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精密鍛造模具尺寸精度及模具應(yīng)力的
集成計(jì)算機(jī)輔助決策支持系統(tǒng)
摘要：在精密鍛造中，我們可以廣泛而有效地應(yīng)用決策支持系統(tǒng)。決策支持系統(tǒng)是基于早期有經(jīng)驗(yàn)的鍛造模具設(shè)計(jì)工程師的總結(jié)和經(jīng)驗(yàn)而產(chǎn)生的。在降低成本、提高元件可靠性的過(guò)程中，精密零配件正扮演著越來(lái)越重要的角色。因此，在許多應(yīng)用領(lǐng)域中,業(yè)務(wù)規(guī)范本身也已經(jīng)成為固有的部分或工藝流程。在鍛造模具設(shè)計(jì)中，高尺寸精度更是主要目標(biāo)之一。任何鍛件的承載力和使用壽命在很大程度上都受尺寸精度影響。為了預(yù)測(cè)部件的尺寸，并確定精鍛模具的尺寸，我們有必要分析一下影響尺寸精度的因素。并且在鍛造的每個(gè)階段中都對(duì)模具和產(chǎn)品的空間演變進(jìn)行分析。在這項(xiàng)研究中，自圓柱形工件投入使用以來(lái)，徑向和切向應(yīng)力都將作為模具應(yīng)力被測(cè)定。為確保鍛模尺寸和產(chǎn)品尺寸相吻合，應(yīng)盡量避免鑲件與鍛模間的彈性擴(kuò)張和收縮。
關(guān)鍵詞：精密鍛造 模具應(yīng)力 決策支持系統(tǒng)
1引言
精密成型工藝與鍛件尺寸精度在模具鍛造中地位特殊。由于其經(jīng)濟(jì)效益的原因，精密成形已經(jīng)成為金屬成形技術(shù)所要實(shí)現(xiàn)最重要的目標(biāo)之一。在鍛造行業(yè)中，為了獲得較高的鍛造精度和較長(zhǎng)的模具壽命，我們已經(jīng)開始著眼于如何提高的鍛件尺寸精度。由于模具和工件的彈性和熱特性的不同影響，鍛件的尺寸很有可能有別于模具型腔。在這些特性中，刀具和工件材料彈性運(yùn)動(dòng)對(duì)尺寸精度的影響較大。
模具和毛坯的彈性特性受零件不同形狀的影響，即使是相同的材料。因此，設(shè)計(jì)者應(yīng)充分認(rèn)識(shí)到消除誤測(cè)模具和毛坯彈性變形的重要性。許多研究人員在優(yōu)化模具、延長(zhǎng)模具壽命和優(yōu)化工藝設(shè)計(jì)的研究中，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)的方法研究了型腔補(bǔ)償。在數(shù)字分析方面，Takshashi和Brebbia 用邊界元法分析了鍛造模具應(yīng)力。 Sadeghi和Dean則研究了關(guān)于尺寸精度的精密鍛造軸對(duì)稱組件。 Eyercioglu 和Dean也研究了精密齒輪的設(shè)計(jì)和加工。此外，一些研究還提到了尺寸精度和有限元，上限元素技術(shù)（UBET）等一些數(shù)學(xué)研究方法，而平板法也在鍛造工具的彈性特性的過(guò)程中被提出。
Gerhard 和 Altan聲明他們的模具結(jié)構(gòu)分析和應(yīng)力及彈性偏差預(yù)測(cè)都是基于模具壽命預(yù)測(cè)的。尤其在熱鍛，模具應(yīng)力，機(jī)械連接的構(gòu)型及熱應(yīng)力，修復(fù)模具疲勞，表面裂紋，裂紋擴(kuò)展，等影響模具壽命和效益方面頗具成效。
大多數(shù)成形操作中，形變模式的控制是非常復(fù)雜的，因此我們不可能給予定量的描述。毛坯在成形區(qū)的材料形變模式受很多因素的影響，如摩擦，潤(rùn)滑，溫度，流速，邊界條件，材料性能，刀具和毛坯幾何形狀等。該金屬成形工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)不但需要了解這些參數(shù)的影響而且要對(duì)過(guò)程中機(jī)械參數(shù)的相互作用有所研究，以便了解特定金屬的成型工藝。為了獲得所需的幾何和力學(xué)性能，工藝參數(shù)必須準(zhǔn)確，優(yōu)化，并得到適當(dāng)?shù)目刂啤?
