- 1 - ZY3200/14/34 掩護式液壓支架的設計 - 2 - 前 言 煤炭是工業的糧食，目前及在相當一段時期內，我國能源生產和消費結構中以煤炭為主的格局不會改變，且數量每年都在遞增，只有依靠科技進步，依靠煤炭生產的機械化和自動化才能滿足工業生產的這一需要。綜合機械化采煤方法是高效安全的采煤方法，而液壓支架是綜合機械化采煤方法中最重要的設備之一。 液壓支架在我國煤礦中的使用已有近三十年的歷史。從消化先進設備開始，到我國能獨立研究、設計的制作，我們已經積累了豐富的經驗。通過在學院函授站的學 習，使我對這一部分知識有了更加全面、更加系統的認識和了解，并利用畢業設計這個機會，對我礦井下工作面所用的液壓支架進行了選型和設計。由于自己的能力有限，經驗不足，再加上時間較緊，有不妥之處，希望能得到有關專家和老師的指正。 - 3 - 內容提要 ZY3200/14/34 掩 護 式 液 壓 支 架 的 設 計 ， 主 要 是 針 對*22313 工作面的煤層、圍巖情況及其配套設備進行選 型設計的一種實用液壓支架，它包括以下幾個部分： 通過介紹整個礦井的地質條件及工作面的實際情況，結合支架的發展情況及分類，對液壓支架進行了選型，并確定其基本 技術參數。 根據結構部件在整個液壓支架中承載情況及作用，詳細對支架的頂梁、四連桿機構、側護板、底座、立柱、各種千斤頂等部件進行了結構設計，確定了其整體結構尺寸。重點對立柱做了結構、技術參數說明，并根據其承載的工作阻力對立柱的穩定性，活塞桿和缸體的強度進行了校驗。 介紹了該支架液壓系統的特點，詳細說明了立柱、各種千斤頂系統的基本控制回路及它們的工作原理，并對泵站液壓元件、液壓管路進行了選型。 - 4 - 目 錄 第一章 概論 1 第二章 液壓支架結構尺寸的設計 第三章 液壓支架部件的 設計 第四章 立柱的強度校核 第五章 液壓支架的液壓系統設計 結 論 謝 辭 參考文獻 - 5 - ZY3200/14/34 掩護式液壓支架的設計 第一章 概論 一、礦井的 概述 *礦是一座年產 180 萬噸的大型機械化礦井，生產裝備先進，技術力量雄厚，采、掘機械化程度達到 100%， 井田含煤地層時代為 c-p，總厚 210 米，其中有 19 層煤，煤層總厚21 米 ，含煤系數 10%，可采和部分可采煤層 8 層，厚 17.30米，可采含煤系數為 8.2%。 二、支架的發展情況 在煤礦開采的過程中，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作業正常進行，必須對頂板進行支護。目前回采工作面使用的支護設備有金屬摩擦支柱，單體液壓支柱和自移式液壓支架，前二者統稱單體支護設備，與金屬鉸接頂梁配套使用，支撤和移動都靠人工操作，故勞動強度大，安全性較差，支撤速度慢，工作面產量和效率較低，隨著采煤機械化程度的提高，促使了支護設備的迅速發展， 1954 年，英國首先裝備了世界上第一個使 用液壓支架的綜采工作面，把回采工作面的支護技術推進到一個新的階段。 液壓支架是以高壓乳化液為動力，使支架的支撐、切頂、- 6 - 移架和推移輸送機等工序全部實現了機械化，具有支護性能好，強度高，移架速度快，安全可靠等優點，液壓支架與可彎曲輸送機、采煤機組成綜合機械化采煤設備，它的應用對增加采煤工作面產量提高勞動生產率，降低成本，減輕工人的體力勞動和保證安全生產是不可缺少的有效措施。 三、液壓支架的選型 22313 工作面 是北高南低的單斜構造，傾角 5 度左右。老頂為細砂巖結構，厚 15 米，直接頂偽頂為粉砂巖結構，較破碎，易垮落 厚 0.1-1 米。直接頂為粉砂巖結構厚 5.4 米。直接頂屬中等穩定類，老頂屬于來壓明顯級，直接頂初次跨落步距一般不小于 15 米，老頂初次來壓步距一般不小于 30米，周期來壓步距一般為 10 米左右。在正常回采階段，直接頂一般無懸頂或懸頂很小，隨放頂能夠及時垮落，且垮落后矸石基本能夠充滿采空區，因此，本工作面采用全部 垮落管理頂板。 