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成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） I 液壓支架液壓支架的設計及有限元分析的設計及有限元分析 作者姓名：李成東 專業(yè)班級：機械三班 指導教師：胡波 摘 要 對于綜合采煤工作面來說，要滿足使其高產高效的關鍵就是液壓支架能夠 正常穩(wěn)定地運行。液壓支架對采煤工作面的有效支護是通過應用液壓系統(tǒng)，并 且配合相關的機械結構使液壓支架能夠完成預先設定的各個動作和需要達到的 效果。液壓支架是在煤礦綜采工作面裝備當中使用頻率最高的裝備，當然也是 極其重要的生產技術裝備。基于這些原因，在液壓支架的開發(fā)設計過程中，支 架的安全可靠性以及技術上的重點，都是本文基于已有的液壓支架的相關知識 的研究內容。 本文通過以某礦井生產條件下的四柱支撐掩護式液壓支架進行液壓系統(tǒng)的 設計以及有限元分析，對其進行科學的設計。 首先通過分析液壓支架的工作環(huán)境和外載荷特性，進而對液壓支架的液壓 系統(tǒng)基本的回路、工況等等進行分析從而通過計算得到相關數據，進而繪制出 相關液壓回路的系統(tǒng)基本原理圖。 針對本文的需要研究的液壓支架，首先利用三維實體建模軟件 Pro/E 進行 相關建模并導入進 ANSYS，進行相關的模型簡化、網格劃分等等相關操作后分 析其元部件的應力應變的變化情況，最后得到該三維建模后的液壓支架的不同 工況下不同零部件受到的應力、載荷等的應力云圖。通過對應力云圖的相關分 析，最終得到液壓支架在設計以及受力分析時需要特別注意的有效意見。 本文是以有限元分析和系統(tǒng)建立液壓系統(tǒng)為基礎的現代設計方法的實際應 用，對液壓支架的完全設計具有一定的意義，對于解決相關的工程知識問題有 一定的應用的意義。 關鍵詞：液壓支架 液壓系統(tǒng) 三維建模 有限元分析 ANSYS 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） II Design and finite element analysis of hydraulic support Abstract As the fully-mechanized face in the coal mine, the work of coal mining need to be high yielding and highly effective. And the key to the mature work is he hydraulic support could operate normal and stable. Effective hydraulic support in coal mining face support is through the application of the hydraulic system, and cooperate with related mechanical structure of the hydraulic support can complete the pre-set each movement and the need to achieve the effect. Hydraulic support in coal mine fully mechanized working face of equipment most frequently used equipment, is also very important, of course, production technology and equipment. For these reasons, in the process of the development of the hydraulic support design, the safety and reliability of the stent and focus on the technology, is based on the existing knowledge content in the research of hydraulic support. In this paper, taking a mine production under the condition of four pillars support the shield hydraulic support, the design of the hydraulic system and the finite element analysis on the design of science. First of all, through the analysis of the working conditions of hydraulic support and external load characteristics, basic circuits of the hydraulic system of hydraulic support, working condition and so on carries on the analysis to the relevant data is obtained by