對(duì)于鍛造模具的設(shè)計(jì)要求及負(fù)荷的預(yù)測(cè), 經(jīng)驗(yàn)豐富的工具設(shè)計(jì)師運(yùn)用所積累的知識(shí)一般通過(guò)正確處理尺寸精度來(lái)實(shí)現(xiàn)。而這些知識(shí)，經(jīng)驗(yàn)都是基于工業(yè)試驗(yàn)的。除了有關(guān)模具應(yīng)力和鍛造負(fù)荷的數(shù)學(xué)計(jì)算外，必要的過(guò)程計(jì)劃及源于行業(yè)業(yè)務(wù)規(guī)范的準(zhǔn)則和知識(shí)也為鍛模設(shè)計(jì)提供了一個(gè)理想的實(shí)施方案 。
2模具設(shè)計(jì)的通用假設(shè)
模具設(shè)計(jì)一般受多個(gè)因素的影響，并且各個(gè)因素之間又相互關(guān)聯(lián)。如：產(chǎn)品的類型、形狀及個(gè)別特殊情況等,但主要受強(qiáng)度要求的影響。我們應(yīng)該意識(shí)到,由于鍛模中復(fù)雜的應(yīng)力分布，在設(shè)計(jì)要求方面不是特別精確。這一情況的出現(xiàn)也是有原因的,如產(chǎn)品材料的分布和徑向壓力的大小就無(wú)法確定。此外,產(chǎn)品的材料在鍛造過(guò)程中也會(huì)不斷的變化，這是由于壓力分布的不斷變化造成的，因而就無(wú)法達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。但通常，我們會(huì)假定存在這樣一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在模具煅燒的過(guò)程中內(nèi)部壓力始終不變。有了這些假設(shè)，就可以對(duì)理論空心氣瓶進(jìn)行計(jì)算。與其他方法相比，邊界元法（UBET）融入了上限定理和有限元素法的優(yōu)點(diǎn)，以便對(duì)變形速率、模具負(fù)載和型腔充填等重要參數(shù)進(jìn)行更為準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。作為初始階段的最優(yōu)化的算法，UBET無(wú)可挑剔，但仍需盡快達(dá)成近乎完美的解決方案。
模具內(nèi)部不斷上升的應(yīng)力主要來(lái)源于煅燒時(shí)模具內(nèi)部較高的壓力。然而，壓力并非一直不變。由于壓力主要集中在模具與形變工件相接觸的部分，所以壓力在鍛造過(guò)程中會(huì)有所變化，而壓區(qū)的長(zhǎng)度也將發(fā)生變化。該鍛件在尺寸上會(huì)與模具有所不同，這主要是由以下幾個(gè)因素造成的：
-鑲件會(huì)收縮至模具外環(huán)的大小以方便工件從模具腔體內(nèi)抽出（Ue）。
-在熱鍛造中，模具可能會(huì)被預(yù)加熱，然后在鋼坯加熱過(guò)程中會(huì)被進(jìn)一步加熱。這將造成模具形腔擴(kuò)展（UT）。
-工件從鍛造溫度冷卻至室溫時(shí)會(huì)發(fā)生收縮現(xiàn)象（Uc）。
-在模具零件的電火花加工時(shí)，電極與工件之間會(huì)發(fā)生火花間隙。這降低了模腔尺寸（克）。
如圖1所示，假設(shè)工件的初始半徑為R0，則模具的最終半徑R4的將是：
R4 =R0 +Ue+Ut-Uc-G
3.公式計(jì)算
3.1擴(kuò)展的彈性模計(jì)算（Ue）
為了計(jì)算由模具的彈性形變?cè)斐傻墓ぜ叽绲淖兓?，我們必須考慮工件的彈塑性形變。假設(shè)工件受模具的應(yīng)力是不變的，并且鍛件在最大負(fù)荷時(shí)始終保持圓柱形，
同時(shí)模具形變是又是彈性的，沿其軸線不變。忽略工件與鍛模接口的摩擦，工件的尺寸在沖頭負(fù)荷產(chǎn)生和消失時(shí)發(fā)生變化。此外，工件尺寸的變化發(fā)生在脫模階段。
