液压支架运动仿真毕业论文docWord文档格式.docx
《液压支架运动仿真毕业论文docWord文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《液压支架运动仿真毕业论文docWord文档格式.docx（51页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
液压支架式综采工作面煤层地下支护的关键设备，它的性能的好坏直接影响着矿山企业的产量和井下人员的安全。
1.2.2目前液压支架的研究与应用现状
国内外研究概况
随着科学技术的进步与发展，对产品设计和产品开发提出了越来越高的要求。
从设计技术和方法看，三维CAD已成为产品设计的主流，并正在向着设计、分析、优化、装配、仿真、制造等集成化的方向发展；
从产品的表现形式看，仅凭二维图样作为技术交流的媒介已不能满足现代设计的需要，而人们越来越热衷于三维实体化、形体参数化、产品形象化。
从产品的市场需求看，则更是要求不断提高产品质量和设计效率、缩短产品开发周期。
因此，一些新的设计理念和设计手段，如全数字化设计、无纸设计、参数化设计、并行设计、协同设计、虚拟设计等便应运而生。
国外CAD技术的研究与应用体现在两个方面：
一是优秀的CAD软件版本不断更新，为企业产品设计提供高效平台，二是CAD技术在企业的广泛应用，推动了机械制造业的信息化。
目前，国际上流行的CAD软件主要有：
美国PTC公司的Pro/E、USS公司的（UG）、Autodesk公司的MDT、生信国际有限公司的SolidWorks、SDRC公司的I-DEAS等，它们都是以三维参数化实体造型为基础的CAD系统。
特别是Pro/E所采用的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD的传统观念，并已成为当今机械CAD/CAE/CAM领域的新标准。
利用该概念开发出来的第三代机械产品，Pro/E能将设计至生产全过程集成到一起，实现所谓的并行工程。
国外应用CAD技术比较成功的企业有：
美国的波音公司、通用汽车公司、欧洲威尔泵业公司（WeirPumpsLtd.）、日本三菱电机公司等。
CAD技术曾为这些企业带来了巨大的经济效益和社会效益。
如：
美国福特公司应用三维CAD技术后，将新型汽车开发周期从18个月压缩到l2个月，减少了90%的实物模型，减少新产品的设计更改50%以上，减少新汽车试制成本50%，提高投资收益30%。
我国真正意义的CAD尚处于起步阶段。
陈欣博士利用ADAMS和ANSYS软件对轿车悬架及整车动力学性能进行的仿真分析，詹文章博士对转向架和车辆的虚拟制造技术进行的研究，吴涛博士在面向自顶向下设计过程的三维特征建模技术研究的基础上研制的三维CAD原型系统KmEngineer等，都在一定程度上代表了我国CAD技术的研究水平。
但目前国内CAXA等三维CAD软件的成熟度不高，市场占有率不到15%。
前不久，中国机械工业联合会对机械制造企业调查结果显示：
我国制造业CAD应用基本普及，但只是“甩掉了图板”，使用基于三维产品模型的CAD/CAM技术的企业不多，将三维参数化CAD技术应用于液压支架等煤炭机械方面的研究在近两年才刚刚开始，目前尚处于起步阶段。
由于液压支架是煤炭矿井开采中一种非常重要的支护设备，其性能如何将直接对井下生产安全和生产效率产生重大影响。
因此，本课题的研究与开发不仅具有重要的理论研究意义，更具有巨大的实际应用价值。
1.2.3液压支架未来的发展趋势
全球经济的一体化使得机械产品市场的竞争日益激烈。
为了提高市场竞争力，各企业必须不断缩短新产品的研发周期，提高产品质量、性能，降低研发成本。
在这种要求下，使得以虚拟样机技术为代表的计算机技术不断发展，虚拟设计逐步成为机械设计领域的一种全新的设计及方法。
运用虚拟设计，可以在产品设计初期、设计、分析和评估产品的性能，确定和优化物理样机参数，从而降低产品的开发风险，缩短开发周期，提高产品性能。
1.3本课题的确定和主要研究内容
长期以来，对液压支架进行设计以及运动模拟主要是通过数据和二维图形进行的，局限性大。
本文将三维参数化造型、虚拟装配和运动仿真引进液压支架的设计中，以及缩短开发周期，减少研发成本，提高产品质量，提升产品的市场竞争力。
本文分析了液压支架的工作原理，进行了液压支架整体结构尺寸设计及主要部件的设计。
1.4本课题的研究方法与技术路线
