【正文】 分析有限元軟件的推廣應(yīng)用的結(jié)果。所謂傳統(tǒng)設(shè)計，就是人們在設(shè)計中總是遵循著一定的設(shè)計理論，憑借著設(shè)計者本身的經(jīng)驗來選擇設(shè)計 參數(shù)，并借助一些手冊、圖表、經(jīng)驗數(shù)據(jù)來完成各種設(shè)計。對于使用條件復(fù)雜、受載工況多變的液壓支架的設(shè)計，尤其如此。近年來促進(jìn)優(yōu)化設(shè)計研究和應(yīng)用的主要因素有三個方面：即近代科學(xué)技術(shù)與生產(chǎn)需要最適宜的方案、計劃與信息；電子計算機技術(shù)和最優(yōu)化計算方法的發(fā)展相互促進(jìn)，使優(yōu)化設(shè)計有了可能；現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計要求高速度、高質(zhì)量地完成設(shè)計任務(wù)，優(yōu)化才能保證這一任務(wù)的完成。在傳統(tǒng)設(shè)計中是把設(shè)計變量當(dāng)作常量來看待，而在優(yōu)化設(shè)計中是將設(shè)計變量當(dāng)作隨機變量來對待。目前，液壓支架研究發(fā)展可以從以下幾個方面著手： 1. 液壓支架的結(jié)構(gòu)形式正朝著簡單實用方向發(fā)展，如液壓支架的架型明顯地向兩柱掩護(hù)式支架和四柱支撐式掩護(hù)式支架發(fā)展。其中在設(shè)計中應(yīng)注意以下幾個方面： I 提高液壓支架的設(shè)計強度，加大支架的工作阻力，加大支架的設(shè)計強度系數(shù)，還有選材等方面； II 如何提高支架的移架速度； III 改進(jìn)支架個別部件結(jié)構(gòu)，加大聯(lián)結(jié)件強度。 4． 對不穩(wěn)定頂板、松軟底版、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． 結(jié)構(gòu)上尋求克服四連桿的新型架型。 工作面支護(hù)問題始終是圍繞煤礦生產(chǎn)安全、質(zhì)量、效率的重要問題。因此，我國必須加大綜采液壓支架的研究投入的步伐，盡快適應(yīng)我國能源大開發(fā) 的戰(zhàn)略要求。一般用于直接頂中等穩(wěn)定以下，頂板周期來壓不強烈的采煤工作面。 支掩掩護(hù)式支架立柱通過掩護(hù)梁對頂板進(jìn)行間接支撐，支架的支撐效率低，頂梁短，控頂距??；多數(shù)在頂梁與掩護(hù)梁之間設(shè)有平衡千斤頂，少數(shù) 支架只設(shè)機械限位裝置；頂梁后部與掩護(hù)梁構(gòu)成“三角帶”易卡進(jìn)矸石 ，影響頂梁擺動，故一般在頂梁后端掛有擋板，作業(yè)空間狹窄，通風(fēng)面積?。徊捎?整體剛性底座；支架有插底式和不插底式兩種形式。不插底式配通用型輸送機，底座前端對底板比壓大，使用較少。立柱經(jīng)過頂梁直接對頂板進(jìn)行支撐，支撐效率高，頂梁比支掩掩護(hù)式支架長，頂梁后端與掩護(hù)梁鉸接，作業(yè)空間和通風(fēng)端面均大于支掩掩護(hù)式支架；頂梁和掩護(hù)梁側(cè)面都裝有活動側(cè)護(hù)板，擋矸性能好；多數(shù)支架將平衡千斤頂設(shè)在頂梁與掩護(hù)梁之間，少數(shù)支架將平衡千斤頂設(shè)在底座與掩護(hù)梁之 間；支架底座前端對底板比壓較大；頂梁有交接式和整體式頂梁；底座有整體式剛性，底分式剛性底座和交接分體式底座三種。底座，前后連桿和掩護(hù)梁形成四連桿機構(gòu)，以保持穩(wěn)定的梁端距和承受水平推力。掩護(hù)式支架的立柱較少，且為傾斜布置，以增加支架的調(diào)高范圍；支架的兩側(cè)有活動側(cè)護(hù)板，可以把架間密封；通常頂梁較短，一般為 mm 左右。但由于頂梁短，立柱傾斜布置，故作業(yè)空間和通風(fēng)斷面小。為了滿足對煤炭增長的日益需要，必須大量生產(chǎn)綜合機械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機械化采煤工作面。為了有效的支 護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計工作量也是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個環(huán)節(jié)。通過對液壓支架結(jié)構(gòu)的分析，加深和鞏固機械原理的相關(guān)內(nèi)容；通過對液壓支架受力的分析和強度的校核，加深對專業(yè)基礎(chǔ)課理論力學(xué)和材料力學(xué)及專業(yè)課機械設(shè)計相關(guān)內(nèi)容的鞏固和理解。 