液压支架设计.docx

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液压支架设计

摘要

矿井液压支架的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低陈本、减轻工人的体力劳动和保证生产是不可缺少的有效措施，因此液压支架的设计师技术上先进、经济上合理、安全上可靠、是实现采煤综合机械化和自动化的主要体现。

采煤综合机械化，是加速我国煤炭工业发展，大幅度提高劳动生产率，实现煤炭工业现代化的一项战略措施。

综合机械化不仅产量大、效率高，成本低，而且能减轻笨重的体力劳动，改善作业环境，是煤炭工业技术的发展方向。

液压支架是综合机械化采煤方法中最重要的设备之一。

液压支架主要由以下几个基本部分组成：

顶梁，掩护梁和四连杆机构，侧护板，底座，立柱，千斤顶。

设计要遵从从支柱性能好、强度高、移架速度快安全可靠等原则。

支架采用四连杆机构，改善支架的受力状况，缩小支架升降过程中的顶梁前段前后移动的距离。

立柱采用双伸缩液压缸，以满足支架最低及最高位置时的高度要求。

关键词：

液压支架，四连杆机构，双伸缩，采煤综合机械化

Abstract

Theapplicationofhydraulicsupportincoalminingfaceofincreasingproductionandraiselaborproductivityreducecosts,reduceworkersandtoensuresafetyinproductionisindispensableforeffectivemeasuresto,Thereforethedesignofhydraulicsupportistechnicallyadvancedandeconomicallyrational,safeandreliableisthemainmanifestationofthecomprehensiveofthecomprehensivemechanizationandautomationofmining.

Thecomprehensivemechanizationofcoalminingisaccelerationcoalindustry.Synthesizemechanizationnotonlyoutputbig,efficiencyhaslowcosthighandcanalleviateheavyphysicallaborandimprovementschoolworkenvironment,isthetechnologyofcoalindustrydevelopdirection.Hydraulicsupportistheoneofcomprehensivemostimportantequipmentinthemechanizationmethodofcoalmining.

Hydraulicsupportmajorformsomefollowingbasicallypartialcompositions:

Topbeam,screensbeamand4linkagemechanisms,sidefender,base,prop.Designtofollowprotectperformancegood,strengthisspeedhigh,moverapidreliableetc.principle.Thesupportusesfourlinkmotiongears,improvethesupportthestresscondition,reducesthesupporttoriseandfullthedistancewhichintheprocessfortendthetop-beamaroundmoves.Thecolumnusesthelistexpansionandcontractionhydrauliccylinder,frontendhaslegthensthepole,satisfiesthesupporttobelowestandtimethehighestpositionshighrequest.

Keyword:

Hydraulicpressuresupport;Four-barlinkage;Doubletelescopic;Mechanizedmining

第一章绪论

1.1液压支架设计的国内外现状及发展

自20世纪50年代以来，液压支架已逐步成为采煤工作面核心设备[1]。

20世纪50年代前,在国内外煤矿生产中,基本上采用木支柱、木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。

1954年英国首次研制出液压支架,目前,以液压支架为主体的地下综采设备,已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。

我国是煤炭生产大国,在20世纪60年代也曾研制了几种液压支架,但未得到推广和应用。

20世纪70年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架,经过使用、仿制和总结经验,到20世纪80年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展,相继研制和生产了TD系列、ZY系列和ZZ系列等20多种不同规格的液压支架[2]。

图1.1TD系列液压支架图1.2ZY系列液压支架

图1.3ZZ系列液压支架

目前,在国内大、中型矿井中,条件合适的煤层均采用液压支架进行综合机械化开采。

1980年起人们取得了对自移式液压支架的研制成功并逐步改进完善,进而普遍推广应用,使回采工作面采煤过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序全部实现综合机械化,煤矿取得了较大综合效益。

到20世纪90年代初,人们寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法,采用了放顶煤技术。

今天随着计算机技术和自动化技术的普及应用和提高,为煤矿生产自动化和高效生产提供了新的出路。

煤矿综采液压支架电液控制系统的应用,大大地加快了工作面的移架、推进速度,改善了采煤工作面顶板的支护状况,使工作面产量成倍增加,直接功效大幅度提高,安全状况明显改善,吨煤成本大幅度下降,为煤矿生产的高效、安全和煤矿工人劳动环境及形象的改变提供了条件。