根據老頂級別和直接頂類型， 查液壓支架設計表 2-5確定架型為支頂掩護式支架，二立柱支在頂梁上，平衡千斤頂設在頂梁和掩護梁之間。 如圖所示。 掩護式支架是利用支柱、頂梁和掩護梁來支護頂板和防止巖 石冒落進工作面，掩護式支架都有一個寬大的掩護梁將- 7 - 作業空間與采空區冒落的矸石隔絕，掩護梁下端一般用前、后連桿與 底座相連，以保持較穩定的梁間距和承受水平推力，少數調高范圍小的支架也有掩護梁直接鉸接在底座上的，掩護梁上端用直接鉸接的方式與頂梁連接，立柱的支撐力通過掩護梁間接作用于頂梁或直接作用于頂梁，掩護式支架的立柱只有一排，且傾斜支撐，以增大支架的調高范圍，架間則通過活動側護板互相靠攏，間密封，通常頂梁較短，一般在 3m 左右。 這種支架的性能特點是：支撐力小，切頂性能強，但支撐力集中作用于機道 上方的頂板上，故支護強度較大，且均勻，對頂板的重復支撐次數少，密封掩護性好，能承受較大的水平力，且允許帶壓移架。由于立柱傾斜布置，且頂梁又- 8 - 較短，所以工作空間和通風斷面較小。 四、液壓支架基本參數的確定 1、支護強度和工作阻力 頂板所需的支護強度取決于頂板的等級和煤層厚度，由22313 工作面老頂級別和采高 為 3 米時 可確定該支架支護強度， Q=1.3*35=45.5T/M 綜合考慮掩護式液壓支架的支撐效率可以確定支架的工作阻力為 3200KN。 2、初撐力 初撐力大小對支架的支護性能和成本都有很大影響，較大的初 撐力能使支架較快的達到工作阻力，減慢頂板的早期下沉速度，增加頂板的穩定性，但對乳化液泵站和液壓元件的耐壓要求也將提高，一般取初撐力為（ 0.6 0.8）倍的工作阻力，本支架初撐力確定為 2600KN。 3、移架力和推溜力 移架力與支架的結構、質量、煤層厚度、頂板性質有關，一般中厚煤層液壓支架移架力為 150 300KN,我們利用活塞式推移千斤頂移架力可達 359KN，推溜力為 271.5KN。 4、支架高度 - 9 - 考慮到頂板有偽頂冒落，或可能局部冒落，支架的最大高度應是煤層最大開采高度再加 200 300mm，最小高度應為煤 層最小開采高度減去頂板周期來壓時的最大下沉量，移架時支架的下降量和頂梁架上、底座下的浮矸厚度等之和，本支架最大高度確定為 3400mm，最小高度確定為 1400mm。 5、支架間距 支架間距要根據支架型式來確定，但由于每架支架的推移千斤頂都與工作面輸送機的一節溜槽相連，因此目前主要根據輸送機溜槽每節長度及槽幫上千斤頂連接塊的位置來確定，我國刮板輸送機溜槽每節長度為 1.5m，千斤頂連接塊位置在溜槽中長的中間，所以，支架間距一般為 1.5m。 五、配套設備與要求 1、乳化液泵站 : 壓力 P=31.4Mpa 流 量 Q 751/min 2、采煤機 : 采用國產 MG-350W 型雙滾筒采煤機，要求采高 1.8-3.0m截深 600mm，窄底托架（加高）。 3、工作面運輸機 ： 采用國產 SGB-764/400 雙鏈刮板輸送機，支架與運輸機直接相連，因此要求溜槽連接部位能承受 30t 的拉力，生產- 10 - 能力為 400t/h 4、順槽運輸機 ： 要求與工作面運輸機、轉載機運輸能力相適應，不能小于 350t/h,采用 SD-80 型伸縮膠帶輸送機 。 第二章 液壓支架結構尺寸的設計 一、頂梁尺寸的確定 長度的確定 頂梁的長度與支架工作方式、配套尺寸等有直接 關系。我礦井下采煤采用及時支護方式，先移架后推溜，支架要超前輸送機一個步距，以便采煤機過后，支架能及時前移，支控新暴露的頂板，因此，頂梁的長度要比先推溜后移架時長一個步距，為 600mm，同時考慮到采煤機截割時不一定把煤壁截割成一個垂直平面，所以在設計時，要求頂梁前端距煤壁最小距離為 300mm 的空頂距，為了防止采煤機截割煤壁不齊，給推移輸送機鏟煤板前留有一定的距離，一般為 135-150mm，以上所有配套設備包括采煤機、輸送機均要在頂梁掩護之下，綜合考慮，前梁長度確定為 2100mm，立柱上支點距頂梁與掩護梁鉸 點距離為 900mm，頂梁總長為3m。 