通過自己獨立地完成指定的課程設(shè)計任務(wù)，提高理論聯(lián)系實際、分析問題和解決問題的能力，學(xué)會查閱參考書和工具書的方法，提高編寫技術(shù)文件的能力，進(jìn)一步加強設(shè)計計算和制圖等基本技能的訓(xùn)練，為畢業(yè)后成為一名出色的機械工程師打好基礎(chǔ)。為了適應(yīng)這一發(fā)展趨勢，我們應(yīng)立足變傳統(tǒng)的、僵化的、 單純的畢業(yè)設(shè)計為培養(yǎng)主動學(xué)習(xí)、提高創(chuàng)新能力、樹立團(tuán)結(jié)協(xié)作精神、強化計算機運用等多維兼容性畢業(yè)設(shè)計 ，同時通過完成畢業(yè)設(shè)計，鍛煉學(xué)生解決實際工程問題的能力。 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 65 頁 第 2 章 液壓支架 的 概述 液壓支架的 作用 在采煤工作面的煤炭生產(chǎn)過程中，為了防止頂板冒落，維持一定的工作空間，保證工作面安全和各項作業(yè)的順利進(jìn)行，必須對頂板進(jìn)行支護(hù)。實踐表明，液壓支架具有支護(hù)性能好，強度高，移架速度快，安全可靠等優(yōu)點。因此，液壓支架是技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理，安全可靠，是實現(xiàn)采煤綜合機械化和自動化不可缺少的主要設(shè)備。詳細(xì)見表 21。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。 目前使用的液壓支架分為三類，即：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式液壓支架。 前梁較長，支柱較多并呈垂直分布，支架的穩(wěn)定性由支柱的復(fù)位裝置來保證。頂板巖石則在頂梁后部切斷垮落。 2. 掩護(hù)式液壓支架 掩護(hù)式液壓支架有插腿式和非插腿式兩種形式。這類支架適用于直接頂不穩(wěn)定或中等穩(wěn)定的煤層。它保留了支撐式支架支撐力大、切頂性能好、工作空間寬敞等優(yōu)點，采用雙排立柱支撐；同時又吸取掩護(hù)式支架擋矸掩護(hù)性能好，抗水平力腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等長處。 圖 21 掩護(hù)式液壓支架的類型 (a) 插腿式支架 (b) 立柱在掩護(hù)梁上非插腿式支架 (c) 立柱在頂梁上非插腿式支架 華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 65 頁 支撐掩護(hù)式液壓支架適用范圍很廣，可用于各種頂板條件，尤其用于中等穩(wěn)定以上的頂板條件。不同結(jié)構(gòu)形式的支撐掩護(hù)式液壓支架，其主要區(qū)別是立柱的布置方 式不同。 升柱 ： 當(dāng)需要液壓支架上升支護(hù)頂板時，高壓乳化液進(jìn)入立柱的下活塞腔，另一腔回液，推動活塞上升，是與活塞桿相連的頂梁緊緊接觸頂板。 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。 圖 22 支撐掩護(hù)式液壓支架的類型 (a) 四柱平行支在頂梁上的支架 (b) 四柱交叉支在頂梁上的支架 (c) 兩支柱支在頂梁上，兩柱支在掩護(hù)梁上的支架 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計分析及掩護(hù)梁設(shè)計 第 12 頁 共 65 頁 支架的承載過程 支架的承載過程是指支架與頂板之間相互力學(xué)作用的過程。如圖 24所示 圖 24 支架的工作特性曲線 1. 初撐階段 在升架過程中，當(dāng)支架的頂梁接觸頂板 ，直到立柱下腔的液體壓力逐漸上 升到泵站工作壓力時，停止供液，液控單向閥 6立即關(guān)閉，這一過程為支架的初撐階段 。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(guān)鍵。 3. 恒阻階段 隨著頂板壓力的進(jìn)一步增加，立柱下腔的液體壓力越來越高。當(dāng)降到安全閥的調(diào)定壓力時，安全閥關(guān)閉。由于安全閥的作用，支架的支撐力維持在某一恒定數(shù)值上，這是支架的恒阻階段。