综采使煤矿实现了由手工操作向机械化的变革,电液控制系统使井下采煤实现由机械化向自动化的革命,也可称为采煤技术的第2次改朝换代的重大改革,是煤矿21世纪的高新技术[3]。

20世纪70年代中期，英国煤炭局首先提出研制电液控制液压支架，澳大利亚的克里曼尔煤矿最先将电液控制液压支架用于长壁工作面，该设备由74架英国原道梯公司研制的四柱垛式液压支架组成，1981年该公司又为美国坎塞尔煤矿制造了微机控制液压支架。

1995年该公司又研制出了全工作面集中电液控制系统，该系统的主控制台及电源布置在工作面运输巷内，可以使操作人员在运输巷内对工作面的支架进行控制。

德国是20世纪80年代初开始大力发展支架电液控制系统的，并成功推广应用。

德国威斯特伐亚公司于西门子公司于1978年至1984年间合作研制的Panzermatic-E系统，是德国第一套达到实际应用并推广应用的支架电子控制装置。

该系统主控制台采用西门子公司的本安型微机系统“Simdassti”，能分组显示支架的相对位置和故障，显示系统的运行参数。

如降柱时间、分组架数、采煤机相对位置及形成，并能用键盘输入某些运行参数。

随着计算机技术的发展，1987年威斯特伐利亚公司研制出P-S5支架电控系统。

该系统具有灵活的编程能力，采用专用的CPU处理机和性能较高、能耗较低的MCS-80C单片机，操作面板采用全塑密封，轻触按键，LCD参数，故障即可显示。

1987年又研制PM2电控系统，其基本功能与P-S5系统类似。

但采用了五行十列的寄存器组和16位字符显示器来进行支架运行参数的显示和辅助功能的置入，并可通过操作面板的4个功能键随意显示支架参数或调用辅助功能，其辅助功能可通过面板上的另外两个功能键任意置入或删除。

1987年威斯特伐利亚公司与Marco公司合作研制出PM2型电液控制系统，1990年又研制出更为先进的PM3型支架电液控制系统，技术上已相当可靠，获得了广泛的推广应用。

美国发展电液控制液压支架起步比较晚。

1984年在西弗罗里达洲拉夫里吉矿使用原道梯公司制造的装有电液控制系统的液压支架，装配了第一个高产高效工作面并取得成功，除此之外，德国EEP公司、德国TIEFEN-BACH公司、德国BOSHA公司、波兰EMAG公司、法国、俄罗斯等国家也都先后研制成功电液之家控制系统，并推广使用[4]。

虽然我国在液压支架技术方面取得了可喜的成绩，但与世界发达国家相比，还存在一些不足，主要表现在：

首先，我国综采比例低，落后的生产技术与世界产煤大国的地位极不相称。

世界主要产煤国家的综采比例都是全国煤炭井工生产的比例。

第二，我国液压支架制造技术水平相对落后。

我国在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有很大差距。

第三，液压支架控制系统的研究处于落后状态，严重制约支架移架速度的提高和综采经济效益的发挥。

从20世纪80年代开始，大力着手电液先导程序控制的研究和使用，因此，现在美、德、英、日等基本全是可编程电液控制。

而我国液压支架还普遍采用手动操纵。

近年来，我国采煤综合机械化的水平有所提高，随着综合机械化采煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的出现，要求支架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的改进，是满足不了这一要求的[5]。

1.2液压支架设计的主要关键技术

液压支架是综采设备的主要设备之一，近十年来主要发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，合理的四杆机构的设计，设计参数向搞工作阻力、大中心距（1.75m、2m）发展，结构件材料越来越多的采用高强度钢材；液压支架另一关键技术是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁（或微电机）控制的先导阀，先进可靠地压力和位移传感器，灵活自由的微处理技术，红外遥感技术等现代科技成果，式液压支架的动作自动连续进行，移架速度大大提高，支架循环时间达到8s以内[6]。

还可以配合采煤机的煤岩识别系统先进技术，可实现工作面自动控制。

1.3本课题研究的意义

液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。

液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它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。

液压支架是机械化采煤方法中最重要的设备之一。

随着综采技术的发展，对液压支架设计的要求越来越高，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能地减轻重量。

