立柱千斤頂工作特性仿真計(jì)算及剛度校核設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)畢業(yè)論文.doc

中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第1頁(yè)第1章前言液壓支架以液壓為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)升降、前移等運(yùn)動(dòng)，既能支撐又能維護(hù)頂板的支護(hù)設(shè)備，為采煤工作面綜合機(jī)械化的主要設(shè)備。和刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及膠帶輸送機(jī)等形成了一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了包括采、支、運(yùn)等主要工序的綜合機(jī)械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動(dòng)，不斷地將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。1.1立柱設(shè)計(jì)的意義我國(guó)是世界主要產(chǎn)煤國(guó)家，煤礦總數(shù)超過(guò)全世界其他所有國(guó)家煤礦的總和。綜采技術(shù)經(jīng)過(guò)30多年發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，高產(chǎn)高效礦井建設(shè)已初見(jiàn)成效。發(fā)展綜采技術(shù)是建設(shè)高產(chǎn)高效礦井的重要任務(wù)，加大技術(shù)改造力度，優(yōu)化工作面配套、提高設(shè)備可靠性、提高開(kāi)機(jī)率是高產(chǎn)高效礦井建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。我國(guó)自70年代初開(kāi)始大規(guī)模引進(jìn)國(guó)外綜采設(shè)備，發(fā)展綜合機(jī)械化采煤。與此同時(shí)，煤炭科學(xué)研究院及相關(guān)廠礦共同開(kāi)始了對(duì)液壓支架的科研和技術(shù)攻關(guān)，至80年代末，已先后研制成功薄煤層、中厚煤層、厚煤層和特厚煤層綜采成套設(shè)備和技術(shù)，基本上取代了進(jìn)口，促進(jìn)了煤炭工業(yè)的快速發(fā)展。到1997年全國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦綜合機(jī)械化程度已達(dá)到4838，相繼建成一批高產(chǎn)高效的礦井。國(guó)產(chǎn)綜采設(shè)備的水平有了較大的提高，一些技術(shù)指標(biāo)接近或達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。我國(guó)綜采設(shè)備已開(kāi)始打入國(guó)際市場(chǎng)，先后出口到美國(guó)、印度、土耳其、俄羅斯等國(guó)家。液壓支架是綜采工作面的重要設(shè)備之一，其投資約占綜采工作面成套設(shè)備總投資的70左右，其作用不僅是支護(hù)頂板、維護(hù)安全作業(yè)空間，而且要推移工作面輸送機(jī)和采煤機(jī)。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關(guān)鍵因素之一。液壓支架與滾筒采煤機(jī)(或刨煤機(jī))、刮板輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)及膠帶輸送機(jī)等形成了一個(gè)有機(jī)的整體，實(shí)現(xiàn)了包括采、支、運(yùn)等主要工序的綜合機(jī)械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動(dòng)，不斷地將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。在煤礦機(jī)械中液壓缸的應(yīng)用比較廣泛，掘進(jìn)機(jī)、采煤機(jī)的搖臂，刮板輸送機(jī)的可伸縮機(jī)頭部分的動(dòng)作都是靠液壓缸的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)，尤其是在液中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第2頁(yè)壓支架中，幾乎所有的動(dòng)作都是通過(guò)液壓缸（通常稱為立柱千斤頂）的往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。一個(gè)150米長(zhǎng)的綜采工作面，一般就有1000多個(gè)立柱千斤頂在工作，如果是放頂煤工作面，立柱千斤頂數(shù)量則更多。作為液壓系統(tǒng)地執(zhí)行元件立柱千斤頂數(shù)量龐大且往復(fù)運(yùn)動(dòng)次數(shù)多，容易出現(xiàn)問(wèn)題，維護(hù)和更換密封所需要的總時(shí)間就長(zhǎng)，直接影響了開(kāi)機(jī)率和工作面的推進(jìn)速度。