畢業(yè)設計 放頂煤液壓支架設計.doc

中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第1頁目錄1緒論.11.1液壓支架發(fā)展歷史.41.2我國液壓支架的發(fā)展.51.3放頂煤開采工藝及放頂煤液壓支架.61.3.1放頂煤采煤方法的發(fā)展.61.3.2放頂煤液壓支架發(fā)展及特點.71.4液壓支架的組成.111.5液壓支架的支護方式.111.6液壓支架的工作原理.111.6.1支架升降和推移.121.6.2支架的承載過程.131.7采煤工作面液壓支架設計要求和設計必要的基本參數(shù).141.7.1采煤工作面對液壓支架的設計要求.141.7.2液壓支架設計的基本參數(shù).141.8本文做的主要工作.152液壓支架整體結(jié)構(gòu)設計.152.1支架主要尺寸的確定.152.1.1支架的高度和支架的伸縮比.152.1.2支架間距和寬度的確定.162.2支架四連桿機構(gòu)的確定.172.2.1四連桿機構(gòu)的作用.172.2.2四連桿機構(gòu)設計的要求.182.3四連桿機構(gòu)的設計.192.3.1四連桿機構(gòu)的電算法.202.3.2四連桿機構(gòu)的作圖法.292.4頂梁長度的確定.292.4.1支架工作方式對頂梁長度的影響.292.4.2頂梁長度計算.303放頂煤液壓支架主要結(jié)構(gòu)設計.313.1支架主要部件的設計要求.313.2前梁的設計.323.2.1伸縮式前梁（圖3.1）.323.2.2挑梁式前梁（圖3.2）.323.3頂梁的設計.333.3.1中四連桿機構(gòu)的頂梁（圖3.3）.333.3.2后四連桿機構(gòu)的頂梁.343.4底座的設計.34中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第2頁3.4.1中四連桿機構(gòu)的底座（圖3.4）.343.4.2后四連桿機構(gòu)的底座（圖3.5）.353.5掩護梁和連桿的設計.353.6推移機構(gòu)的設計.363.7放煤口及放煤機構(gòu)的設計.363.7.1中四連桿機構(gòu)的放煤機構(gòu)設計.363.7.2后四連桿機構(gòu)的放煤機構(gòu)設計.373.8噴霧降塵系統(tǒng)的設計.393.8.1噴霧降塵系統(tǒng)的組成.393.8.2設計原則.403.9液壓系統(tǒng)的設計.403.9.1液壓系統(tǒng)的特點.403.9.2支架的工作機構(gòu).413.9.3控制系統(tǒng).423.10液壓支架的主要技術(shù)參數(shù).423.10.1支護面積.423.10.2支護強度和支護效率.423.10.3ZFS5000/32/47放頂煤液壓支架性能參數(shù)一覽表.434立柱結(jié)構(gòu)設計和強度計算.464.1單伸縮立柱缸徑和工作阻力的確定.464.1.1單伸縮立柱缸徑的確定.464.1.2泵站壓力的確定.474.1.3立柱初撐力的計算.474.1.4立柱工作阻力的計算.474.1.5立柱缸體壁厚的計算.484.2立柱強度和穩(wěn)定性驗算.484.2.1立柱缸體強度驗算.484.2.2立柱穩(wěn)定性驗算.494.2.3立柱活塞桿強度驗算.514.2.4立柱的縱向彎曲穩(wěn)定性計算.545液壓支架受力分析.565.1概述.565.1.1支架工作狀態(tài).565.1.2計算載荷的確定.565.2支架受力分析與計算.575.2