calculation, and then draw out the basic principle of the hydraulic system diagram. Then using 3D software Pro/E to complete three-dimensional modeling. finite element analysis software ANSYS, and then will be after the completion of the three- dimensional entity model into ANSYS, to carry on the related model simplification, meshing and so on related operations, finally get the 3D modeling of hydraulic support under different working conditions of different parts of stress nephogram of stress, load, etc. Through the correlation analysis of stress nephogram, finally get 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） III hydraulic support need special attention during design and stress analysis effectively. This article is based on finite element analysis and system to build hydraulic system of the practical application of the modern design method, the complete design of hydraulic support has a certain meaning, to solve the problem of related engineering knowledge has a certain application meaning. Key words: Hydraulic Support; Hydraulic System; Three-dimensional modeling; Finite Element Analysis; ANSYS 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） IV 目 錄 摘 要 . I Abstract . II 第 1 章 前 言 1 1.1 選題的提出及意義 1 1.2 國內外研究現狀與發(fā)展趨勢 2 1.2.1 國內液壓支架的發(fā)展 2 1.2.2 國外液壓支架的發(fā)展 3 1.3 液壓支架的設計方法及存在問題 4 1.4 本文研究內容及技術路線 4 1.4.1 論文的主要研究內容 5 1.4.2 論文研究所采用的技術路線和方法 5 第 2 章 液壓支架的系統(tǒng)構成 6 2.1 液壓支架的機械結構 6 2.1.1 液壓支架的組成 6 2.1.2 液壓支架的承載分析 6 2.2 液壓支架的液壓系統(tǒng) 9 2.2.1 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本組成及特點 9 2.2.2 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本工況分析 10 2.2.3 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本回路 12 2.3 液壓系統(tǒng)原理圖 15 第 3 章 液壓支架液壓系統(tǒng)的設計 18 3.1 液壓支架基本參數的確定 18 3.1.1 架型的選擇 18 3.1.2 基本參數的確定 18 3.2 液壓支架液壓缸的設計 19 3.2.1 立柱 19 3.2.2 推移千斤頂 21 3.3 大流量系統(tǒng)設計 22 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） V 3.3.1 供液系統(tǒng) 22 3.3.2 管道尺寸與控制元件的設計 24 3.3.3 控制方式的設計 24 3.4 驗算壓力損失 25 3.4.1 沿程壓力損失 25 3.4.2 局部壓力損失 25 3.4.3 管路系統(tǒng)總壓力損失 26 3.4.4 管路系統(tǒng)壓力效率 26 第 4 章 液壓支架三維模型的建立 27 4.1 三維建模軟件的選擇 27 4.2 支架模型的建立 28 4.2.1 支架零件的三維結構模型 . 28 4.2.2 基于虛擬樣機的虛擬裝配 30 第 5 章 液壓支架主要部件的有限元分析 32 5.1 有限元法的原理及 ANSYS 軟件 . 32 5.1.1 有限元法基本原理 32 5.1.2 ANSYS 軟件簡介 . 32 5.2 分析方案的制定 32 5.2.1 簡化模型 32 5.2.2 工況載荷的確定 33 5.3 各工況下的有限元分析 34 5.3.1 頂梁兩端集中載荷，底座受到偏載 . 34 5.3.2 頂梁單側載荷，底座扭轉載荷 . 