對于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計算還要考慮到立柱傾角的影響因素。工作特性曲線表明，支架在達(dá)到額定工作阻力之前具有增阻性，以保證支架對頂板的有效 支撐，當(dāng)支架達(dá)到額定工作阻力以后，支架能隨頂板的下沉而下縮，即具有可縮性和恒阻性。 3 個工序的不同組合順序，可形成液壓支架的 3 種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機”的不同配套關(guān)系。即時支護(hù)的特點是，頂板暴露時間短，梁端距較小。 2． 滯后支護(hù) 一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。可用于穩(wěn)定、完整的頂板。 復(fù)合支護(hù)的特點是：支護(hù)滯后時間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)。 液壓支架 設(shè)計 的 基本要求和參數(shù) 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計分析及掩護(hù)梁設(shè)計 第 14 頁 共 65 頁 液壓支架 設(shè)計的基本要求 液壓支架設(shè)計的基本要求 如下 ： (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，以使有效地控制頂板，保證合理的下沉量。 (3) 防矸性能要好。 (5) 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)面積，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。 (7) 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。 (9) 要求支架有足夠的剛度，能承受事實上不均衡載荷 和沖擊載荷。 (11) 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡單。 液壓支架 設(shè)計的基本參數(shù) 1． 頂板條件 根據(jù)老頂和直接頂?shù)姆诸?，對支架進(jìn)行選型。 3． 瓦斯等級 根據(jù)瓦斯等級，按《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，驗算通風(fēng)斷面。 5． 工作面煤壁條件 根據(jù)工作面煤壁條件決定是否用護(hù)幫裝置。 7． 井向罐籠尺寸 根據(jù)井向罐籠尺寸考慮支架的運輸外形尺寸。 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計分析及掩護(hù)梁設(shè)計 第 16 頁 共 65 頁 第 3 章 液壓 支架總體結(jié) 構(gòu)設(shè)計 液壓支架的選型 設(shè)計的原始條件 煤層厚度： H＝ ～ ；頂設(shè)條件老頂 II 級、直接頂 II級，底板平整，無影響支架通過的斷層。煤層傾斜角小于 15度，支護(hù)強度、底板抗壓強度、泵站壓力、安全閥調(diào)定壓力 40MPa。當(dāng)煤層厚度大于 ～ （軟煤取下限，硬煤取上限 ） 時，應(yīng)選用抗水平推力強且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)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、下滑象。 3. 底板性質(zhì) 底板承受支架的全部載荷，對支架的底板影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架底座的結(jié)構(gòu)和支承面積。 4. 瓦斯涌出量 對于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風(fēng)斷面應(yīng)滿足通風(fēng)的要求，選型時要進(jìn)行驗算。 6. 設(shè)備成本 在滿足要求的前提下，應(yīng)選用價格便宜的支架。所以，為了在使用中合理地選擇架型，要對支架的支撐力、采煤高度與承載的關(guān)系進(jìn)行分析，使支架的支撐力能適應(yīng)頂板載荷的要求。支架的適應(yīng)高度為 ～ 老頂 II級、直接頂 II級，底板平整，無影響支架通過的斷層，根據(jù)表 31初步選定為掩護(hù)式兩柱液壓支架。