【導(dǎo)讀】液壓支架是綜采設(shè)備的重要組成部分。它能可靠而有效地支撐和控制工作面的頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石進(jìn)入回采工作面和推進(jìn)輸送機(jī)。它與采煤機(jī)配套使用，實現(xiàn)采煤綜。煤和運(yùn)輸設(shè)備的效能，減輕煤礦工人的勞動強(qiáng)度，最大限度保障煤礦工人的生命安全。構(gòu)，它的結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)件運(yùn)動對其性能的影響非常大。以前對綜放液壓支架進(jìn)行運(yùn)動模擬。是通過數(shù)據(jù)和二維圖形進(jìn)行的，局限性大。為了適應(yīng)市場需求，要求液壓支架的結(jié)構(gòu)、性。能等不斷提高，規(guī)格型式日趨多樣，而研發(fā)周期卻在不斷縮短。因此，采用先進(jìn)的技術(shù)方。法和手段進(jìn)行液壓支架的設(shè)計是一種必然選擇。利用先進(jìn)的Pro/E軟件不僅實現(xiàn)了液壓支。對相關(guān)運(yùn)動構(gòu)件的運(yùn)動狀態(tài)。進(jìn)行了分析，其操作方法簡單快捷、產(chǎn)品形式形象直觀、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。短開發(fā)周期，從而為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。科研人員在方案匯報、項目投標(biāo)和人員培訓(xùn)等過程中，利用Pro/E軟件建立的支。利亞、德國已普遍采用。

　　

【正文】 捷、產(chǎn)品形式形象直觀、分析結(jié)果準(zhǔn)確可靠。實踐證明，將這一技術(shù)和方法應(yīng)用于液壓支架產(chǎn)品設(shè)計中，可極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)周期，從而為企業(yè)帶來可觀的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。 44 8 結(jié)論 本次畢業(yè)設(shè)計通過對液壓支架的理論學(xué)習(xí)，加深了對液壓支架工作原理、工作性能、工作環(huán)境及其結(jié)構(gòu)的認(rèn)識和了解；通過對液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固了機(jī)械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過自己獨立地完成指定的課程設(shè)計任務(wù)，提高了理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力；通過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)計和制圖等基本技能的訓(xùn)練；通過利用 Pro/ E 對液壓支架進(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?？傊?，通過對液壓支架的設(shè)計，更好的認(rèn)識了國內(nèi)外液 壓支架的發(fā)展趨勢和發(fā)現(xiàn)目前煤礦液壓支架主要存在的問題，從而為以后更深認(rèn)的了解和設(shè)計液壓支架打下良好的基礎(chǔ)。 全球經(jīng)濟(jì)的一體化使工程機(jī)械產(chǎn)品市場的競爭日益激烈。為了提高市場競爭力，各企業(yè)必須不斷縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量、性能，降低開發(fā)成本。在這種需求下，以虛擬樣機(jī)技術(shù)為代表的計算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，使虛擬設(shè)計逐步成為工程領(lǐng)域一種新的現(xiàn)代化設(shè)計手段。運(yùn)用虛擬設(shè)計的方法，可以在產(chǎn)品設(shè)計初期，設(shè)計、分析和評估產(chǎn)品的性能，確定和優(yōu)化物理樣機(jī)參數(shù)，從而降低新產(chǎn)品的開發(fā)風(fēng)險，縮短開發(fā)周期，提高產(chǎn)品性能。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） 介紹了國內(nèi)外液壓支架研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢 （ 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)計及主要部件的設(shè)計。 （ 3） 利用 Pro/E 對液壓支架進(jìn)行快速建模，然后利用其運(yùn)動仿真模塊 (MECHANISM)實現(xiàn)了對支架的伸柱、降柱、推溜、移架的運(yùn)動過程的動態(tài)仿真，分析仿真結(jié)果表明建立的模型和設(shè)置的仿真參數(shù)正確，支架尺寸合理，運(yùn)動靈活，無運(yùn)動干涉區(qū)域。 