為了計(jì)算出的模具在徑向壓力的擴(kuò)張總量，我們必須考慮無(wú)壓力雙汽缸的膨脹量。工件上存在的沖頭負(fù)荷會(huì)導(dǎo)致兩種形式的形變。首先，工件將發(fā)生彈性形變，當(dāng)沖頭應(yīng)力等于工件的屈服應(yīng)力時(shí)，工件開始發(fā)生塑性形變，壓縮一直持續(xù)到工件接觸到模具內(nèi)壁。為了保證工件表面的連續(xù)性，箍張力（切向）工件和收縮環(huán)必須在這一點(diǎn)上是相等的，即:εθ1=εθ2.下標(biāo)1和2分別為鑲件和收縮環(huán)。當(dāng)工件所施加的負(fù)荷達(dá)到最大時(shí)，徑向應(yīng)力將大于其屈服應(yīng)力。在這種情況下，如果沖頭負(fù)荷消失，工件將受到模具的塑性壓力直到工件上的徑向應(yīng)力降低到剪切屈服應(yīng)力的兩倍（Sy）。通過(guò)使用特雷斯卡的屈服準(zhǔn)則，在本階段結(jié)束時(shí)，
工件的徑向膨脹的總值可以通過(guò)以下公式計(jì)算出：
在鍛造過(guò)程結(jié)束時(shí)，沖壓力為零，徑向應(yīng)力（2Sy）仍然作用在工件上。在工件抽出時(shí)，它的半徑將彈性擴(kuò)大而回收量（S）可以通過(guò)假設(shè)壓力（簡(jiǎn)1 / 4平方米）呈圓柱形分布并且取σz= 0：
、
Ev Ew分別是工件材料的楊氏模量和泊松比 。
彈性模膨脹造成的工件的尺寸變化為：
3.2熱模拓展的計(jì)算(Ut)
在熱鍛造中為防止鍛模組件開裂、降低工件冷卻率,通常會(huì)對(duì)模具進(jìn)行預(yù)熱。煅燒過(guò)程中工件上的部分熱量會(huì)進(jìn)一步加熱模具，這兩部分熱量會(huì)導(dǎo)致模具膨脹。模具的徑向溫度分布預(yù)熱溫度為Tp，圖2給出了鈦合金的孔徑大小。我們假定模具的溫度始終不變，但是工件上產(chǎn)生的熱量會(huì)隨徑向溫度梯度形成外熱力流。假設(shè)預(yù)熱均勻，則模壁會(huì)自由膨脹所有徑向膨脹量計(jì)算如下：
這里，Tr為室溫，Tp是預(yù)熱溫度，αd為模具材料的熱膨脹系數(shù)。模具內(nèi)表面溫度不斷上升，圖3為壓力分布示意圖。
因此，由熱壓力造成的任一半徑的徑向位移量可以由計(jì)算而得：
高溫造成的模具總膨脹量為：
3.3產(chǎn)品熱收縮的計(jì)算（Uc）
熱成型加工后的收縮量受加工溫度和鍛造材料熱膨脹的共同影響。假設(shè)收縮徑向發(fā)生,鍛造完成時(shí)的溫度是均勻的,則任何半徑的徑向收縮量為:
其中，Tf是鍛造溫度，αw工件的熱膨脹系數(shù)，r是工件收縮前的半徑。為了實(shí)現(xiàn)高精度的模具尺寸公差范圍、模具尺寸會(huì)被嚴(yán)格控制。正如上文所述，在調(diào)整模具和確定毛坯尺寸之前很明顯要對(duì)上述因素給予充分的考慮。在上述的分析中, 要先計(jì)算出影響鍛造尺寸的參數(shù)，而對(duì)于一個(gè)給定的條件，模具的輪廓是確定的。并且已經(jīng)有用于計(jì)算這些數(shù)據(jù)和修正模具的產(chǎn)品鍛造尺寸的程序。鑲件和收縮環(huán)的尺寸（見圖4）可以通過(guò)等式10-17計(jì)算得出。
其中a是模具內(nèi)半徑、b是鑲件外半徑、c是收縮環(huán)的外半徑、z是干擾參量,Pi是內(nèi)壓力。
4總體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)
現(xiàn)在我們已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一種結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)為決策支持系統(tǒng)建立了推理和控制能力，同時(shí)找到了正確處理模具應(yīng)力和產(chǎn)品尺寸精度的方法。
我們也開始考慮運(yùn)用一種智能的面向?qū)ο笙到y(tǒng)生產(chǎn)出高精度的產(chǎn)品。我們?cè)噲D用母系框架(幾何、鍛造負(fù)荷、模具幾何、網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架來(lái)描述這項(xiàng)工作的知識(shí)表征。模具裝配、材料)與面框相連接。每個(gè)母系框架又設(shè)有有子框架。圖5為整體框架。
母系框架通常用來(lái)描述一般的對(duì)象。數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)定義詳細(xì)說(shuō)明了數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)方式,以方便數(shù)據(jù)的搜索和整理。為了將文本數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)我們需要調(diào)整子框架和例證以使其能代指特定的對(duì)象。鍛造負(fù)荷的預(yù)測(cè)對(duì)尺寸精度和模具壽命至關(guān)重要。