35 5.3.3 頂梁扭轉載荷，底座兩端集中載荷 . 36 5.4 分析結果 37 結 論 39 致 謝 40 參考文獻 41 附 錄 44 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 前 言 能量作為人類生產生活的基礎，從來都與我們的生活形影不離，而作為世 界上儲藏量最多、分布面積最廣的煤炭是我們從古至今的最常規(guī)的能源之一。 煤炭由于其低廉的運行成本，一直以來都作為世界范圍內的主要能源1。煤炭 科學在不斷發(fā)展的同時，與其相關的開采工藝和裝備水平也在隨之不斷提高。 液壓支架的誕生和發(fā)展為煤礦高效、安全運行提供了極大地保證。 1.1 選題的提出及意義 作為當前世界的第二大經濟體，我國的經濟社會的發(fā)展必定依賴于成熟、 充足并且可靠的能源供給。根據國家能源局數據，就 2014 年而言，我國的火力 發(fā)電的設備容量大約是全部發(fā) 電設備容量的 67.28%，由此可以見得，作為傳 統(tǒng)的主要能源，煤炭依然能在新型能源 發(fā)展不充分時占有著國民 經濟的重要 戰(zhàn)略地位。而為了能讓煤礦礦井實現現代化高產高效綜采，液壓支架是最基本 的保障，并且還作為保障生產安全的關鍵性設備。 液壓支架的出現以及其發(fā)展是對于煤炭行業(yè)來說其實是的一次重大的歷史 革新。液壓支架從根本上改善了公認的煤礦礦井的工作條件，提高了作業(yè)的安 全性，同時也提升了采煤的效率并且大幅度地提高了礦井產量。液壓支架是主 要通過若干個液壓元件（油缸、閥件）和金屬結構件組成2，以高壓液體作為 動力，一種適用于采 煤工作面的支撐和控制頂板的設備，具有安全可靠、快速 移動、高強度、強大的支護性能等一系列特性3。在現代化綜合采煤的過程當 中，液壓支架起到的主要作用是預防頂板冒落、為工人在安全作業(yè)時提供一定 的工作空間以及各項采煤作業(yè)能夠正常運作4,5。因此液壓支架需要提供足夠的 支撐力才能可靠有效地支撐和控制工作面頂板，然后隔離開采空區(qū)，防止矸石 落入工作面造成支架受到偏載6，并且能夠實現基本的支撐、推溜以及移架等 一系列基本操作。 目前我國煤礦礦井當中，四柱掩護式液壓支架是采用的主要的架型。但是 由于其工作的環(huán)境不穩(wěn)定，因此液壓支架受到的承載載荷變化極大，尤其是一 些重要零 部件極易在正常工作條件下因受偏載而損壞7。由于在采煤過程中， 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 2 綜采工作面頂板附近處于不穩(wěn)定狀態(tài)的圍巖，以及地質條件復雜多變的煤層， 支架的底座和頂梁是受到應力變化最大的零部件，支架整體傾斜也較為嚴重， 同時不同的開采過程采用的工藝會導致頂 梁和底座不能保證時刻處于水平狀態(tài) 而導致支架整體傾斜，因此支架的四連桿機構永遠不會在實際使用的過程中處 于理想狀態(tài)，所以在這樣的工作狀態(tài)下的支架基本上都處于惡劣的偏載狀 態(tài) 中，支架在這樣的工作工況下使用時，液壓支架在承受扭曲時產生的疲勞損壞 就會增加，支架的使用壽命大大減少，支護過程的安全系數也同時降低8。 因此，為了讓液壓支架能夠安全可靠地工作，同時最大限度地提升液壓支 架的穩(wěn)定性和可靠性，就需要使用有限元分析軟件 ANSYS 對液壓支架的關 鍵 性結構元件做相關的靜力學分析，得到相關可以用來進行參考分析的結果。本 文的重點就是通過已有的流程，進行液壓支架液壓系統(tǒng)的設計和其三維建模并 用于有限元分析，而液壓系統(tǒng)的設計和有限元分析是作為本文的重點和難點。 1.2 國內外研究現狀與發(fā)展趨勢 自從液壓支架誕生以來的幾十年時間里，各國在煤礦礦井井下開采支護設 備在設計以及使用中有了的根本性變化，就是廣泛的采用了液壓支架用來作為 長壁開采支護設施的最主要設備9。通過使用液壓支架來管理頂板是針對現代 采煤來說的一次全新的技術變革，同樣也成為了煤礦現代化采煤的標志之一 10。液壓支架作為高產高效的現代化礦井中綜采的重要設備，同樣也是保證安 全生產和作業(yè)空間的關鍵設備，它的整體重量大約占整個綜采設備總體重量的 80%90%，其費用大約占總體綜采設備總體費用的 60%70%11,12。而液壓支架 中大 型 復 雜金屬結構件的安全性和可靠性決定了綜采技術最終的成敗。因此世 界各產煤大國長期以來都在對液壓支架進行研究，以能夠達到提高采煤效率、 降低成本以及改善工作條件等為最終目的。 1.2.1 國內液壓支架的發(fā)展 我國采礦業(yè)相對于先進國家來說起步晚，煤礦地質條件也頗為復雜，煤層 厚度變化大，有薄煤層、急傾斜煤層和特厚煤層等諸多類型的煤層，所以我國 液壓支架具備了批量小、品種多的明顯生產特色13。 經過大半個世紀的發(fā)展，我國目前在支液壓架的結構和配套設備上有了喜 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 3 人的成績，但是總體仍與發(fā)達國家存在有較大差距，特別是在材料制造、焊接 技術的應用等方面。但是我國在支架的制造結構上已經掌握了世界的先進技 術，特別是在一些相對關鍵性的部件和具有特別針對性性能的液壓支架，如鋪 網支架、兩硬煤層的強力支撐、支撐特厚煤層的放頂煤支架、端頭支架等，但 在精細程度上仍然與國外同等類型液壓支架存在明顯差距14。