所以，立柱千斤頂?shù)母呖煽啃允敲旱V綜采工作面高產(chǎn)高效的前提。隨著煤炭開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展和國(guó)家對(duì)煤炭開(kāi)采回收率的調(diào)控，液壓支架的開(kāi)采高度也向兩極化發(fā)展，薄煤層支架走向越來(lái)越低，中厚煤層支架走向越來(lái)越高，對(duì)支護(hù)強(qiáng)度的要求也越來(lái)越高，支架適應(yīng)的煤層傾角也越來(lái)越大，支架形式主要的發(fā)展趨勢(shì)是向兩柱掩護(hù)式和四柱支撐掩護(hù)式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進(jìn)一步完善，設(shè)計(jì)方法更先進(jìn)，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1.75m、2m)發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來(lái)越多地采用高強(qiáng)度鋼材，例如屈服極限69MPa以上的鋼板，支架的壽命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)達(dá)50000次。立柱千斤頂也隨之向大缸徑、大伸縮比發(fā)展，復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)立柱穩(wěn)定性的要求也越來(lái)越高。經(jīng)統(tǒng)計(jì)鄭煤機(jī)集團(tuán)近兩年生產(chǎn)的產(chǎn)品中，適用于大采高、大傾角、薄煤層的液壓支架占了70%左右。目前，國(guó)內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)MT313-92液壓支架立柱技術(shù)條件、MT97-92液壓支架千斤頂技術(shù)條件中對(duì)立柱千斤頂?shù)膶?shí)驗(yàn)要求相對(duì)寬松(表一)，總體低于國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)煤機(jī)企業(yè)的發(fā)展不僅僅局限于國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，還要搶占國(guó)際市場(chǎng)，產(chǎn)品的性能要經(jīng)得住國(guó)際上其他國(guó)家相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的檢驗(yàn)。立柱千斤頂結(jié)構(gòu)相對(duì)比較穩(wěn)定，進(jìn)而提出應(yīng)用現(xiàn)代化軟件和手段對(duì)千斤頂、立柱進(jìn)合理分組，建立立柱、千斤頂三維參數(shù)化模型，對(duì)千斤頂、立柱的安全系數(shù)、強(qiáng)度、穩(wěn)定性等進(jìn)行計(jì)算校核，并開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單易用的千斤頂、立柱的分析校核軟件，為優(yōu)化立柱、千斤頂結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)，提高設(shè)計(jì)效率和縮短加工制造過(guò)程，進(jìn)而為企業(yè)創(chuàng)造更大效益。表1-1：國(guó)內(nèi)立柱千斤頂強(qiáng)度試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)與歐洲標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比表MT97-92MT313-92EN1804-2千斤頂至最大行程，軸向以額定工作壓力150加載，保持5min立柱至最大行程，軸向以額定工作壓力150加載，保持5min工作油缸用其許可壓力的80%全部伸出，接著將壓力腔閉鎖住，然后用一個(gè)外力對(duì)工作油缸加載，外力大小為許可力的2.0倍或1.5倍(沖擊)千斤頂處于最大和最小長(zhǎng)度，分別立柱至全行程，活塞腔以額定泵壓立柱或支撐千斤頂伸出全長(zhǎng)的7080%且剩余行程立柱中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第3頁(yè)對(duì)活塞腔和活塞桿腔以額定泵壓125加載，保持5min125加載，保持5min100mm，千斤頂則30mm。用許可壓力的60%撐緊并將壓力腔閉鎖。接著用一個(gè)自由落下的物體對(duì)立柱和支撐千斤頂進(jìn)行二次沖擊的外加載，對(duì)立柱來(lái)說(shuō)，自由落體10000kg；對(duì)支撐千斤頂來(lái)說(shuō)1000kg。此時(shí)必須達(dá)到許可壓力值的1.5倍（5%）。壓力從初始值至所要求的最大值的升壓必須在最大為30ms內(nèi)實(shí)現(xiàn)。