本文利用PRO/E对液压支架进行快速建模，然后利用其运动模块（MECHANISM）实现了对液压支架的升柱、降柱、推溜、移架等的运动过程的动态仿真，分析仿真结果表明建立的模型和设置的仿真参数的正确，支架尺寸合理，运动灵活，无运动干涉区域，顶梁前端一点的运动轨迹复合近似双钮线的要求。
第2章液压支架的总体方案设计
2.1液压支架的概述
2.1.1液压支架的组成和用途
2.1.1.1液压支架的组成
1）承载结构件，顶梁、底座、掩护梁、连杆、立柱、推移装置等，其主要功能和传递顶板和跨落岩石的载荷。
2）液压油缸，包括立柱和各类千斤顶。
其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。
3）控制元件部，包括液压系统操纵阀、单向阀、安其主要功能是操控支架各液压油缸动作及保证所需的工作特性。
4）辅助装置，如推移装置、护帮（或跳梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、防护倒滑装置、连接件等。
这些装置时为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。
全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件等。
2.1.1.2液压支架的用途
在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工作人员安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。
而液压支架式以高液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能够实现支撑、切顶、移架和推移输送机灯一整套工序。
实践表明液压支架具有支护性能好、强度高，移架速度快、安全可靠等优点。
液压支架与可弯曲输送机和采煤机组合机械化采煤设备，他的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架式技术上先进、经济上合理，安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。
2.1.2液压支架的工作原理
液压支架在工作过程中，必须具备升、降、推、移四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。
1）升柱
当需要支架上升支护顶板时，高压乳化液进入立柱的活塞腔，另一腔回液，推动活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁紧紧接触顶板。
如图2-1所示。
2）降柱
当需要将柱时，高压液进入立柱的活塞杆腔，另一腔回液，迫使活塞杆下降，于是顶梁脱离顶板。
图2-1
支架和运输机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成。
当需要支架前移时，先降柱卸载，然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔，另一回液腔，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉回煤壁；
当需要推输送机时，支架支撑动版都，高压液进入推移千斤顶的活塞，另一腔回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。
支架的支撑力与时间的曲线，称为支架的工作特性曲线，如图2-2所示。
图2-2
支架立柱工作时，其支撑力随时间的变化过程可分为三个阶段。
支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱升起使定量接触顶板，立柱下腔压力增加，当增加到泵站工作压力时，泵站自动卸载，支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力，此阶段为初撑力阶段T0。
此时支架对顶板的支撑力为初撑力。
支撑式支架的初撑力为：
KN
式中d---支架立柱的缸径，m;
----泵站的工作压力，MPa；
n---支架立柱的数量；
由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。
合理地初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。