下面的這個(gè)框架有六個(gè)子框架,它是開發(fā)系統(tǒng)主要框架之一(見圖6)。
輪廓框架：這個(gè)框架從它的幾何母系框架獲取知識(shí)表達(dá)。為了確定煅燒負(fù)荷,輪廓將首先被加熱。為了找到斜行和弧線，要對(duì)實(shí)體進(jìn)行搜索。在這個(gè)過(guò)程中, 為了找到斜行或弧,相關(guān)的支架都要被刪除。
移除框架：在這個(gè)框架中,移除的實(shí)體將被儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。這里有兩個(gè)實(shí)例：其中一種包含斜行的信息而另一個(gè)包含了弧域框架：這個(gè)框架也是鍛造負(fù)荷母系框架的子框架。幾何分解就是源于這個(gè)框架的。垂直和水平線都引自同行的角點(diǎn)。通過(guò)這種方式,矩形區(qū)域得以劃分。域的有關(guān)知識(shí)儲(chǔ)存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。
摩擦框架：域的一側(cè)與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。因此,兩側(cè)都會(huì)被檢查，而摩擦系數(shù)也是確定的。該框架用于測(cè)定域的兩側(cè)是否與材料、模具或沖床的一側(cè)相連。
潤(rùn)滑框架：潤(rùn)滑框架從摩擦框架獲取信息。這一框架有四層標(biāo)準(zhǔn):良潤(rùn)滑，潤(rùn)滑、差及零潤(rùn)滑(干)。這些標(biāo)準(zhǔn)必須由用戶認(rèn)定。輸入值通常用于域各邊及所有產(chǎn)品摩擦系數(shù)的確定。
流動(dòng)應(yīng)力框架：不同材料的形變特性各有迥異。一旦發(fā)生形變流動(dòng)應(yīng)力值就會(huì)隨之變化。因此, 材料的這一屬性必須隨時(shí)掌握。
5實(shí)驗(yàn)
在實(shí)驗(yàn)中用到一個(gè)600kN的液壓力，同時(shí)，石墨水也將被用作潤(rùn)滑劑。最后，必須確保所有的工作表面都被完全潤(rùn)滑。AISI空氣硬化中度偏冷合金被作為一種鑲件材料被使用。工具箱中有容器、沖床、噴射器及墊板。
同時(shí)要鍛造U形、T形及錐形的鋁制產(chǎn)品。實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。并且用到了三種不同大小的圓柱形鋁質(zhì)坯料。外徑40毫米、高度20毫米的產(chǎn)品都由工料桿和空心桿獲得。
5.1閥瓣鍛造
為確定鋁的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，我們進(jìn)行了閥瓣鍛造壓縮試驗(yàn)。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，我們又進(jìn)行了增量壓縮測(cè)試，并在每一次加載之后對(duì)面積減少量及相應(yīng)的載荷進(jìn)行計(jì)算與記錄。高度的降低量與載荷關(guān)系如圖7所示。圖8為應(yīng)力-應(yīng)變曲線。為了確定摩擦系數(shù)(m),我們對(duì)模環(huán)進(jìn)行了抗壓測(cè)試。扁環(huán)樣本在兩個(gè)擋板間發(fā)生可塑性壓縮。增加摩擦?xí)a(chǎn)生材料的內(nèi)向流，相反，減少摩擦則會(huì)造成材料的外向流。對(duì)于抗壓測(cè)試中給定的高縮比,相應(yīng)的試件內(nèi)徑尺寸為我們提供了工件與模具間現(xiàn)行摩擦系數(shù)的數(shù)量級(jí) 。
從這個(gè)角度看,鋁的模環(huán)抗壓測(cè)試的數(shù)據(jù)見表格1。ΔH和%ΔD的值可由下面的方程式計(jì)算得出。摩擦系數(shù)m可以從圖9看出。
5.2 u型鍛造