.1前梁的受力分析與計算.585.2.2放煤機構(gòu)的受力分析與計算.595.2.3主頂梁的受力分析與計算.605.2.4掩護梁的受力分析與計算.62中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第3頁5.2.5前連桿的受力分析與計算.635.2.6后連桿的受力分析與計算.635.2.7底座的受力分析與計算.635.3頂梁的載荷分布.655.4底座接觸比壓.676液壓支架強度計算.696.1強度條件.696.2前梁強度校核.706.3頂梁強度校核.746.4掩護梁強度校核.796.5底座強度校核.826.6前連桿強度校核.866.7后連桿強度校核.896.8放煤尾梁強度校核.916.9各結(jié)構(gòu)件連接處的強度計算.917液壓支架的現(xiàn)代設計方法和發(fā)展趨勢.947.1液壓支架的研究途徑.947.3液壓支架的發(fā)展趨勢.957.4本文存在的問題.96結(jié)論.98參考文獻.100翻譯部分.101英文原文（見參考文獻19.P157）.101SELF-ADVANCINGHYDRAULICPOWEREDSUPPORTS.101FRAME.102CHOCK.104SHIELD.105中文譯文.107致謝.112中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第4頁1緒論我國煤炭儲量十分豐富，1979年世界能源會議估計我國煤炭資源為15000億噸，其中煤層厚度大于3.5米的厚煤層占40%左右。從采煤工藝看，我國1972年開始裝備綜合機械化采煤，至1990年已經(jīng)達到29.8%。當時對厚度在3.55米的煤層多采用一次采全高工藝，特別是大采高支架，平均單產(chǎn)可超過3萬噸，最高超過6萬噸，最高月產(chǎn)142211噸。然而，對于厚度大于5米的特厚煤層的開采，存在著產(chǎn)量低、效率低、勞動強度大、安全差等問題，盡管分層開采技術(shù)較為成熟，但其成本高、工序多，影響效率。1.1液壓支架發(fā)展歷史歷史地來看，大約在四五十年前回采工作面還是采用木支柱。隨著刨煤機、鉆削式和滾筒式采煤機等快速采煤機的使用,木支柱既不能對頂板提供足夠大的阻力，其支設和回收亦難滿足連續(xù)采煤的要求。于是，剛性木支柱被可壓縮性摩擦和液壓支柱所代替，并以支柱加鉸接頂梁的結(jié)構(gòu)形式支護回采工作面。1954年，英國研制出垛式支架。它主要由安裝在矩形整體底座上的立柱和頂梁組成。幾個月后，英國奧爾蒙德煤礦的低主煤層的整個工作面都裝備了這種支架。這就是世界上首個裝備液壓支架的采煤工作面。從此，開創(chuàng)了煤炭工業(yè)的新時代。1958年法國試驗成功了節(jié)式支架。五十年代末，為開采煤層厚超過2m的松散和破碎頂板條件下的褐煤，前蘇聯(lián)開始研制掩護式液壓支架，并于1961年在阿樂斯-科拖舉辦的貿(mào)易展覽會上展出了OMKT型掩護式支架。這種支架頂梁很短，僅0.8m，并與掩護梁鉸接，單根朝前傾斜液壓支柱連接著掩護梁和底座。當支架在其工作高度范圍內(nèi)升降時，頂梁頂點相對于煤壁作圓弧運動。這樣，不僅影響了支架的承載能力，而且端面距變化很大，不利于頂板的維護。但比起垛式和節(jié)式支架，掩護式支架能有效的控制頂板，防止開采過程中矸石滲入工作面，工作能力很好。為了保持頂梁端點相對于煤壁作近似的直線運動，在OMKT型掩護式支架的基礎(chǔ)上作了許多改進：1.