我國自行研發(fā)的 液壓支架在系統(tǒng)的自動控制這一塊上的可靠性較差，而且液壓系統(tǒng)當中設定的 額定壓力值一般來說都不足 35 ，額定流量一般來說也低于 200 /徑一 般介于25 到32 之間，回液管的直徑一般介于25 到50 之間 12。與此同時常采用屈服極限為 345 的鋼材，而井下實際應用時移架最高 速度在 20 /架甚至以上，高于理論移架的最高速度 1012 s/架，實測初撐比為 0.250.4，也低于一般水平的 0.520.776。 因此在未來國內的液壓支架的發(fā)展進程中，我國的主要研究的方向將朝著 高強度鋼板、高技術含量、快速移架以及電液控制閥這幾個大方向發(fā)展15。針 對有破碎帶 以及斷層的工作面會增加支架的移架力，并且精良使用整體可靠推 桿及抬底座機構的同時減少千斤頂的數量16。另外還將大范圍將額定壓力設定 為 40 、額定流量設定為 400 /的高壓大流量乳化液泵站考慮進增加快 速移架時間的方案中17。為了讓支架具有達到初撐力需求所足夠的壓力，液壓 系統(tǒng)一般選用雙向或環(huán)形供液，并保證精確的接頂位置18。同時為了能增加液 壓支架工作時的穩(wěn)定性，還需要對四連桿機構進行結構上的優(yōu)化。 1.2.2 國外液壓支架的發(fā)展 上世紀五十年代，由英、法兩個國家分別研制出的垛式、節(jié)式液壓支架并 以之從此結束了原有煤礦固定支架的時代，液壓支架便開啟了新的煤礦安全支 護的新篇章。到六十年代前蘇聯在原有基礎上改進后的 OMKT 型掩護式支架， 到七十年代全球廣泛使用的立即支護式支架，到八十年代澳大利亞引入電液控 制技術，再到九十年代美國引入乳化液泵站讓推進速度有了大幅度的提升，液 壓支架在大半個世紀以來始終朝著高效安全的方向不斷的進行著改進和革新， 特別是八十年代以后，高度可靠性、大功率、重型的設備成為全球液壓支架新 的發(fā)展趨勢。 兩柱掩護式液壓支架支架是目前國外綜采工作面選用液壓支架的主要架 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 4 型，該型支架的結構是通過剛性連接的分體式底座和整體頂梁，并且附帶提底 座裝置，其工作阻力相對較高19。該液壓支架最大的組成特點是將推移千斤頂 的相關機構進行反向裝配的倒拉框架式結構20。以支架的支護狀態(tài)能夠自行進 行調控為目的，通過控制環(huán)形供液和電液閥儀器配合形成的控制方式，使得支 架的升柱、降柱、移架的循環(huán)時間一般不超過 10s，且該支架有 5 萬次以上的壽 命試驗21。 德國 DBT 公司開發(fā)研制液壓支架時，會結合有限元分析和運動學仿真來進 行支架的設計，同時還對四連桿機構進行了相關結構的優(yōu)化和完善，推出了有 著相當的使用高度的一系列適用度較高的架型。作為世界上采煤業(yè)最為發(fā)達的 國家，美國早在 1990 年就已廣泛使用額定壓力為 50 、額定流量為 478 /的乳化液泵站來提供高壓液體，從而讓支架能夠快速移架，移速達到 68 /架13。美國研究設計的兩柱掩護式液壓支架支架，其使用壽命一般可以 達到 810 年，支架平均工作阻力范圍一般可以達到 6470 ，最大峰值為 9800 ，且中心距也在逐漸向 2 及 2 以上的方向發(fā)展，同時為了減少支架 數量帶來的繁瑣和移架時間的縮短，單個液壓支架的架寬也在逐步進行加大。 澳大利亞也普遍采用一井一面的機械化生產，兩柱掩護式支架的平均工作阻力 也高達 7640 ，與此同時英國研究的兩柱掩護式液壓支架其工作阻力范圍也 達到了 7000 8000 17。 就當前的液壓支架的發(fā)展前景來看，大噸位、大缸徑仍然在未來液壓支架 發(fā)展方向中占據主要的部分。使用大流 量 安 全閥可以有效地對大噸位、大缸徑 的液壓支架形成保護，但是目前針對大流量安全閥的技術尚未不夠完善。 1.3 液壓支架的設計方法及存在問題 傳統(tǒng)的液壓支架設計采用二維平面設計，設計周期長、試驗費用大，液壓 支架的強度得不到保證，耗費大量的人力和物力。目前世界上研究開發(fā)液壓支 架的技術手段基本都是采用三維力學模型分析法，即研究設計的工作中引入有 限元技術以及計算機輔助設計技術，并且在對液壓支架技術進行相關標準化、 規(guī)范化的建設或者是改進。 1.4 本文研究內容及技術路線 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 5 根據前文當中提及的液壓支架的設計方法和存在的相關問題，本文的研究 內容采用三維設計軟件 Pro/E 以及有限元分析軟件 ANSYS 進行工作的展開。研 究的具體內容及技術路線如下： 1.4.1 論文的主要研究內容 本論文以四柱掩護式支架為主要研究內容，研究內容如下： （1）完成某礦井生產條件下液壓支架的結構設計并進行相關三維建模。 （2）完成液壓支架液壓系統(tǒng)設計，繪制液壓系統(tǒng)原理圖。 （3）模擬液壓支架在不同工作狀態(tài)，利用有限元分析軟件 ANSYS 做出有 限元分析，通過結果得出其工作狀態(tài)下的穩(wěn)定性、強度。 1.4.2 論文研究所采用的技術路線和方法 （1）利用三維建模軟件 Pro/E，采用自底向上的建模方法完成液壓支架的 三維結構建模并且裝配以及干涉檢查。 （2）通過 ANSYS，對需要進行有限元分析的三維結構模型做出必要的簡 化、設置相關邊界條件、劃分網格后，然后進行有限元分析，然后根據支架主 要零部件的應力分布完成合理的分析和總結。