一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。
支架初撑力之后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直至增加到支架的安全阀调正压力，立柱下腔压力达到工作阻力。
此阶段为增阻阶段T1，
随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架安全阀压力调节正值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整值后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪变化，此阶段为恒阻阶段T2。
支架工作阻力为
式中
---支架安全阀的调定压力MPa；
支架的工作阻力标志着指甲的最大承载能力。
对于掩护式和支撑掩护式支架，其初撑力和工作阻力的计算还要考虑到立柱倾角的影响因素。
支架的工作阻力是指甲的一个重要参数，它表示支架支撑力的大小，但是，由于支架的顶梁长短和间距大小不同，所以并不能完全反映支架对顶板的支撑能力。
因此，常用单位支护面积顶板上受支架工作阻力的大小，即支护强度来表示支架的支护性能。
即
MPa
式中f----支架的支护面积，
。
2.1.3液压支架的支护方式
综采工作面的主要生产工序有采煤、移架和推溜。
3个工序的不同组合顺序，可形成液压支架的3种支护方式，从而决定工作面“三机”的不同配套关系。
1）即时支护
一般循环方式为：
割煤——移架——推溜，工作面“三机”的配套关系。
即时支护的特点是，顶板暴露距离较小。
适用于各种顶板条件，是目前应用最广泛的支护方式。
2）滞后支护
割煤——推溜——移架。
滞后支护的特点是，支护滞后时间较长，梁端距大，支架顶梁较短。
可用于稳定，完整的顶板。
3）复合纸糊
割煤——支架伸出伸缩梁——推溜——收伸缩梁——移架。
复合支架的特点是：
支护滞后时间短，丹增加了反复支撑次数，可适用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，适应高效要求，目前应用较少。
2.2液压支架总体方案比较与确定
2.2.1液压支架的选型
2.2.1.1液压支架的支撑力与载荷关系
支撑掩护式支架式为了改善上述两类支架的性能和对顶板的适应性而设计的。
主体部分接近垛式，支架后部有四连杆机构和掩护梁，增加了支架的稳定性和防护性，提高了支架的支护和承载能力。
所以，此种支架介于以上两种支架的中间状态，提高了适应范围，适用于顶板较坚硬，顶板压力较大或顶板破碎的各种煤层，其受力状况如图2—3所示。
2.2.1.2液压支架架型的分类
按照液压支架在采煤工作面安装的位置来划分有端头液压支架和中间液压支架。
端头液压支架简称断头支架，专门安装在每个采煤工作面的两端。
中间液压支架是安装在除工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。
目前使用的液压支架分三类：
支撑式、掩护式、支撑掩护式。
支撑式液压支架：
支撑式支架的架型有垛式支架和节式支架两种形式。
如图2—3，前梁较长，支柱较多并呈垂直分布，支架的稳定性由支柱的复位装置来保证。
因此底座坚固，它靠支柱和顶梁的支撑作用控制工作面得顶板，维护工作空间。
顶板岩三石则在顶梁后部切断跨落。
这支架具有较大的支撑能力和良好的切顶性能，适用于顶板紧硬完整，周期压力明显或强烈，地板较硬的煤层。
图2-4
掩护式支架：
掩护式支架有插腿式和非插腿式两种形式。
如图2—4所示顶梁较短，对顶板的作用力均匀：
抵抗直接顶水平运动的能力强：
防护性能好调高范围大、对煤层变化适应性强：
但整架工作阻力小，通风阻力大、工作空间小。
这类支架适用于直接定不稳定或稳定的煤层。
图2-5a-插腿式支架b-立柱支在掩护式菲插腿式支架c-立柱支在顶梁上非插腿式支架
支撑掩护式支架：
支撑掩护式支架架型主要：
四柱在顶梁上（如图2-5a,b所示）：
二支柱在顶梁（2-5，c）一柱或二柱支架在掩护梁上。
支柱两排，每排1-2根，剁成倾斜布置，靠采空区一侧，装有掩护两盒四连杆机构。
它的支撑力大，切顶性能好，防护性能好，结构稳定，但结构复杂，重量大，价格贵，不便于运输。
这类支架适用于直接顶为中等稳定或稳定，老顶有明显或强烈的周期来压，瓦斯储量较大的中厚煤层中。
图2-6