利用支架滑架，即把支撐掩護梁的支座利用千斤頂沿滑架向前移動一個位置，以補償由于立柱升高時端面距加大的差值。中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第5頁2.利用伸縮頂梁，即當立柱升高時，在頂梁里利用千斤頂將頂梁伸出，以保持端面距基本不變。3.將四連桿機構(gòu)應用于支架結(jié)構(gòu)設計之中，研制出具有四連桿機構(gòu)的液壓支架，不僅從根本上解決了端面距變動大和支架不能承受水平力的問題，而且開辟了液壓支架設計的新時代。4.1964年，英國國家煤炭局實施液壓支架試驗規(guī)范；1965年，F(xiàn).Dobson等人研制的剛性底座都促進了液壓支架的進一步發(fā)展。60年代末和70年代初，隨著液壓支架在歐洲使用經(jīng)驗的日益增加，支架結(jié)構(gòu)也發(fā)生了巨大變化。長頂梁、二柱、四柱以及多柱四連桿機構(gòu)的液壓支架相繼問世。并且，為適應底板不平，底座采用分離鉸接式結(jié)構(gòu)；對于松軟底板，為減小底板比壓，采用接觸面積較大的底座；為防止碎矸竄入采區(qū)，采用了各種防竄矸的掩護裝置。1974年，英國國家煤炭局實施的“高科技采礦工程”推動了液壓支架及采煤設備的進一步發(fā)展。這項工程要求在選擇工作面綜合采煤設備時，必須采用最先進的設備和開采工藝，以提高煤炭產(chǎn)量和改善作業(yè)環(huán)境。進入70和80年代，液壓支架又有了新的發(fā)展。頂梁不僅實現(xiàn)了“立即前移支護”，而且整個支架安裝了電液控制系統(tǒng)實現(xiàn)微機控制與操作。1981年杜賽爾多夫采礦展覽會上，展出了液壓連桿式液壓支架和具有液壓調(diào)高機構(gòu)的掩護式支架，并研制出采高為6m的大采高支架及放頂煤支架；對于堅硬巖層設計了強力液壓支架等。1.2我國液壓支架的發(fā)展我國研制液壓支架起步也不算晚。1959年10月，原北京礦業(yè)學院設計了三種液壓支架。1961年設計了“本溪-型”支架，并制造出樣機進行井下試驗。1965年北京煤炭科學院和鄭州煤礦機械廠協(xié)作制造出仿英支架。1967年，太原煤炭研究所首次研究出四組邁步式支架，經(jīng)修改后于1972年由鄭州煤礦機械廠制造，并進行井下試驗。1970年又為大同礦務局設計了TZ-140型支架，在此基礎(chǔ)上研制出TZ-支架，開發(fā)了TZ-IB、TZ-、TZ-、TZ-和TZ-型等液壓支架。1973年，北京煤礦機械機械廠生產(chǎn)出第一套BZZ垛式支架，在陽泉礦務局使用。它是發(fā)展我國液壓支架的起點。此外，有關(guān)院校、研究所和制造廠合作，還研制出一批較有成效的液壓支架，如ZY-3、WKM-400、BZZB、KD-280和FX-440等。這些液壓支架由于受到多種因素的限制，雖然使用效果不佳，幾乎全被淘汰，但為后來研制和開發(fā)更好的架型提供了寶貴的經(jīng)驗。1974中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第6頁年和1979年，我國先后從英國、原聯(lián)邦德國、波蘭三國的五大公司進口了48套和100套綜采設備。國外先進支架的引進，促進了國產(chǎn)液壓支架設計和制造水平的明顯提高。到1983年末，全國在籍的各類支架共31990架。其中，國產(chǎn)支架64套，其性能質(zhì)量和使用效果都是早期支架所不能比擬的。從70年代至今，光煤炭科學研究總院北京開采所共研制出30余種不同結(jié)構(gòu)型式的液壓支架。