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 6 第 2 章 液壓支架的系統(tǒng)構成 2.1 液壓支架的機械結構 2.1.1 液壓支架的組成 常見的液壓支架主要有四個組成部分，分別是：液壓元部件、承載結構 件、控制元部件以及輔助裝置10。 （1）承載結構件的主要功能是承載并傳遞頂板載荷和防止矸石掉落，包括頂 梁、前連桿、后連桿、掩護梁、底座、支護梁、伸縮梁等22。頂梁與頂板在接 觸后承受來自于頂板產生的載荷，達到支撐和管理頂板的目的；而支架的掩護 梁、前連桿、后連桿以及底座組成了一個四桿機械機構，分擔了水平方向上的 支架收到的力和支架不平整時掩護梁的扭轉載荷；底座通過連接推移千斤頂 后，達到讓運輸機和支架快速地進行移動的目的。 （2）液壓元部件的主要功用是通過乳化液泵站產的生液壓動力來實現液壓 支架的各個不同的動作，主要包括各種類型的千斤頂以及立柱。立柱是液壓缸 的一種形式，用來調整支架的支護高度；千斤頂則根據在液壓支架中不同的功 能可以分為前梁千斤頂、側推千斤頂、推移千斤頂、防滑千斤頂、防倒千斤頂 等諸千斤頂，且千斤頂一般在支架中都是作為輔助裝置的構成部分23。 （3）控制元件是控制各個立柱或者千斤頂動作并能保證其相關的功能，從 大致上基本可以分為方向控制閥和壓力控制閥。方向控制閥囊括操縱閥單、向 閥等，用來保持腔體油液壓 力恒定或切換到不同的工作狀態(tài)；壓力控制閥包括 節(jié)流閥、溢流閥等多種閥類，可以用來防止千斤頂和立柱的過載，保證使用安 全。 （4）在支架中設置輔助裝置的目的是為實現液壓支架的某些特定功能或者 動作，所以必定就會安裝相應的輔助裝置，例如推移裝置、護幫裝置、防倒滑 裝置等等這些具有特定功能的裝備5。輔助裝置可以為液壓支架找到合適的工 作位置，保障人員和設備的安全，防止支架推移過程或降落過程的不穩(wěn)定。 2.1.2 液壓支架的承載分析 要設計出合理的液壓支架液壓系統(tǒng)，需要結合特定環(huán)境中圍巖的作用，然 后分析支架在各個工作階段的承載狀況。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 7 （1）液壓支架受到載荷的確定 從液壓支架的設計經驗上來說，需要對液壓支架與采場周圍的巖石的作用 關系進行分析，才能保證設計的液壓支架具有足夠的支護強度。從力學關系上 看，圍巖和支架之間存在的是作用與反作用力的關系。圍巖運動過程中會有圍 巖變形、不可控巖層的下沉等，造成作用于支架的外載荷不同9。在液壓支架 的設計過程中，主要參考的對象是支架受到的可控巖層的最大載荷，這個載荷 對支架的工作阻力由很大的影響。因此，確定圍巖對于支架的外載荷是進行支 架阻力計算是的首要任務。 液壓支架主要受到靜態(tài)載荷和動態(tài)載荷兩種載荷方式。其中，靜態(tài)載荷頂 板產生的負載和壓力，并通過大量的理論計算和實驗驗證，通常在頂板下沉 時，直接作用在支架上的力可以近似看成常量值；而動態(tài)載荷的主要的形成因 素是在老頂巖塊斷裂后產生了 回轉13,24。 靜載荷的計算公式為： = (2-1) 其中，是直接頂重（即靜載荷） ；是直接頂高，；是懸頂距，； 是直接頂巖體的容重，3 。 初次來壓時，動載荷的計算公式為： = 0 2 (2-2) 0= 2 (2-3) 其中：是動載荷，；是基本頂的均布載荷，/；0是基本頂的初次 來壓步距，；是基本頂的巖層抗拉強度系數；是基本頂的巖層參考抗拉 強度，。 根據實際的工作過程得出的數據表明，頂板下降階段的過程中，根據上述 公式計算出的受力比較符合實際的情況，切受力比較穩(wěn)定。 （2）液壓支架在不同的工況階段下的承載情況 液壓支架的工作過程概括起來分為四個過程：升、降柱，移架以及推溜， 而且支架在不同的工作階段，它的承載狀況是截然不同的。 升柱過程 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 8 液壓支架升柱過程分為頂梁與頂板接觸階段和不接觸階段13。在頂梁還 沒有接觸頂板時，支架受到的載荷是支架本身的重力和立柱自身的摩擦力；接 觸頂板后，頂梁對頂板的支撐力不斷增加直到達到初撐力為止，這時就需要考 慮頂板、頂梁以及底板的彈性變形而引起的彈性力帶來的影響了。圖 2-1 是升 柱過程中的受力簡圖。 圖 2-1 升柱過程受力簡圖 降柱過程 在立柱卸載降柱的階段，頂梁會在脫離頂板后降到制定的高度。降柱過程 包括頂梁和頂板接觸和不接觸兩個階段12。降柱過程的各元件的動作順序與升 柱過程相反。圖 2-2 是降柱過程中的受力簡圖。 圖 2-2 降柱過程受力簡圖 移架過程 當支架移動時，從臺階深入移出，接著繼續(xù)移動，一直到達到移架的步 距，這就需要考慮由靜摩擦系數以及底座壓入底板所形成的臺階大小來決定的 阻力。 推溜過程 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 9 推溜過程主要是控制千斤頂動作，使工作面向煤壁一側移動。推溜過程 中，載荷主要來自于底板間的摩擦力以及液壓元件的粘性摩擦力。 2.2 液壓支架的液壓系統(tǒng) 2.2.1 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本組成及特點 液壓支架的液壓系統(tǒng)是通過各種不同的管接頭附件以及高壓膠管，將系統(tǒng) 中的立柱、各個裝置中的千斤頂及各種閥類與泵站，主供、回液管連接起來， 讓液壓 支架能系統(tǒng)地完成預先設定的動作和需要完成的各類需求25。 