頂梁的寬度 應根據頂梁的性質來確定，寬度大，雖可加快移架速度，提高支架的穩定性，但對頂板適應性差，架- 11 - 間距為 1.5m 的支架 ,頂梁體寬度一般不小于 1.4m,選定為1.4m。 二、四連桿機構的確定 掩護梁通過兩個連桿與底座聯接，形成四連桿機構。因掩護式支架設計四連桿機構是為了當支架由高到低變化時使支架頂梁前端點與煤壁間距離變化減小，同時使支架能承受較大的水平力，這就決定四連桿機構動作過程具有如下特征： 1、支架高度在最大和最小范圍內變化時，如圖所示，頂梁端點運動軌跡的最大寬 度 e 應小于或等于 70mm，最好為 30mm 以下。 四連桿結構的幾何特征 2、支架在最高位置和最低位置時，頂梁與掩護梁的夾角- 12 - P 和后連桿與底平面的夾角 Q，應滿足如下要求：支架在最高位置時， P =52 62 度， O =75 85 度；支架在最低位置時， P =25 度， O =25 30 度。 3、 掩護梁與頂梁鉸點和瞬時中心 O 的連線與水平線的夾角 ，要使 tg P 式中： PK： 立柱的穩定極限力 ; P： 立柱的最大工作阻力 J12： 加長桿與中缸當量慣性距 設： J1, J2, J3 分別為加長桿，中缸、外缸的斷面慣性矩； d1, d2, d3 分別為加長桿直徑及活塞桿的內、外徑 ； D1, D2 分別為外徑的外徑、內徑 ； - 24 - J12 為加長桿與中缸的當量慣性矩 ； 則： d1= 180mm=18cm d2= 220mm=22cm d3= 180mm=18cm D1= 273mm=27.3cm D2= 230=23cm J1= d14/64=3.14184/64=5150.385 J2= (d24-d34)/64=3.14(224-184)/64=6342.8 J3= (D14-D24)/64=3.14(27.34-234)/64=13522.419 J12=(L1 +L2 )/(L1 /J1+L2 /J2) L12= L1 +L2 式中： L1 ： 加長桿全部伸出時，其端部銷孔至加長桿與中缸連接處間距； L2 ： 中缸全部伸出時，加長桿與中缸連接處至中缸與外缸連接處間距； L12： 加長桿端部銷孔至最大撓度處間距。 已知： L1 =770mm=77cm L2 =961mm=96.1cm 則： L12= L1 +L2 =77+96.1=173.1mm J12=(L1+L2)/(L1/J1+L2/J2) =(77+96.1)/(77/5150.39+96.1/6342.80 =5770 - 25 - J3/J12=13522.4/5770=1.53 L3 /L12=95.3/173.1=0.55 （ L3 ：中缸全部伸出，中缸與外徑連接處至缸底銷孔之距； 已知 L3=95.3cm） 根據： J3/J12 及 L3/L12 查放頂煤開采技術與放頂煤液壓支架圖 2-10-39 極限力計算圖可得： PK/J12 18 PK1= ( PK/J12)2J12=1825770=1869480KN3220KNP 則：立柱穩定性符合條件，滿足要求。 二、活塞桿強度驗算： 在承受同心最 大軸向載荷時，立柱的初始撓度 1 為： 1=（ 1+ 2） *L12*L3/2al+G*L12*L3/2pl*cos 式中： 1 活塞桿與導向套處的最大 配合間距； 2 活塞與缸體處的最大配合間隙； a 活塞桿全部外伸時，導向套前端到活塞末端距離； L 加長桿全部伸出時，加長桿頭部 銷孔至油缸尾部銷孔的距離： L=L1+L2+L3 - 26 - G 立柱總重； 油缸軸線與水平面夾角。 已知： 1=1mm=0.1cm 2=1mm=0.1cm L12=173.1cm L3=95.3cm L=L1+L2+L3=268.4cm =90 -22 =68 G=585kg 代入上式： 1= （ 0.1+0.1 ） *173.1*95.3/ （ 2*20*268.4 ） +（ 585*173.1*95.3） /（ 2*3200*268.4） *cos68 =0.31+5.62*0.375=2.42 立柱的最大撓度 ： 當 L/d15,L12 L3 或 J31.4 所以缸體強度滿足使用要求。 