雖然本次畢業(yè)設(shè)計已基本完成，但是自己感覺還是存在一些問題：首先對于 Pro/E 軟件的應(yīng)用僅僅在部分模塊達(dá) 到熟練的程度，對很多模塊的功能還不是很了解；其次是對于液壓支架的具體工作情況沒有切身實際的了解；最后是對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。 45 致謝 畢業(yè)設(shè)計是我們在大學(xué)期間的最后一次作業(yè)，也是我們留在大學(xué)的最后一個腳印。這次畢業(yè)設(shè)計是在我的導(dǎo)師蒲志新老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。他有著精益求精的工作作風(fēng)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，這些都深深的感染和激勵著我，讓我不斷的嚴(yán)格要求自己，做好每一步。從課題的選擇到最終完成畢業(yè)設(shè)計。蒲老師都始終給予我細(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在這半學(xué)期的畢業(yè)設(shè)計過程中，石 樹林老師和徐廣明老師也時刻關(guān)心著我的設(shè)計進(jìn)度和所遇到的困難。在此謹(jǐn)向蒲老師以及石老師和徐老師致以誠摯的謝意和崇高的敬意。 此次畢業(yè)設(shè)計是對自己的一次挑戰(zhàn)，是對自己各種能力和技能的考驗與鍛煉。通過這次畢業(yè)設(shè)計，我提高了獨立思考問題的能力，使自己在大學(xué)期間所學(xué)到的知識得以融合貫通，開闊了知識面，提高了學(xué)術(shù)水平，這段經(jīng)歷是難忘的、是寶貴的，而且也必將會對我今后的學(xué)習(xí)和工作產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。 本次畢業(yè)設(shè)計的順利完成，僅靠我一人的微薄之力是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，這是我們組與老師相互合作的結(jié)果。而這種合作與團(tuán)隊精神正是我們步入社會 工作崗位后所必須具備的，一個人能否成就一番事業(yè)在很大程度上取決于他與人合作的能力。最后必須再次感謝母校給予我這次寶貴的實踐機(jī)會，感謝恩師和幫助過我的老師同學(xué)們，在此獻(xiàn)上我最誠摯的謝意！ 46 參考文獻(xiàn) [1]丁紹南 .采煤工作面液壓支架設(shè)計 [M].北京：世界圖書出版公司 ， [2]王國法 .液壓支架技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社 ,1999 [3]邢?？担瑒⒂裉?.煤礦支護(hù)手冊 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社 ， 1991 [4]王啟廣，李炳文，黃嘉興 .采掘機(jī)械與支護(hù)設(shè)備 [M].徐州：中國礦業(yè)大 學(xué)出版社， ～214 [5]李國軍 .煤礦（礦山）綜采液壓支架設(shè)備選型設(shè)計、工況分析檢測及液壓支架安全運(yùn)行維護(hù)檢修使用手冊 [M]。北京：中國煤炭出版社， [6]全國職業(yè)培訓(xùn)教學(xué)工作指導(dǎo)委員會煤炭專業(yè)委員會 .液壓支架與泵站 [M].北京：煤炭工業(yè)出版社， [7]王積偉，章宏甲，黃誼 .液壓傳動 [M]。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [8]甘永立 .幾何量公差與檢測 [M].上海：上海科學(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)計手冊編委會 .機(jī)械設(shè)計手冊 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社， [11]雷天覺 .新編液壓工程手冊 [M].北京：北京理工大學(xué)出版社， 1998 [12]張家鑒，陳亨文，伊長德 .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 支撐力選定 目前對自移支架能力仍沒有一個通用的估算方法，而是用反復(fù)試驗和不斷摸索的辦法。美國一般的作法是：如果能力小的支架不能勝任，就換用較強(qiáng)一級的支架。美國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。 為了確定支撐力，必需知道直接頂板的厚度，即在煤層回采后立即下沉并壓在支架上的那部分頂板。在英國，頂板的厚度一般定為煤層厚度的兩倍，所依據(jù)的假設(shè)是：頂板 冒落時，頂板巖石的體積比原來膨漲 50%。如果這一估計符合實際，而且假定頂板能在支撐后立即冒落，頂板的冒落高度就只能達(dá)到煤層高度的兩倍，因為這一高度的頂板巖石膨漲后可填滿回采后的空間。隨后，冒落區(qū)以上的頂板就被其下面的已冒落巖石支撐住，并保持其初始位置不變。然而，冒落頂板巖石在體積上膨漲 50%或一般稱作“松散系數(shù)”是一個判定性的假設(shè)。這一百分?jǐn)?shù)如果有偏差，就會影響冒落的高度。美國有些研究人員經(jīng)觀察后提出頁巖的松散系數(shù)為 10~13%，砂巖為 20%，大大低于英國的數(shù)字。這可能是造成美國使用大量重型支架這一事實的原 因。 