在產(chǎn)品的精密鍛造中，模具填充完全被認(rèn)為是提高鑄造部分尺寸精度最重要的標(biāo)準(zhǔn)。我們應(yīng)該嚴(yán)格控制毛坯的體積,否則就有可能發(fā)生填模不滿或填模過(guò)滿的問(wèn)題。通常認(rèn)為液態(tài)金屬在棱角處不易流動(dòng)。這一問(wèn)題可以通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整毛坯的幾何構(gòu)型來(lái)解決。
圖10給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過(guò)程中都維持其體積不變。第一個(gè)毛坯由圓柱形固態(tài)材料在26噸載荷下鍛造而出。第二個(gè)毛坯則在55噸載荷下鍛造出來(lái)的，但試件內(nèi)側(cè)明顯出現(xiàn)填模不滿的情況。而第三個(gè)毛坯更是同時(shí)出現(xiàn)了填模不滿和填模過(guò)滿的情況。它的載荷是40噸。
5.3 t型鍛造
t型鍛造如圖11所示。同樣，這里給出了三種不同大小的毛坯。這些毛坯在煅燒過(guò)程中都維持其體積不變。雖然這里用了55噸的載荷，圖11a表明,t型產(chǎn)品的模腔仍未填滿。而第二個(gè)試件的載荷量是40噸，此時(shí)模腔基本上被填滿了。第三個(gè)試件形狀較小，直徑不變，在26噸的載荷下獲得了這種產(chǎn)品。
5.4 錐型鍛造
圖12為錐形鍛造。這種產(chǎn)品同樣是用不同尺寸且保持尺寸不變的試件。圖12給出了三種不同尺寸的錐型毛坯。圖12a表明錐型鍛造的產(chǎn)品是不能夠在55噸載荷下得到的，由于毛坯變形出現(xiàn)了填模過(guò)滿的情況。實(shí)驗(yàn)二采用了30毫米毛坯直徑和35噸毛坯負(fù)載(圖12b)。在這種情況下，錐形頂部不能完全成型。第三個(gè)試件直徑為25毫米,負(fù)荷為24噸。幾乎達(dá)到了尺寸要求。
這些實(shí)驗(yàn)表明,能否鍛造出合格的產(chǎn)品取決于毛坯的幾何形狀，而毛坯的幾何形狀又受翅成型、形變縮鍛與擠壓以及摩擦的影響。
5.5尺寸精度分析
因?yàn)榫苠懺斓哪＞咴阱懺爝^(guò)程中會(huì)受到非常大的徑向壓力，所以模具會(huì)發(fā)生較為明顯的徑向形變。模具的這種徑向形變是影響產(chǎn)品尺寸精度的重要因素。要想獲得高精度尺寸的產(chǎn)品，就要對(duì)模具和產(chǎn)品的彈性形變進(jìn)行（Ue）估算。
通過(guò)上述的分析，影響鍛造尺寸的參數(shù)，也就是模具擴(kuò)張（Ue），可以通過(guò)等式5并結(jié)合模具尺寸計(jì)算得出。U型鍛造的模具修正尺寸和壓力計(jì)算的截屏見圖13a、圖13b。圖14Excel表格截圖也給出了計(jì)算結(jié)果。
表2.模具修正幾何尺寸（mm）
U型 T型 錐型
Ue -0.03563 -0.03563 -0.04667
工件最終半徑 19.96437 19.96437 19.95333
模具最終半徑 20.03563 20.03563 20.04667
b 28.78528 28.78528 27.66765
c 41.42962 41.42962 38.27494
z 0.02978 0.02978 0.02642
w1 9.98815 10.0456 7.51274
w2 10.0456 9.98815 7.5110
表2分別給出了U型鍛造、T型鍛造和錐形鍛造根據(jù)模具應(yīng)力和尺寸精度的計(jì)算結(jié)果推算出的模腔尺寸。圖15給出了合成鍛造的剖面圖。圖16給出了錐型鍛造產(chǎn)品的模具設(shè)計(jì)要素。沖床最為獨(dú)立的單元，沒(méi)有列出詳細(xì)數(shù)據(jù)。沖床充當(dāng)了腔體頂部，與隨機(jī)運(yùn)動(dòng)的鍛機(jī)相接觸。噴射器通常用于去除模具內(nèi)尚未形變的產(chǎn)品。也用于產(chǎn)品底部成型。鑲件則促成了模具（模具內(nèi)壁）的成型。
由于鑲件受到鍛造負(fù)荷、摩擦負(fù)荷和溫度的影響，同時(shí)它的強(qiáng)度又必須能夠應(yīng)對(duì)所有情況, 所以它的選材必須非常慎重。為了增強(qiáng)鑲件對(duì)內(nèi)部壓力的抵抗力，通常是在一個(gè)或多個(gè)收縮環(huán)內(nèi)插入嵌件，使其達(dá)到熱力配合。因此，可以大大減少由鍛造部件傳遞的鍛造壓力與鍛孔上的張應(yīng)力合力。
6結(jié)論