我国的矿山机械行业常常由于新产品开发周期长，成本高，质量不稳定，导致一些产品严重老化，缺乏市场竞争力，从而处于一种不景气的局面。

基于虚拟样机技术的液压支架设计及仿真分析研究将对我国煤矿机械行业的进步及提高煤矿机械产品在国际市场的竞争力有着重要的意义[7]。

1.4本课题研究的主要内容及手段

1.4.1课题研究内容

液压支架主要由底座、立柱、顶梁、掩护梁、前后连杆、前探梁、护帮板组成立柱是二级伸缩油缸,其上端的活柱与顶梁中部球面连接,下端缸体与底座中部球面连接；顶梁后端与掩护梁上端通过销轴连接；掩护梁中部和下部端分别与前、后连杆的上端通过销轴连接；前、后连杆的下端通过销轴与底座后部连接；顶梁的前部与前探梁后部通过滑移副连接；前探梁的前部与护帮板通过销轴连接。

立柱油缸提供升降运动及支撑动力,顶梁和掩护梁的作用是支、护顶部和后部的煤岩,顶梁承受顶部工作压力,掩护梁和连杆承受偏载扭矩，底座是整台机器的基础。

主要研究内容包括:

（l）在Solidworks软件中建立起液压支架零部件的三维实体模型；

（2）在系统中建立液压支架的多体系统动力学模型；

（3）完成液压支架机构的特性分析；

（4）完成关键零部件的校核。

1.4.2研究手段

（l）采用Solidworks建立液压支架各功能部件及整机的三维数模。

（2）建立四连杆机构的运动学模型，并对该四连杆机构进行运动学仿真分析。

（3）以运动学仿真分析结果为指导，对该四连杆机构的进行优化，然后对其力学特性进行校核，确保该四连杆机构优化方案可行。

（4）根据液压支架的特点，建立整台液压支架的多体系统动力学模型。

依据有关国家试验标准，利用ADAMS软件进行有关特性的虚拟试验仿真。

第二章虚拟样机技术介绍

2.1虚拟样机的起源与发展

虚拟样机（VirtualPrototyping,VP）技术又称系统动态仿真技术,是20世纪80年代随着计算机技术的发展而迅速发展起来的一项计算机辅助工程设计

技术。

作为一项新型工程技术,虚拟样机日益显示出强大的生命力,正越来越多地被应用于机械、电子、航空和国防等领域[8]。

通常,虚拟样机应该包括如下三个主要模块。

（1）3D立体模块:

具备完善的物理模型描述能力。

（2）人际交互模块:

虚拟样机技术以虚拟现实技术为基础,实现产品模型的逼真显示、动画仿真和人机交互。

（3）测试评估模块:

产品模型分析和评价是虚拟样机技术的核心,主要包括产品可制造性分析和产品性能评价,例如产品几何形状、空间布局、结构学分析、动力学分析、可加工性分析、可装配性分析、可维护性分析等等[9]。

虚拟样机是VPT的核心，是实际产品在计算机内部的一种表示，这种表示能全面、准确反映产品在功能、性能、外观等各个方面的特征和特性。

即虚拟样机是物理样机在计算机内的一种映射，这种映射能够保证基于虚拟样机的仿真结果和基于物理样机的测试结果在一定精度范围内等同，从而可用仿真替代测试。

虚拟样机是产品数字模型的一种拓展。

后者是产品信息在计算机内的一种数字化表示，其特征是数字量与模拟量的区别。

它侧重于产品几何信息的描述，并能完成一些基于几何信息的仿真（如装配、切削过程模拟），现有CAD模型均属于数字模型[10]。

而虚拟样机不仅包括产品的几何信息，同时还包括各种物理仿真的规则数据，以支持不同领域、不同学科的基于物理原理的数值计算[11]。

1995年FanDai等人将虚拟样机定义为一种快速评价不同物理产品设计的方法，即通过将虚拟现实技术和计算机仿真技术以及CAD技术相结合，建立起一个物理造型的数字原型。

目前，虚拟样机系统已经广泛应用于汽车制造业和飞机制造业，美国海军研究所利用虚拟样机技术设计新型的海军军舰[12]，大众汽车公司[13]的工程师们利用该技术提高车辆设计速度。

schulz等人采用虚拟样机技术研究了金属板变形过程，以便预测残余应力和厚度的分布情况，BowZyerlvl开发了一种桌面型虚拟样机钻床操作系统。

虚拟样机技术的不断成熟为解决物理样机存在的问题提供了强有力的工具和手段。

通过虚拟样机技术，一方面可以节约新产品开发时间和资金，降低新产品开发成本，避免不必要的浪费;另一方面可以完善产品性能，提高产品质量，从而增强产品市场竞争力。

2.2相关的国内外研究发展状况及成果

2.2.1虚拟样机的实际应用

近年来,计算机辅助设计、分析技术及虚拟制造技术的快速发展,使设计技术上了一个新台阶。

人们依靠计算机技术、软件技术和虚拟现实技术,通过在计算机上构造数字化产品模型即虚拟样机（virtualprototype）并在各种虚拟环境中真实的模拟各种载荷作用,预示未来产品的应用性能。