液壓支架的液壓系統(tǒng)是泵-缸開式系統(tǒng)。這樣的回路系統(tǒng)是以乳化液泵作為 動力源，各種液壓缸作為執(zhí)行元件，工作介質是高壓乳化液，通過液壓泵把發(fā) 動機產生的機械能通過液壓缸轉換成液壓能，經過傳送后又轉變回機械能，就 這樣通過機械能的傳遞和轉換實現液壓支架的不同動作26。 通常來說，液壓支架的液壓系統(tǒng)根據液壓支架需要實現的不同的功能可以 分為三個基本的部分，即泵站、立柱控制、千斤頂控制這三個相關聯的系統(tǒng)。 油箱、乳化液泵、控制元件和相當的輔助元件共同組成了乳化液泵站，普遍是 在工作面的下順槽進行安裝，讓其能夠隨著工作面一同推進25。單個液壓支架 在維護時，可以關閉需要維護的支架與主管路相連的截止閥，系統(tǒng)回路中的其 他支架仍然能正常進行工作25。 液壓支架液壓系統(tǒng)具有以下的特點： （1）液壓系統(tǒng)龐大，液壓元件多。液壓支架是沿采煤工作面全長鋪設的， 因此具有大量的立柱以及千斤頂，還有相當數量的方向控制閥和壓力控制閥， 有很多管接頭和高壓軟管使整個液壓系統(tǒng)變得復雜25。因此在系統(tǒng)中的各個部 件之間的密封性能和工作時的可靠性對支架工作時的影響相當大。 （2）工作壓力高。在綜采工作面，液壓支架需要有相當數值的支撐力才能 支護頂板，初撐力的大小一般是由泵站的工作壓力來決定的，所以一般選取的 泵站工作壓力的范圍在 1035 之間27。立柱的活塞腔在支架完成初撐后就 需要立刻封閉，這樣就使得其達到工作阻力后的回路壓力遠大于工作壓力。所 以，液壓元件的耐高壓強度就需要足夠的高28。 （3）供液回路長，沿程壓力損失較大。乳化液來自安裝在工作面下順槽的 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 10 乳化液泵站，是支架的千斤頂和立柱工作的基礎，但是經過長距離的輸送后導 致其沿程壓力損失較大，特別是在移架及推移輸送機的過程中，在液壓回路中 存在較大容量的工作液在持續(xù)不斷地循環(huán)流動，所以主管路需要考慮有相當充 足的過流斷面27。 （4）工作環(huán)境潮濕、粉塵較多，采煤工作條件不穩(wěn)定。由于地下工作面的 空間有限所以檢修不方便，因此還要求液壓元件可靠，工作的壽命足夠長。 （5）對液壓元件有高要求。由于工作液體是含水量為 95%的乳化液，所以 這樣就使?jié)櫥院头冷P性相對礦物液壓油而言要低，因此需要液壓元件精度 高、使用良好材料制造之外，還要具有比較好的防銹和防腐蝕的能力28。 2.2.2 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本工況分析 液壓支架的龐大的液壓系統(tǒng)，由于牽涉到大量的液壓元件和液壓回路，工 作狀態(tài)比較的復雜。根據如圖 2.3 所示的液壓系統(tǒng)的工作原理圖，下面對液壓 支架具體的工況分析如下： 1-頂梁；2-立柱；3-底座；4-推移千斤頂；5-安全閥；6-液控單向閥； 7、8-操縱閥；9-運輸機；10-乳化液泵；11-主供液管；12-主回液管 圖 2.3 液壓支架液壓系統(tǒng)工作原理圖 （1）升柱：移動液壓支架后需要將露出的頂板及時地進行支撐。將三位四 通操縱閥 8 打到升柱位，高壓油液從泵站流至液控單向閥 6，頂開單向閥球后 流進立柱的活塞腔。頂板和頂梁之間相互作用關系在升柱的過程中一直在變化 著，立柱的負載也就因為作用力的變化而進行相對應變化29。這個變化過程有 三個階段：初撐階段、增阻承載階段和溢流承載階段，如圖 2.4： 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 11 圖 2.4 工作曲線圖 初撐階段：支架上升讓頂梁和頂板產生接觸，立柱的下腔壓力增大至乳 化液泵站的工作壓力1后就關閉泵站液控單向閥。這個時候立柱活塞腔下腔受 到的液體壓力即為初撐力。 增阻承載階段：初撐完成后，頂板下沉時立柱活塞腔內的油液就會被壓 縮，使得其壓力增大，支架下腔受到的壓力值增大直到支架安全閥預先調定的 壓力值，此時立柱下腔壓力即為支架的工作阻力230。 頂板的下沉有兩個因素，分別是支架對于頂板的初撐力大小以及頂板巖層 的結構特征。因此為了避免初撐力太小時不能保證受支撐頂板的穩(wěn)定性，或者 初撐力太大時又會將頂板頂碎導致矸石冒落，所以從一般生產經驗看來，掩護 式支架的初撐力根據生產、設計經驗設定為支架工作阻力的 70%。 溢流承載階段：頂板下沉時需要支架提供的支撐力會隨之增大，當大于 安全閥設定的調定壓力值時，安全閥就會打開溢流從而讓立柱下腔受到的壓力 降低；當立柱下腔受到的壓力小于安全閥設置的調定壓力值時，安全閥就會立 刻關閉以讓立柱下腔壓力得到相應提升31。所以壓力在安全閥設置的調定范圍 內，立柱下腔受到的壓力曲線隨時間呈現出波浪形的變化13。 （2）降柱：當液壓支架需要降柱操作時，高壓油液進入立柱的活塞腔上 腔，另一腔油液流回泵站，從而使活塞桿下降并最終讓頂梁脫離頂板。 降柱過程和生柱過程比較相似，一般分為兩個階段：頂梁和頂板仍然還有 接觸時稱為卸載沖擊階段；徹底分離之后是為降柱階段。 （3）移架：液壓支架卸載過后，把三位四通操縱閥 7 打到移架位，此時高 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 12 壓液體從乳化液泵站流入推移千斤頂后流回主回油管，支架完成移架。此時利 用相鄰支架之間的的推移千斤頂就可以用來固定運輸機，避免支架不穩(wěn)定的現 象25。 （4）推移運輸機：支架完成移架且重新支撐頂板后就需要吧運輸機推移到 新的工作位，將操縱閥 7 打到推溜位，運輸機就會反將支架作為支點快速移動 到下一個新的工作位置。 2.2.3 液壓支架液壓系統(tǒng)的基本回路 液壓支架的液壓控制系統(tǒng)包括兩個最為基本的部分：主管路和基本控制回 路。液壓控制系統(tǒng)囊括了包括換向、差動、連鎖、阻尼、鎖緊等在內的許多基 本控制回路。 （1）換向回路 換向回路是對各個液壓缸的工作腔中的液流行進方向進行改變，從而最終 讓液壓缸達到縮回或伸出的目的。從一般的生產設計經驗來說，換向回路又分 為簡單和多路兩種換向回路。 簡單換向回路：如圖 2.5(a)中所示，該回路的操縱閥由數個三位四通換向 閥構成，而且其中的每個換向閥只能控制單個液壓缸進行換向。簡單換向回路 各個閥之間可以獨立操作，可以達到各個缸之間的系統(tǒng)動作，但是對操作人員 的高要求操作水平和技能，不能容忍失誤操作對支架的損壞。 多路換向回路：如圖 2.5(b)中所示，操作閥 3 是就九位十通的控制閥，整 體就一個把手操作，液壓缸之間只能一次實現動作。多路換向回路的每一個工 作位只對應相應的液壓缸動作，不會因為誤操作對支架造成損壞，因而對操作 人員的操作水平和技能要求不是很高。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 13 (a) 簡單換向回路 (b)多路換向回路 圖 2.5 換向回路 （2）連鎖回路 液壓缸再受到數個不同操縱閥控制的時候，連鎖回路的應用可以使得他們 之間的動作形成相互之間的制約，然后就能防止由于工人失誤操作帶來的嚴重 后果。 (a) 單向順序閥控制的連鎖回路 (b)液控單向閥控制的連鎖回路 圖 2.6 連鎖回路 圖 2.6 (a)的回路中使用了兩個單向順序閥以及兩個單向閥組成的連鎖回 路，可以防止單個支架兩個立柱同時降柱時引起的頂板坍塌。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 14 當需要對立柱 1 的進行降柱動作時，從 P 口進入的高壓油液在單向順序閥 2 的阻攔下經過單向閥 3 來到了立柱 5 的下腔回路，當立柱 5 正在支撐時，單 向順序閥 2 就會因為壓力達到預先設定的閥值打開使立柱 1 完成降柱動作；當 立柱 5 也處在降柱的動作中時，液壓油就會直接經過單向閥和操縱閥 8 回流， 立柱 1 就無法完成降柱的動作，從而保證液壓支架始終有立柱在支撐頂板；當 立柱 5 處于為支撐狀態(tài)時，操縱閥 8 已經歸為零位，液壓油就會直接進入立柱 5 的下腔使 5 完成升柱對頂板進行支撐，然后單向順序閥 2 就會打開使立柱 1 完成降柱的動作25。反之，要對立柱 5 進行降柱的操作同樣也有三種不同的情 況。總之，這樣的連鎖回路可以保證始終有立柱對頂板進行支撐。 圖 2.6 (b)使用了兩個液控單向閥，也同樣使回路中的兩根立柱不能同時降 柱而導致的安全事故。 在支架的每根立柱的下腔液路當中都安裝了兩個液控單向閥，當立柱 13 支 撐時，液控單向閥 11 就會被解鎖，這樣就可以通過操縱閥 12 讓立柱 9 完成降 柱的操作33。反之只有立柱 9 支撐時才能讓立柱 13 完成降柱的動作。在該回路 中有兩套不一樣的液控單向閥，10 和 14 是用來鎖定立柱下腔回路的，需要的 打開壓力值并不大；11 和 15 是對連鎖回路的控制，需要讓它的打開壓力大于立 柱支撐時的最小支撐力才能保證支撐的安全性。 （3）緊鎖回路 為了使得液壓缸在不操作時也能承受回路中高壓的液壓油，就需要將液壓 油封閉在液壓缸的工作腔中，緊鎖回路就能實現這一目的。當液壓缸的后腔封 閉時能預防活塞桿往回縮，這樣就能達到讓液壓缸能夠承受推力負載的目的。 當液壓缸的前腔封閉時，能預防活塞桿被強行拉出，這樣也就能達到讓液壓缸 能夠承受拉力負載的目的。當前、后腔同時被封閉時，液壓缸就能同時承受推 理負載和拉力負載34。 需要注意的是，在回路中應用普通單向閥來實現緊鎖回路的目的的時候， 就需要并聯一條旁通解鎖支路如圖 2.7(b)。在液壓支架的回路中，緊鎖回路主要 都是應用在推移千斤頂以及側推千斤頂的回路中，起到放倒、防滑的作用。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 15 (a) 單向緊鎖回路 (b) 單向緊鎖回路 (c) 雙向緊鎖回路 圖 2.7 緊鎖回路 （4）阻尼回路 阻尼回路能夠讓處于浮動 狀態(tài)下的液壓缸在一定范圍內具備抗沖擊負荷的 性能，同時還能使液壓缸更為平穩(wěn)的進行相關動作。阻尼回路主要是在支路中 連接節(jié)流閥或者節(jié)流孔形成，如圖 2.8。該圖中將節(jié)流閥 2 設置在液壓缸所在的 前腔支路當中，所以不管在供液亦或是回液的回路當中其都能起到節(jié)流作用。 而通過在前腔支路中設置的單向閥與一個節(jié)流閥進行并聯了之后，該回路就只 能在回液時才能達到節(jié)流的目的，這樣就能保證液壓缸在動作縮回的時候能夠 穩(wěn)定地完成該動作，并且同時具有承受一定的沖擊的能力。基于阻尼回路的特 性，所以一般將其用于千斤頂或者立柱的控制。 