架型包括：支撐式、掩護式和支撐掩護式，還有特殊采煤工藝用液壓支架，如放頂煤支架，水砂填充支架及端頭支架等。其中，20多種支架已通過鑒定，五種支架獲獎。總之，我國液壓支架是從50年代末開始著手研制，經(jīng)歷可研制試驗、引進、仿制和改進創(chuàng)新等階段，直到現(xiàn)在的獨立設計階段。目前，除液壓支架電液控制和支架計算機輔助設計與繪圖方面落后于國外，其他方面均以達到國外同期水平。1.3放頂煤開采工藝及放頂煤液壓支架放頂煤綜采近年來在我國得到迅速的發(fā)展。放頂煤綜采技術(shù)的推廣使用，擴大了綜合機械化開采的使用范圍，簡化了礦井的采掘系統(tǒng)和生產(chǎn)組織，大幅度地提高了綜采工作面的勞動生產(chǎn)率和產(chǎn)量，降低了煤炭的生產(chǎn)成本，在煤礦生產(chǎn)上取得了顯著的技術(shù)和經(jīng)濟效益。1.3.1放頂煤采煤方法的發(fā)展放頂煤采煤方法，就是在開采煤層的底部，或在特厚煤層中部位置，布置采煤工作面，利用工作面礦山壓力的作用或輔以爆破等方法，將頂煤破碎并促使其垮落，而后將垮落的頂煤由工作面后方或工作面支架前方放出。放頂煤采煤方法在很早以前就用于開采厚煤層。如我國以前使用過的高落式采煤法就屬于這種采煤方法。在當時，放頂煤開采是不正規(guī)的，完全手工式的，而且煤炭損失特別大，長期以來受到嚴格限制。還有倉儲式采煤法、倉房式采煤法也都屬于早期的放頂煤開采方法。隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，特別是煤礦支護設備的發(fā)展，放頂煤采煤法已經(jīng)發(fā)展成為一種正規(guī)的采煤方法。放頂煤開采方法的應用條件，也由開采殘留煤柱、極不穩(wěn)定的特厚煤層，發(fā)展到穩(wěn)定的各種傾斜煤層的常規(guī)工作面，特別是賦存穩(wěn)定的長臂工作面的開采。放頂煤開采方法按工作面的巷道布置方式可分為：緩傾斜、傾斜特厚煤層中國礦業(yè)大學2006屆本科生畢業(yè)設計第7頁預采頂分層煤（鋪網(wǎng)或不鋪網(wǎng)）放頂煤開采法；緩傾斜、傾斜特厚煤層預采中間層放頂煤采煤方法；緩傾斜、傾斜特厚煤層一次采全厚放頂煤采煤法；急傾斜特厚煤層水平分段放頂煤采煤法。按放頂煤工作面的回采工藝方式可分為：炮采放頂煤開采；普通機械化放頂煤開采；綜合機械化放頂煤開采。放頂煤工作面的機械化程度與普通的采煤工作面一樣，也經(jīng)過了緩慢的發(fā)展過程。其主要體現(xiàn)在落煤、支護、放頂煤和運煤等方式四個方面。落煤方式由手鎬、風鎬、炮采發(fā)展為機采（采煤機或刨煤機）；支護方式由木支護、金屬摩擦支柱、單體液壓支柱、滑移頂梁支架發(fā)展為放頂煤液壓支架；放煤方式由手工落、裝發(fā)展為雙輸送機?；夭上锏纼?nèi)運輸也由運量較小的刮板輸送機發(fā)展為運量大、運距長的帶式輸送機運煤；工作面的作業(yè)方式也由采、放輪流作業(yè)，發(fā)展為采、放平行作業(yè)，大大提高了工作面的產(chǎn)量和效率。下面重點介紹低位放頂煤綜采：低位放頂煤綜采的顯著特征是支架的放煤口位置低、尺寸大。而且是連續(xù)的，多為插板式，無脊背煤炭損失，支架的四連桿機構(gòu)置于支架中間，后輸送機置于支架拖板上或直接在底板上。低位放頂煤綜采的主要優(yōu)點為放煤在支架后下方，放煤效果好，煤塵小。后輸送機外運煤炭順利，一般不需清理后方浮煤。支架尾梁還可以擺動，以利提高頂煤的回收率。但低位放頂煤支架的穩(wěn)定性差，工作面端頭的維護較困難。該類支架