三、 缸體的強度驗算： 缸體壁厚驗算： 缸體壁厚： s=(273-230)/2=21.5mm=2.15cm D/ s=230/21.5=10.7 當 16D/ s3.2 時按中等壁厚的缸體公式計算。 由 s =PS*D/2.3 -PS +C 式中： PS：油缸內工作壓力。 C：計入管壁公差及侵蝕的附加厚度， - 29 - 一般取 C=0.2cm :強度系數。無縫鋼管 =1 由上式得： =PS/2.3+PS*D/2.3（ s-C） =16.4+193.3=209.7 缸體材料為 27SiMn 無縫鋼管時： b=980MPa n一般取 3.5-4 安全系數為： n= b/ =980/209.7=4.674n 所以缸體壁厚滿足 使用 要求 。 缸體與缸底焊縫強度按下式計算： =10P/（ /4） *（ D02-d02） 式中： d0：環形焊縫內徑； D0：環形焊縫外徑； ：焊接效率，取 0.7 代入數值： =10*3200*4/3.14*（ 27.32-232） *0.7 =119.4MPa 焊縫抗拉強度 b=539MPa 安全系數： n= b/ =539/119.4=4.54n - 30 - 所以焊縫強 度滿足使用要求。 第五章 液壓支架的液壓系統設計 一、 液壓支架的液壓系統簡介： 液壓支架由不同數量的立柱和千斤頂組成，采用不同的操縱閥以實現升柱、降柱、移架、推溜等動作，雖然支架的液壓缸（立柱和千斤頂）種類、數量很多，但其液壓系統都是采用多執行元件的并聯系統。 液壓支架的液壓傳動，采用容積式液壓傳動，它具有如下特點：工作液的壓力高（管路內的壓力達 20 40MP，立柱內的壓力達 30-70MP）流量大（ 35-140L/min）；在液壓系統中采用粘度低，容量大的液體乳化液作為工作介質；液壓缸，操縱閥，其它調節 和控制裝置等總的數量大；很長的液壓管路（ 200-300m 缸性管， 500-3000m 高壓軟管）；泵和液壓缸傳動系統的換算彈性模數較低；所有支架在結構上都有著相同的液壓缸、液壓裝置以及他們之間都有相同的聯接方式即相同的液壓系統，為了保證系統具有較高的容積效率實現無故障作業及工作人員的安全，液壓系統的元件和部件要有好的密封性和可靠性。 - 31 - 液壓支架是以單節支架為單元的，工作面支架和端頭支架的液壓系統成為液壓支架的基本組成部分。可以把泵站，中心控制臺和支架的液壓管路等部分作為支架的公用液壓系統，其中每個部分都具有其 獨立的功能，可以單獨控制。 該支架液壓系統由泵站、工作機構，控制機構和管路四大部分組成： 泵站：由高壓柱塞泵，電機，油箱等組成。 執行機構：由立柱，各種千斤頂組成。 控制機構：由控制閥組，雙向鎖、單向鎖、操縱閥組等組成。 管路：包括各種高壓軟管，各類直通、三通、四通、彎頭、 U 形卡等。 主要特點如下： 1、鄰架控制，管理簡單，操作安全，維護方便。 2、采用統一的高壓供液系統，工作壓力為 31.4MP，大大提高了支架的初撐力，有利于管理頂板，同時縮小了千斤頂的缸徑，結構緊湊并有利于結構設計，還減輕了重量。 3、為 了簡化系統，推移千斤頂不設單向閥。但為了避免移架時輸送機被往回拉，移架時可將鄰架操縱閥手把板到推溜位置。 - 32 - 4、管路聯接均采用快速接頭結構，規格有 32 、 25 、 19、 13、 10 五種。 5、工作液為 3%MDT 乳化油和 97%中硬以下水的乳化液。 二、液壓支架的基本控制回路 （一）、立柱的基本控制回路系統 液壓支架的升降是依靠立柱來實現的，支架的立柱分別由兩片操縱閥分別控制，為單柱控制回路。如圖所示。該回路中設一個液控單向閥、一個安全閥，一個操縱閥，用以控制與操作立柱的升、降動作，并保證立柱的閉鎖限 壓特性。 