表中所列支護(hù)強度在選用時，可根據(jù)本 礦情況老頂級別 Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ 直接頂類別 1 2 3 1 2 3 1 2 3 4 4 支架類型 掩護(hù)式 掩護(hù)式 支撐式 掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 支 撐 式 支撐掩護(hù)式 支撐掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 掩護(hù)或支撐掩護(hù)式 支撐式 采高小于 時 支撐掩 護(hù)式 采高大于 時 支架支護(hù)強度 MPa 采高m 1 ? ? 2? 0.249 應(yīng)結(jié)合深孔爆破，軟化頂板等措施處理采空區(qū) 2 （ ） ? （ ） ? 2? 0.343 3 （ ） ? （ ） ? 2? 0.441 4 （ ） ? （ ） ? 2? 0.539 中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計分析及掩護(hù)梁設(shè)計 第 18 頁 共 65 頁 允許有 5%? 的波動范圍。 液壓支架基本參數(shù)的確定 初撐力 初撐力的大小是相對于支架的工作阻力而言的，并與頂板的性質(zhì)有關(guān)。對于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護(hù)機道上方的頂板，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的80%。推溜力一般為 100KN 左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為 100kN～ 150kN,中厚煤層一般為 150kN～ 250kN,厚煤層一般為300kN～ 400kN。 支架間距和寬度的確定 所謂支架間距，就是相鄰兩支架中心線間的距離。 支架間距 bc 要根據(jù)支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節(jié)溜槽 。 本次設(shè)計 取 支架的中心距為 。 寬度的確定應(yīng)考慮支架的運輸安裝和調(diào)架要求 。 當(dāng)支架中心距為中厚煤層掩護(hù)式液壓支架總體設(shè)計分析及掩護(hù)梁設(shè)計 第 20 頁 共 65 頁 時，最小寬度一般取 1400～ 1430mm， 最大寬度一般取 1570～ 1600mm。在設(shè)計支架的底座長度時，應(yīng)考慮如下諸方面：支架對底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱，液壓控制控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作相行走，保證支架的穩(wěn)定性等。本次設(shè)計取底座長。這樣可使托梁鉸接點運動時與煤壁接近于保持等距，當(dāng)梁端距處于允許值范圍之內(nèi)時，借此可以保證梁端頂板維護(hù)良好。由于它處在隔離采空區(qū)的位置，故可以起到良好的擋矸作用 。 4. 提高支架穩(wěn)定性 鑒于四連桿機構(gòu)將液壓支架連成一個重量較大的整體，在支架承載階段，其穩(wěn)定程度較高。首先，支架在工作過程當(dāng)中，四連桿機構(gòu)必須承受很大的內(nèi)力，從而導(dǎo)致支架結(jié)構(gòu)尺寸的加大和重量的增加；其次，華北科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 21 頁 共 65 頁 由于四連桿機構(gòu)對頂板產(chǎn)生一個 水平力（又稱水平支撐力），因此對支架的工作性能將產(chǎn)生不良影響 。為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使 ??25p 。前后連桿上絞點之距與掩護(hù)梁的比值為 I?1 ～ 。 5. 應(yīng)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 31 所示的 h段。同時底板阻止底座向后移，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(hù)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。 四連桿機構(gòu)各部尺寸的 確定 1. 四連桿機構(gòu)各 部參數(shù) 四連桿機構(gòu)各 部參數(shù) 如圖 32 所示 ，圖中的 1H 為支架在最高位置時的計算高度。ae =G