2.2.1.3液压支架选型原则
液压支架的选型，其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面的条件，投产后能做到高产、高效、安全，并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件，因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备进行选择。
液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。
一般情况下课根据顶板的级别直接选出架型。
当煤层厚度超过2.5m时，顶板有侧向推力时，应选用抗扭能力强制家，一般不宜先用支撑式支架。
当煤层厚度达到2.5~2.8m以上时，需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架，煤层厚度变化大时，应选择调高范围较大的掩护式双伸缩立柱的支架。
应使支架对底板的比压不超过底板的抗压强度。
在底板较软的条件下，应选用抬底装置的支架或插腿掩护式支架。
煤层倾角<
10时，支架课不设倒滑装置15~25度时，排头支架应设放倒滑装置，工作面中部输送机设防滑装置，工作面中部支架设底设千斤顶，工作面中部输送机设防滑装置。
对瓦斯涌出量大的工作面，应符合保安规定的要求，并优先选用通风面积大的支撑式或支撑掩护式支架。
当煤层为软煤时，支架最大采高一般≤2.5m；
中硬煤层时，支架最大采高一般≤3.5m；
硬煤层时，支架最大采高＜5m。
在同时允许选用几种架型时，应优先选用价格便宜的支架。
断层十分发育，煤层变化过大，顶板的允许暴露5~8
m
，时间在20分钟以上时，暂不宜采用综采。
特殊架型的选择可根据特殊架型中各节的适用条件进行选择。
液压支架设计的原始条件如表2-1所示。
表2-1
老顶级别
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
直接顶
1
2
3
4
支架类型
掩护式
支撑式
掩护式获支撑是
支撑掩护式
支撑或支撑掩护式
支撑方式
采高<
2.5m
采高>
支架支护强度
采高
0.294
1.3×
1.6×
0.249
2×
应结合深孔爆破，软化顶板等措施处理才空区
0.343（0.245）
0.343
0.441（0.343）
0.441
0.539（0.441）
单体支柱支护强度
0.147
按采空区处理
0.245
1.3.343
注：
①括号内的数字式掩护式支架的支护强度。
表中所列支护强度在选用时，课根据本矿情况允许有±
5%的波动范围。
②表中1.3、1.6、2分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级老顶的分级增压系数；
Ⅳ级老顶只能给出最低值2，选用时可根据本矿的实际情况确定适宜值。
2.3液压支架的整体结构尺寸
2.3.1液压支架基本技术参数的确定
2.3.1.1支护高度
原始条件：
支撑掩护式轻型放顶煤液压支架
顶压：
200吨（最大300吨）
煤层厚度：
2~5m
煤层倾角：
≤8º
顶板性能：
中等稳定、平整
底板性能：
中硬
瓦斯含量不大
支架高度确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大与最小高度为：
H大≥h大+S1（mm）（2-1）
H小≤h小—S2—a—δ（mm）（2-2）
式中：
H大——支架最大高度，mm
H小————支架最小高度，mm
h大———煤层最大高度，mm
h小————煤层最小高度，mm
S1——考虑伪顶煤冒落时，仍有可靠支撑力所需要的支撑高度，一般采取200-300mm，S1取250mm。
S2——底板最大下沉量是，一般取100-200mm，S2取100mm。
a———移架时支架的最小可伸缩量，一般取50mm。
δ——浮矸石、俘煤厚度，一般取50mm。
由式2—1可得
H大≥5000+250=5250mm
由式2—2可得
H小≥2000-100-50-50=1800mm
所以取：
H大=5250mm
H小=1800mm
2.3.1.2支架间距和宽度的确定
所谓支架间距，就是相邻两支架中心之间的距离。
用bc表示。