在产品投入生产制造之前,可通过多种设计方案的筛选、比较,最终获得产品级的优化设计方案,从而极大的提高了设计水平,降低了产品的开发成本和缩短了开发周期[13]。

随着CAX/DFX技术的发展,在产品开发过程中把分析作为设计的驱动,提出DesignDrivenbyAnalysis的概念已逐步从概念走向参数化建模虚拟样机技术的研究和应用,实现了产品开发全过程的电子化,改变了传统的设计观念,产品开发过程也随之发生了变化,从设计-样机制造-试验走向了设计-仿真,把物理样机制造放在最后,量化生产,真正实现了产品设计的数字化时代[14]。

作为一项先进设计、制造技术,虚拟样机技术在工业中广泛应用于汽车制造、工程机械、航天航空、国防工业以及通用机械制造业等诸多领域。

在国外,虚拟样机技术的应用非常广泛,特别是成本高、系统复杂的飞机制造业对虚拟样机的需求特别强烈。

1994年Ｂoeing777在世界上首次借助虚拟样机技术成功取代大型物理模型,保证了机翼和机身的一次接合成功,缩短了数千小时的研发周期,开创了虚拟样机技术研究应用的先河。

1997年美国克莱斯勒汽车公司开发了“克莱斯勒数据可视化”仿真软件平台,在对新产品“98”型汽车进行检查时,发现了1500处零部件的干涉情况,制作第一个实物模型前改进了大量的设计错误,大大地缩短了产品设计周期[6]。

通用动力公司1997年建成了第一个全数字化机车虚拟样机,并行地进行产品的设计、分析、制造及夹具、模具工装设计和可维修性设计。

日产汽车公司,利用虚拟样机进行概念设计、包装设计、覆盖件设计、整车仿真设计等。

以前Caterpillar公司制造一台大型设备的物理样机需要数月时间,并耗资数百万美元,所以,为了提高竞争力,必须大幅度削减产品的设计、制造成本。

Caterpillar公司采用了虚拟样机技术,从根本上改进了设计和试验步骤,实现了快速虚拟试验多种设计方案,从而使其产品成本低,性能却更加优越。

同样,JohnDeere公司为了解决工程机械在高速行驶时的蛇行现象及在重载下的自激振动问题,利用虚拟样机技术,不仅找到了原因,而且提出了改进方案,并且在虚拟样机上得到了验证,从而大大提高了产品的高速行驶性能与重载作业性能。

美国海军的NAVAIRAPL项目[8]利用虚拟样机技术,实现多领域多学科的设计并行和协同,形成了协同虚拟样机技术（collaborativevirtualprototyping）,他们研究发现,协同虚拟样机技术不仅使得产品的上市时间缩短,还使得产品的成本减小了至少20%[15]。

在我国,虚拟样机技术的应用尚处于起步阶段,但是正在逐步引起重视,并将得到应用和推广。

许多科研人员已在航天、航空、汽车、铁路机车等行业,针对一些复杂产品开发,开展了虚拟样机技术的应用研究工作。

典型例子如航天部上海航天局第805研究所,在1996年3月利用虚拟样机分析软件ADAMS,完成了外翻式对接机构虚拟样机的开发工作,利用三维动画形象地演示对接过程,预测了空间站外翻式对接机构的性能和设计合理性,实现了“空间站外翻式对接机构”的动力学仿真研究。

中航第一飞机研究院成功推出了国内首架飞机全机规模电子样机。

863项目“月球表面探测机器人方案研究”则运用虚拟样机技术构造虚拟月球面计算仿真环境,并对涉及到的多项关键技术进行了深入研究,取得了很好的成果。

在我国的农业机械领域,虚拟样机技术也有应用[14]。

有人利用虚拟样机技术来设计甘蔗收获机,实现了产品和产品设计方法的创新,取得了良好的效果。

。

一般的,甘蔗收获的工序主要包括:

扶蔗、根部收割（砍）、打顶（断尾）、剥叶和捆扎几个环节。

在甘蔗收获机械中,扶、砍、断尾和剥叶部分是整机设计中的重点和难点,所设计的产品性能主要由这些部件决定,这些关键点有了突破,其他问题就能迎刃而解（如图2.13）[13].

