架這一事實(shí)的原 因。美國(guó)采用的支架工作阻力范圍為 200到 700 噸，應(yīng)用最普遍的是工作阻力為 500 噸。 此次畢業(yè)設(shè)計(jì)是對(duì)自己的一次挑戰(zhàn)，是對(duì)自己各種能力和技能的考驗(yàn)與鍛煉。 雖然本次畢業(yè)設(shè)計(jì)已基本完成，但是自己感覺還是存在一些問(wèn)題：首先對(duì)于 Pro/E 軟件的應(yīng)用僅僅在部分模塊達(dá) 到熟練的程度，對(duì)很多模塊的功能還不是很了解；其次是對(duì)于液壓支架的具體工作情況沒有切身實(shí)際的了解；最后是對(duì)于液壓支架的某些零件細(xì)節(jié)的建模裝配還不夠準(zhǔn)確明了。 44 8 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)通過(guò)對(duì)液壓支架的理論學(xué)習(xí)，加深了對(duì)液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)和了解；通過(guò)對(duì)液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固了機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過(guò)自己獨(dú)立地完成指定的課程設(shè)計(jì)任務(wù)，提高了理論聯(lián)系實(shí)際、分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力；通過(guò)查閱參考書和工具書的方法，提高了編寫技術(shù)文件的能力，進(jìn)一步加強(qiáng)了設(shè)計(jì)和制圖等基本技能的訓(xùn)練；通過(guò)利用 Pro/ E 對(duì)液壓支架進(jìn)行快速建模、裝配與仿真，熟練掌握了 Pro/ E 的建模、裝配與仿真模塊。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計(jì)工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。 圖 68 特征繪制 Features draw 在這里我們選擇后連桿上一點(diǎn)繪制時(shí)間 — 位移曲線，如圖 69 所示 圖 69 位移 — 時(shí)間曲線 Displacement time curves 42 從此過(guò)程我們可以看出，利用 Pro/E 軟件我們可以再不需要生產(chǎn)樣機(jī)的情況下直接對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行一定的驗(yàn)證，這樣可以提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量。在液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真完成之后 ,借助于Pro/E 仿真分析測(cè)量還可以測(cè)量系統(tǒng)中需要跟蹤的參數(shù) ,如某零件的位移、速度、加速度等 ,并將其變化趨勢(shì)通過(guò)圖表的形式直觀地表現(xiàn)出來(lái)。使用“機(jī)械動(dòng)態(tài)”分析功能可在機(jī)構(gòu)上定義重力，力和力矩，彈簧，阻尼等等特征。 在經(jīng)過(guò)多次的試驗(yàn)分析后，最終得到如下圖的 一組合理數(shù)據(jù)。如果伺服電動(dòng)機(jī)具有不連續(xù)輪廓，在運(yùn)行運(yùn)動(dòng)分析前軟件會(huì)嘗試使其輪廓連續(xù)，如果不能使其輪廓連續(xù)，則此伺服電機(jī)將不能用于分析。定義電動(dòng)機(jī) 9 在底座與頂梁之間后排千斤頂處，方向反向，速度為 14。如圖 62所示。 圖 59 爆炸圖 Exploded View 34 6 液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真 液壓支架運(yùn)動(dòng)仿真的一般過(guò)程 在我們完成了對(duì)液壓支架各零件的裝配之后，我們可以利用 Pro/E 軟件 自帶的運(yùn)動(dòng)仿真程序，對(duì)液壓支架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析定義和分析運(yùn)行，最后將運(yùn)行的結(jié)果保存成影片的格式，完成液壓支架的運(yùn)動(dòng)仿真。 液壓支架三維建模與裝配的效果圖如圖 56 所示 圖 56 液壓支架三維裝配圖 Hydraulic support 3d assembly 32 液壓支架的干涉檢驗(yàn) 在對(duì)液壓支架各個(gè)零件建