自移式液壓支架的中心距通常為 4英尺。這個距離是從如下的概念推導(dǎo)出來的，即當(dāng)支架前移時無支護(hù)面積應(yīng)保持為最小，而同時支架要很容易地移動。支架前柱至工作面的距離為 6英尺 3英寸，但如果頂板條件很好這一距離可增大到 8 英尺 3英寸。端面距一般要保持 6~18 英寸，以適應(yīng)工作面的不規(guī)則變化，并防止采煤機(jī)切到支架頂梁上。 下面討論當(dāng)前應(yīng)用的三種估算支架能力的方法。 美國采礦局的方法。此法假定直接頂板呈懸梁狀態(tài)，頂板在工作面前方相當(dāng)于煤層厚度的距離內(nèi)斷裂，被支撐的頂板范圍是由懸露端到假定斷裂線。圖 示出了三種情況 :第一種情況表示空頂距最小。第二種情況與第一種類似，只是采煤機(jī)沿工作面切割了一刀。第三種情況表示懸梁最長。三種情況下支架承受的靜載荷可用下式求得： W=LiSwh () 式中： W 為需要支撐的直接頂板重量； Li 為懸梁長度， i 為情況分類號 2 或 3； S為支架平均間距， w為頂板巖石的平均容重； h為直接頂板的厚度。 這樣支架最小額定工作阻力為： T=W 48 根據(jù)公式 算出的長壁工作面垛式和掩護(hù)式自移支架，以及短壁工作面垛式自移支 圖 美國采礦局的自移式液壓支架計算法 架所支承的直接頂板重量如圖 所示。在計算中考慮的是：直接頂板在采空區(qū)不懸露，而是在支架的采空區(qū)側(cè)的邊緣冒落，冒落角為面向采空區(qū) 15 度，這是美國東部煤田最常見的角度?，F(xiàn)舉例說明此圖的使用方法。假設(shè)直接頂板厚度為 20 英尺，先在頂板中找到 20 英尺的水平線，然后向左延伸與標(biāo)有“短壁”、“長壁”和“掩護(hù)”字樣的曲線相交，自交點垂直向下與靜載荷橫軸相交，得出沿工作面每英尺的靜載荷，掩護(hù)式自移支架為 23噸，長壁垛式自移支架為 28噸，短壁自移支架為 37 噸。 威爾遜法。 威爾遜法與美國礦業(yè)局法類似。但威爾遜假設(shè)被支承的頂板是沿工作面和采空區(qū)邊緣垂直斷裂 (圖 )，或是沿一與水平面成 a 角的面斷裂 (圖 )。其中 a角為冒落角，取決于具體地質(zhì)條件。寬度 l等于控頂距的寬度。冒落高度 h等于兩倍的煤層厚度 H, f 和 b 分別為支架前后柱的作用點，其工作阻力分別為 F 和 B 。 模擬巖塊主要受三種作用力 :巖塊的重力 W，其作用方向為垂直向下，作用點位置在與工作面相距為 w的巖塊重心處 。垂直向上的支架阻力的合力為 P，其作用點與工作面的距離為 p，作用在巖塊上表面的垂直向下的反作用力 R，其作用點與工作面的距離為 r。理想 49 的條件是 W與 P相等，并沿共同的垂直線作用。即 R為 0或最小。 模擬巖塊符合下列條件時即達(dá)到受力平衡： 0??vF 或 P = W + R () 0??M 或 Pp=Ww + Rr () 圖 決定各種自移支架支撐阻力的方法 此外 F + B = P () Ff + Bb = Pp () 將公式 和 分別代入 和 ,得 F + B = W + R () Ff + Bb = Ww + Rr () 50 圖 關(guān)于水平煤層頂板巖塊受力情 況的威爾遜定則 從公式 看出，如果 R 最小， F+B 也最小。從公式 看出，如果 f w b，在下列條件下 R為 0： fb wb??? WF fb fwWB ??? () 如果 w f，在下列條件下 R最小： fr wrW ???F 0?B () 如果 w b，在下列條件下 R將為最小 : 0?F rb rwWB ??? () 公式 和 8,5,11 代表的情況如圖 和 所示。 F 和 B 的典型值見表 。表中假定： f =l ； b=； 1 值在割采前為 英尺，割采后增至 英尺。 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。 MLD 表示平均載荷。 掩護(hù)式自移支架支撐力?？蚴阶砸浦Ъ芑蚨馐阶砸浦Ъ艿目傊瘟梢杂冒褑沃妮d荷簡單相加的辦法得到。但是，對兩柱單絞掩護(hù)式自移支架就不能這樣做，這是因為掩護(hù)式自移支架的幾何形狀和力的狀況都比較復(fù)雜，所以由柱腿傳到頂梁的載荷需要經(jīng)過一定的換算。支架組件之間力的關(guān)系決定了如下情況，即頂梁上的支撐力取決于掩護(hù)支架撐開的高度。 由液壓柱腿作用的力 (Fp)是通過鉸接點 (點 1，見圖 )傳遞到頂梁的。該點上集中阻力 Fr的方向與垂線夾一角度，這個角度等 于頂梁和頂板之間的摩擦角 a, a 的范圍為 0 ~176。為了使支架保持平衡，力系中的任何一點力矩的代數(shù)和均應(yīng)等于 0。如果取結(jié)點 3處的力矩，則其平衡式應(yīng)為 : F k f=Fpe () 但是 Frv=Frcosα () 垂直作用在頂梁上的壓力 Frv，可用公式 代入公式 求得； 21F μ?? feF prv 式中μ = tan a。力矩臂 f 與頂梁高度和摩擦系數(shù)成反比。 52 圖 兩柱掩護(hù)式支架工作阻力的確定 所有上述方法都是說明如何按總載荷確定支撐力，沒有考慮頂梁和底座的載荷分布問題。載荷在頂梁上的分布是不均勻的，一般來說較大的應(yīng)力出現(xiàn)在頂梁的采空區(qū)一端，然后逐漸向前端減小。承受載荷為 R的頂梁其載荷分布 (圖 )為 : 圖 兩柱掩護(hù)式自移支架頂梁和底座板的應(yīng)力分布 p=p0eax(噸 /英尺 2) () 式中 leLSL LLRp b ??? 21 210 )(