支架间距bc要根据支架型式来确定，但由于每支架的推移千斤顶都与工作面输送机的一节溜槽相连，因此目前主要根据刮板输送机溜槽每节长度及槽帮上千斤顶链接块的位置来确定，我国刮板输送机溜槽长为1.5m，千斤顶连接位置在刮板槽槽帮中间，所以除节式和迈步式支架外，支架间距大部分为1.5m，大采高支架为提高稳定性中心间距可采用1.75米，轻型支架为适应中小煤矿工作面快速搬家的要求，中心间距可采用1.25米。
因此本设计预取bc=1.25m。
支架宽度是指顶梁的最小和最大宽度。
宽度的确定应考虑支架的运输、安装和调架要求。
支架顶梁一般装有活动侧护板，侧护板行程一般为170~200mm。
当支架中心间距为1.5米时，最小宽度一般取1400~1430mm，最大宽度一般取1570~1600mm。
当支架中心距为1.75米时，最小宽度一般取1650~1680mm，最大宽度一般取1850~1880mm。
当支架中心间距为1.25m时，如果顶梁带有活动侧护板，则最小宽度1150~1180mm，最大宽度一般取1320~1350mm，如果顶梁不带活动侧护板，则一般取1150~1200mm。
本次选取1150~1200mm。
2.3.1.3底座长度
所谓底座，就是将顶板压力传递到底板的稳固支架的部件。
在设计支架的底座长度时，应考虑一下几个方面：
支架对底板的接触比压要小；
支架内部应有足够的空间用于安装立柱，液压控制装置，推移装置和其他的辅助装置，便于人员操作和行走，保证支架的稳定性等。
通常，掩护式支架的底座长度取3.5倍的移架步距，即2.1米左右；
支撑掩护式支架对底座长度取4倍的移架步距，即2.4米左右。
本次设计地作为2.4米左右。
2.3.1.4支护强度
本次设计中支撑掩护式支架的支护强度q，可用插入法求得，按下式计算：
（2—3）
式中：
qx—支架名义支护强度。
（KN/m2）
q1—采高h1所对应的支护强度，见表2—1
q2—采高h2所对应的支护强度，见表2—1
h1——q1对应的采高（m）见表2—1
h2——q2对应的采高（m）见表2—1
Hx—支架的结构高度，在h2~h1之间。
对应最大结构采高Hx=5.25m时
h1=3mq1=705.6KN/m2
h2=4mq2=862.4KN/m2
将各数据代入式（2—3）得采高最大时支架支护强度
2.3.2底座形式的选择
支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座。
1）整体刚性底座如图2-7所示。
中档部一般有一高度50~100mm小箱形结构，中档后部上方为相形结构、推移千斤顶一般安装在相形体之上。
整体刚性底座立柱窝前一般要设计一过桥，一提高底座的整体刚性和抗扭能力。
整体刚性底座的整体刚度和强度好，底座底座接触面积大，有利于减小对底座的比压，但中档推移机构处易积存浮煤碎矸，清理较困难，一般用于较软底板条件下工作面。
图2-7整体式底座
2）底分式刚性底座如图2-8所示，底座底板中分式的中档推移机构直接落在煤层底板上，前立柱柱窝前有过桥，中档后部上方为箱型结构。
由于底分式刚性底座中挡板分体，推移装置处的浮煤、碎矸可以随支架从后端排到采空区，不需要人工清理，适应高产高效要求，但减少了底座接触面积，增大了对地板的比压。
目前高产高效工作面液压支架一般均采用分体刚性底座。
3）如图2-9所示，交接分体式底座分为左右相对独立的两个部分，从中档处铰接，左右底座在垂直方向可以相对错动，无刚性约束。
这种底座对地板不平的适应性好，减少了底座的扭转和偏载载荷，但是支架的整体刚性有所降低。
波兰支架采用铰接分体式底座较多，我国用的比较少。
根据常用底座的各自特点，本设计选用整体刚性底座。
图2-8底分式刚性底座
图2-9铰接分体底座
第3章液压支架的主要部件设计
3.1采煤机和运输机型号的确定
根据配套尺寸关系，在设计中选用采煤机和运输机型号为：
采煤机：
MLS3PH型运输机：
SGWD-180PH
配套尺寸，配套图的确定
配套尺寸的确定，由图3-1可知
配套尺寸：
E=650+377+352=2109（3-1）
液压支架配套关系图，如图3-1所示。
图3-1液压支架配套关系图
3.2顶梁的确定
顶梁是与顶板直接接触的构件，除满足一定的刚度和强度要求以外，还要保证支护顶板的需要。
顶梁的作用及用途
顶梁作用是支护顶板一定面积的直接承载部件，并为立柱、掩护梁、护顶装置等提供必要的链接点。
用途；
a.用于支撑维护控顶区的顶板。
b.承受顶板的压力。
c.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。
支架常用顶梁形式有三种：
整体顶梁、铰接前梁的刚性顶梁
升级会员 