2.2.2虚拟样机相关理论的研究现状

传统的设计思想和方法是一个串行的过程，从设计到产品的批量生产按照从前到后的顺序进行。

上游的活动对下游考虑很少，往往是把注意力过分集中在细节上面而忽略了整机性能，从而导致产品存在许多未曾估计到的问题，最终必将导致很长的产品开发周期和很高的开发成本;基于虚拟样机的产品开发过程是一种并行工程[16]设计过程，能展示产品的各种方案，评估用户的需求，提前对产品的用户满意度作检查，提高了产品设计的自由度，能够快速方便地将工程师的想法展示给用户，在产品开发的早期测试产品的功能，可以及时发现产品在设计、制造、使用过程中可能出现的各种缺陷，进而采取措施加以弥补或修正，从而大大提高产品品质，提升客户满意度，降低了出现重大设计错误的可能性，可以避免重复建立物理样机造成的资源浪费，对于提高产品开发成功率和市场竞争力具有重要的战略意义和广泛的应用前景[17]。

2.3虚拟样机液压支架的发展现状

作为一项新型工程技术,虚拟样机日益显示出强大的生命力,正越来越多地被应用于机械、电子、航空和国防等领域。

但就液压支架而言,各方面研究才刚刚展开[10]。

液压支架是机械化采煤方法中最重要的设备之一。

随着综采技术的发展，对液压支架设计的要求越来越高，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能地减轻重量[18]。

综合机械化采煤方法是高效、安全的采煤方法，液压支架是机械化采煤方法最重要的设备之一[19]。

在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的作业空间，保证工人安全和各项作业的正常进行，必须对顶板进行支护。

液压支架是以高压液体作为动力，由液压元件与金属结构件组成的支护和控制顶板的设备，它实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。

随着综采技术的发展，对液压支架设计提出更高的要求，既要保证完善的性能和高的可靠性，又要尽可能的减轻重量。

对于综采设备液压支架的研究，目前英国、澳大利亚和德国等采矿行业发达的国家进行得较多，尤其是德国在这一领域的研究比较突出。

德国DBT公司生产的液压支架在国际市场具有竞争力，支架设计通过运动学仿真和有限元分析，对其四连杆机构进行优化完善，推出一定使用高度支架的成熟架型。

这类架型的使用高度在只适合某一范围内，有很大的局限性，而在设计中，注重液压支架的电液控制技术和高强度板材的使用。

由于我国采矿业起步较晚，我国煤矿地质条件的复杂性，煤层厚度变化范围大，有急倾斜煤层、薄煤层和特厚煤层等不同类型的可采煤层，注定了液压支架的生产具有小批量、多品种的特点。

这都要求针对各个井田的特殊情况，设计出不同高度和不同类型的架型的支架来满足用户的需要。

随着计算机辅助设计（CAD）技术的成熟及大规模推广应用，现液压支架的设计方法主要还是集中在二维设计上，而对于三维支架，当前的研究主要集中在支架的三维建模、静强度有限元分析阶段[20]。

因此迫切需要针对液压支架的特点，建立液压支架虚拟样机系统。

随着虚拟样机技术逐渐成熟，工程技术人员可以在计算机上建立机械系统的模型，伴之以三维可视化处理，模拟在现实环境下系统的运动和动力特性，并根据仿真结果优化系统的设计，在设计早期确定关键的设计参数、缩短开发周期，降低成本、提高产品质量[18]。

第三章液压支架组成分析

3.1液压支架的组成

液压支架是综采工作面的支护设备，它的主要作用是支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采运设备。

液压支架的种类很多，但其基本功能是相同的。

液压支架按其结构特点和与围围岩的作用关系—“般分为三大类”即支撑式、掩护式和支撑掩护式根据支架各部件的功能和作用其组成可分承载结构件、动力油缸、控制操纵元件、辅助装置和工作液体五部分。

（1）承载结构件如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。

（2）液压油缸包括立柱和各类千斤顶。

（3）控制元部件包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀以及管路、液压、电控元件等。

其主要功能是操作控制支架各液压油缸动作及保证所需的工作性能。

（4）辅助装置如推移装置、护帮（或挑梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、防倒防滑装置、连接件等。

这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。

（5）工作液体这是传递泵站能量使液压支架能有效工作的工作介质。

液压支架的工作液体是