圖 2.8 阻尼回路 2.3 液壓系統(tǒng)原理圖 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 16 通過前文對液壓系統(tǒng)的個別回路以及其運行的原理，結合目前已有的液壓 支架的液壓系統(tǒng)和相關的參考資料，本文制定的該型液壓支架的液壓回路原理 圖如圖 2.9。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 17 圖 2.9 液壓支架液壓系統(tǒng)原理圖 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 18 第 3 章 液壓支架液壓系統(tǒng)的設計 目前，液壓支架液壓系統(tǒng)的設計方法主要定量化設計和經驗設計這兩種方 式。經驗設計就是參考應用于目前已有的液壓支 架的液 壓 系 統(tǒng)，系統(tǒng)中相關的 主要參數基本都是通過設計經驗來確定得出的28。目前對于國內外來說，基本 采用的方法都是通過經驗設計得來的。所以本文也采用經驗設計方法來進行本 文液壓系統(tǒng)的設計。 3.1 液壓支架基本參數的確定 要完整、合理地設計出液壓支架的液壓系統(tǒng)，需要提前確定所有千斤頂以 及立柱的數目，各類控制元件的型號、規(guī)格以及數量，而這些因素又是主要根 據液壓支架選用的架型、功能上的要求和結構設計來確定得到的，最終這些參 數都得到之后就能制定出該型液壓 系統(tǒng)的 系統(tǒng)原理圖25。 3.1.1 架型的選擇 對于綜采工 作 面來說，安全生產的關鍵在于工作面煤層所在的地質條件與 支架架型是否相互適應。在綜 采工 作面中，礦壓的一般顯現規(guī)律以及支架與頂 煤之間存在的相互作用關系，在支架架型的選擇過程中，我們需要對生產技術 條件、煤層地質條件、經濟條件進行相關的考慮。 本文將設計的一些條件在這里做一些制定，將煤層厚度 = 5.86.8 、煤 層傾角為 21.6 31.2 制定為本型支架適用的原始條件。從實際的生產設計經驗 來考慮，選用支撐掩護式放頂煤支架比較符合本文設定環(huán)境下的支護要求。 3.1.2 基本參數的確定 根據參考成熟的生產經驗，并未綜合行人、工作面通風、合理采放比、頂 板管理和高效開采配套設施這些基本要求，本文最后確定的支架高度范圍為 23004500 （數據來自附表一） 。 （1）支架工作阻力確定 估算法 在該方法中，一般認為支架工作面的工作阻力需要大于頂板冒落巖層的總 重量以及基本頂在失穩(wěn)時對支架產生的動載35，通過公式: 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 19 = 冒 (3-1) 其中，是支架工作面所需要的支護強度，；是基本頂失 穩(wěn)產 生的 動 載 系數，根據實際生產中的觀測結果，取為 1.6；冒是冒落帶的巖層重力產 生的應力， = ：是頂板巖層容重，取 24 /3 ；是冒落帶的高度，本 文根據實際生產經驗取 13 。 所以支架的支護強度為： = 冒= 1.6 24 13 = 499/3 0.5 (3-2) 倍數巖重法 = 其中：是巖重系數，取值范圍為 48，這里我們取最大值 8；是采高， 這里同樣也取最大值 3.5 ；是頂板巖層容重，取 24 /3。 所以支架的支護強度為： = = 8 3.5 24 = 672/3 0.67 考慮到一定的安全因素，而且通過這兩種方法計算出來的支護強度都相對 較為接近，因此本文確定的支架的支護強度需要大于 0.7 。 （2）額定工作阻力的確定 = （+ ） (3-3) 其中：P 是支架的額定工作阻力，；q 是支架的支護強度，由前文的出 為 0.7 ；是控頂距，這里取 0.35 ；是前梁和頂梁的長度，這里取 4.8 ；B 是支架的寬度，這里取為 1.5 。則： = (+ ) = 700 (0.35 + 4.8) 1.5 = 5407 (3-4) 考慮到一定的安全因素，并且基于以上的計算過程和高效安全的生產原 則，本文在這里將工作阻力定為 5600 。 3.2 液壓支架液壓缸的設計 3.2.1 立柱 （1）支護方式與布置 本文設計的支架結構如圖 3.1： 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 20 圖 3.1 支撐掩護式液壓支架結構簡圖 由圖可以得出： = 2+2 (3-5) = 2+2 (3-6) 結合上述的兩個公式，同時根據本文在支架結構設計的相關部分中設定的 參數，就能得到得到支架處于最高支撐狀態(tài)時前排立柱的傾角 = 5 ，后排立柱 的傾角 = 3。 為了便于工人進行相關操作，本文根據實際生產經驗確定得到的前后排支 柱間距取為 1080 。 （2）主要尺寸 立柱的缸體內徑： 1= 2（3 + 5） (3-7) 其中：1是理論支護阻力，；是立柱的橫截面積，2；是乳化液的 壓強。 根據液壓支架的設計生產經驗，本文將乳化液泵站的額定工作壓力定為 28 ，考慮一定的沿程損失后取為 22.4 。所以經過計算后得到的立柱 的內徑 = 22.6 ，按照有關設計標準取整為 230 。根據液壓 系統(tǒng) 設計 簡 明手 冊中表 2-3，活塞桿的直徑是液壓缸的內徑的 0.7 倍，因此可以得到立 柱柱徑為 161 ，按照相關標準取作 200 。 成都理工大學本科畢業(yè)設計（論文） 21 （3）立