將操縱閥置于上閥位（升架位置），由乳化液泵站來的高壓液經操縱閥和液控單向閥進入立柱下腔，立柱上腔回液，支架升起接頂，操縱閥移到中間位，液控單向閥關閉，立柱下腔液體被封閉，隨著頂板的下沉，立柱下腔內的液體壓力逐漸升高，當升至安全閥的調定壓力時，安全閥開啟溢流，使立柱下腔內液體壓力保持定值，從而支架對頂板的支撐力不變。 當采煤機截煤過后，欲將支架移到新的位置，需將操縱- 33 - 閥置于下閥位（降架位置），高壓液進入立柱上腔，同時，打開液控單向閥。立柱下腔與回液管連通，支架下降。 （二）千斤頂的基本控制回路 系統 平衡千斤頂的基本控制回路為雙向鎖緊限壓回路。如圖所示。 它由一片操縱閥控制兩個平衡千斤頂，每個千斤頂回路中設兩個液控單向閥，分別控制千斤頂的前后兩腔，因兩腔油路都有可能成為承載腔，它推頂梁或拉頂梁，使頂梁停留在需要的位置以調節支撐力的作用位置，來適應不同的頂板條件。兩個安全閥用以限壓。 將操縱閥置于上閥位，高壓液體分別經液控單向閥進入千斤頂下腔，同時，打開上腔的單向閥，使之與回液管相通，千斤頂伸出，頂梁頂緊。操縱閥置于下閥位時，則相反，上- 34 - 腔進液，下腔回液，千斤頂縮回。當管路中的液 體壓力值大于安全閥調定壓力時，安全閥開啟溢流，保持千斤頂兩腔壓力值不變，對千斤頂起保護作用， 護幫千斤頂亦裝有雙向液壓鎖，一個安全閥，單向閥鎖緊護幫板，使護幫板保持在緊貼煤壁上不動，不經操作護幫板不能自動下降。安全閥用以限壓。 推移千斤頂由一片操縱閥控制來實現推移輸送機和支架的移動。移架時，先使支架卸載，立柱下腔回液，再將操縱閥置于下閥位（移架位置），工作液體進入推移千斤頂活塞桿腔，后腔回液，此時，支架以輸送機為支點前移，此后，再把支架撐緊在頂底板之間，將操縱閥置于上閥位（推溜位置），工作 液體進入活塞腔，前腔回液，此時，以支架為支點就將輸送機推向煤壁。 - 35 - 兩個頂梁千斤頂由一片操縱閥控制，兩個掩護梁側護千斤頂和兩個后連桿側護千斤頂由一片操縱閥統一控制。側護千斤頂和彈簧筒共同支撐活動側護板。 三、泵站及各種液壓元件的選型 泵站 液壓系統重要的組成部分，它向液壓系統輸送高壓乳化泵，從而保證液壓支架所有執行機構的功能。高壓泵是泵站的核心，本工作面選用的乳化液泵為 WRA200/31.5，其壓力為 315.Mpa，流量 200L/min。為了使泵站正常工作，設有安全閥、蓄能器、截止閥等。 操縱閥 是一 個配液閥，它可以把高壓液體分配到需要的部位完成升柱、降柱、推溜或移架等動作。該系統采用 ZC（ A）型和 ZMHX250/40 大流量組合操縱閥，由多片組成。本支架操縱閥由 9 片和配液板組成。其中 3 片為大流量閥，每片都有兩個工作腔。每個工作腔內的閥柱、缸球，閥座、閥墊等液壓元件都是相同的，每片的操縱手把都有兩個可自鎖的工作位置，一個零位。 組合操縱閥的特點是能同時操作兩片以上的閥片，可以滿足實現復合動作的要求，此閥操作靈活，方便，移架迅速，制作容易。 液控單向閥 在液壓系統中，只能使工作液一個方向流- 36 - 動，不能逆流 ，用以閉鎖液壓缸中的液體，使之承載。我們采用國產定型的 ZDFY200/40A 球型液控單向閥。此閥由閥體、頂桿、閥套、閥座及減震閥等組成。短堵有 M27*15 螺孔，用于外接安全閥，特點是結構簡單，動作靈活，耐高壓等。 雙向鎖 在結構上是由兩個液控單向鎖組合而成，可以閉鎖千斤頂的兩個工作腔，使之承載。本機選用 ZDFS01 型液控雙向鎖，其內部零件除頂桿和閥體外，其余均采用 KDF2球型液控單向閥的零件，便于更換零件和檢修。 安全閥 可使立柱保持恒定工作阻力；當頂板壓力超過支架工作阻力時，使立柱工作腔的液體釋放，不 僅保證恒定工作阻力，同時起過載保護作用；液體壓力未達到額定釋放壓力時，為常閉，起密封作用。我們采用國產定型的 ZDFA32/50柱塞式安全閥，此閥結構簡單，維護方便，性能可靠。 截止閥 采用國產定型的 ZDFJ300 平面截止閥，裝在主進油管和操作閥之間。關閉此閥即可切斷該支架進液路，便于檢修，更換元件，而不影響其它支架的正常工作。此閥特