千斤頂活塞桿處于2/3行程處，活塞腔以額定泵壓200加載，保持5min立柱處于2/3全行程，以額定工作載荷200軸向加載，保持5min立柱至最大行程，在柱頭和缸底同側(cè)偏心30mm位置，以110額定工作載荷軸向加載，保持5min在柱頂側(cè)和柱底側(cè)用一種球形推力軸承系統(tǒng)來(lái)傳遞力，那么作用力只偏心加在柱頂側(cè)球頭半徑的0.3倍處。柱底側(cè)的支承軸承必須對(duì)應(yīng)于柱底形狀來(lái)設(shè)計(jì)。柱底支承軸承的直徑不得大于立柱或支撐千斤頂直徑的25%，壓力值需計(jì)算立柱至最大行程，軸向預(yù)加額定初撐載荷，以15kNm能量沖擊柱頭2次立柱和支撐千斤頂全部伸出，開(kāi)始時(shí)予加力為許可的立柱力和千斤頂力的10%。必須使立柱和支撐千斤頂?shù)膲毫η婚]鎖住。緊接著通過(guò)一個(gè)外力使立柱和支撐千斤頂加載至許可的立柱和千斤頂力。該力必須保持住3分鐘，而立柱和支撐千斤頂并不讓縮提拉點(diǎn)必須進(jìn)行加載檢驗(yàn)，直至達(dá)到許可力的4倍也不允許發(fā)生破斷。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀我國(guó)目前已經(jīng)形成一支有一定規(guī)模的從事液壓支架的設(shè)計(jì)、研究、制造和中國(guó)礦業(yè)大學(xué)2007屆本科畢業(yè)設(shè)計(jì)第4頁(yè)檢驗(yàn)的專業(yè)隊(duì)伍，積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，已經(jīng)開(kāi)發(fā)研制了多種適合我國(guó)煤礦不同生產(chǎn)地質(zhì)條件的液壓支架。支架最大高度已達(dá)6.3m，最小高度為0.5m；適應(yīng)最大傾角可達(dá)55；最大工作阻力達(dá)10800kN。不僅有用于一般工作面的液壓支架，還有用于放頂煤采煤、分層鋪網(wǎng)采煤等條件下的特種用途液壓支架。液壓支架的發(fā)展對(duì)立柱的長(zhǎng)度、缸徑、密封、型式等諸多方面提出許多新的要求，促使立柱的結(jié)構(gòu)更加合理和有了很大的發(fā)展。1.2.1結(jié)構(gòu)和功能(1)單伸縮立柱結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠，屬液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，調(diào)整高度方便，但調(diào)高范圍小，用在調(diào)高范圍不大的支架上，許多種放頂煤支架裝配單伸縮立柱。(2)機(jī)械加長(zhǎng)桿雙伸縮立柱結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，調(diào)高范圍較大，有液壓無(wú)級(jí)和加長(zhǎng)桿有級(jí)兩種調(diào)高方式，使用中經(jīng)常用液壓無(wú)級(jí)調(diào)高。操作人員需根據(jù)采煤工作面煤層厚度的變化及時(shí)調(diào)整機(jī)械加長(zhǎng)桿的高度（有級(jí)調(diào)高）以滿足支護(hù)要求，如果有級(jí)調(diào)高調(diào)整的不及時(shí)，會(huì)出現(xiàn)支架被壓死或頂空的問(wèn)題。調(diào)整加長(zhǎng)桿的高度費(fèi)時(shí)、費(fèi)力。多用于煤層厚度變化較大的中厚煤層支架上。(3)液壓雙伸縮立柱調(diào)高范圍大，屬液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，操作方便靈活，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工要求高，成本高。該類立柱多用于薄煤層和大采高支架上。由于該類某些缸徑立柱的中缸強(qiáng)度裕度偏小，遇有采煤工作面基本頂壓力顯現(xiàn)強(qiáng)烈時(shí)中缸有時(shí)會(huì)出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，損壞立柱。(4)三伸縮立柱一般為三級(jí)液壓無(wú)級(jí)調(diào)高，有的在雙伸縮立柱上加一段接長(zhǎng)桿，主要是為增加立柱的調(diào)高范圍，以滿足某些特殊結(jié)構(gòu)支架對(duì)立柱增加調(diào)高的要求。國(guó)外較早使用了這種立柱，其調(diào)高范圍很大，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，第三級(jí)缸內(nèi)壓力很高，對(duì)材料和加工都要求很高。目前中國(guó)還沒(méi)有研制這種立柱。(5)千斤頂?shù)男褪胶芏?，大多為單伸縮雙作用，個(gè)別為單伸縮單作用千斤頂。按進(jìn)、回液方式可分為外進(jìn)液和內(nèi)進(jìn)液千斤頂，大多為外進(jìn)液的。按活塞固定方式可分為固定活塞式和浮動(dòng)活塞式千斤頂，固定活塞式的占絕大多數(shù)，只有推移千斤頂中有一部分為浮動(dòng)活塞式的。按在液壓支架上的功能可分為推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千斤頂、護(hù)幫千斤頂、伸縮梁千斤頂、平衡千斤頂、防倒千斤頂、防滑千斤頂、調(diào)架