計(jì)算機(jī)輔助鍛造設(shè)計(jì)對(duì)于逐漸沒(méi)落的鍛造產(chǎn)業(yè)意義非凡。由于鍛造的形狀在整個(gè)產(chǎn)業(yè)中地位突出，所以，發(fā)達(dá)的決策支持系統(tǒng)的應(yīng)用非常廣泛。通常假設(shè)移除外加負(fù)載后，只發(fā)生徑向尺寸變化。為了研究精密鍛造過(guò)程中尺寸變化的力學(xué)參數(shù)，也會(huì)考慮在室溫下由圓柱形模具鍛造缸體。雖然鍛造過(guò)程中會(huì)忽略加工硬化和溫度變化的影響，但理論和實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是非常吻合的。
機(jī)
機(jī)
械
英
文
翻
譯
譯
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
機(jī)
械
英
文
翻
譯
原
文
姓 名: 林 超
班 級(jí):07機(jī)制2班
指導(dǎo)老師:楊志波
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中期檢查表
指導(dǎo)教師： 楊志波 職稱： 副教授
所在系部（單位）： 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 教研室（研究室）： 機(jī)械教研室
題 目
礦用液壓支架的設(shè)計(jì)
學(xué)生姓名
林超
專業(yè)班級(jí)
07機(jī)制2班
學(xué)號(hào)
0720150088
一、選題質(zhì)量
1， 該選題為礦用液壓支架設(shè)計(jì)，符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，能夠體現(xiàn)綜合訓(xùn)練的要求，可以對(duì) 我們大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行一次全面的練習(xí)。
2， 這將對(duì)我們以后深造學(xué)習(xí)和工作起到十分有效的幫助，也能達(dá)到一個(gè)綜合訓(xùn)練的效
果，又加強(qiáng)了實(shí)際的動(dòng)手動(dòng)腦能力。
3， 題目的難易程度很適中，對(duì)我們既是一個(gè)挑戰(zhàn)也是一個(gè)很好的鍛煉提高過(guò)程。
4， 題目的工作量：要求完成3張以上的A0圖紙，50—60頁(yè)的說(shuō)明書一份。
5， 選題不但能緊密的結(jié)合生產(chǎn)和實(shí)踐，而且在我們所學(xué)課程的范圍之內(nèi)，對(duì)我們
以后不管是科研還是從事實(shí)際的工作都有很大的幫助。
二、開題報(bào)告完成情況
在老師指導(dǎo)和同學(xué)們的幫助之下，我順利的開始本次畢業(yè)設(shè)計(jì)。我在自己經(jīng)過(guò)一些查閱資料的前提下，慢慢地理出頭緒,摸索出了設(shè)計(jì)思路。
由于我們這次是礦用液壓支架的設(shè)計(jì)，以前接觸這方面的知識(shí)較少，所以在剛開始不是很順利，甚至感到有些無(wú)從下手，但是經(jīng)過(guò)和指導(dǎo)老師的提導(dǎo)、與本組同學(xué)的商量、在工廠實(shí)習(xí)觀看實(shí)物之后， 我逐漸找到設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，順利的完成了開題報(bào)告。并有了一定的成果和進(jìn)行了一些前期的工作，并使本次設(shè)計(jì)有了一個(gè)良好的開始。在查閱了一些資料后，已經(jīng)進(jìn)行了計(jì)算設(shè)計(jì)，正在整理說(shuō)明書,并進(jìn)行初步繪制草圖.我將繼續(xù)努力，認(rèn)真完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)。
三、階段性成果
1．通過(guò)對(duì)液壓傳動(dòng)原理的學(xué)習(xí)，在加上老師的仔細(xì)講解，我收集了大量的資料和文獻(xiàn)，為設(shè)計(jì)的順利完成打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
2. 在老師的指導(dǎo)和同學(xué)的幫助下找到了設(shè)計(jì)的基本方法，開始了一些基本的原理的設(shè)計(jì)計(jì)算，并取得了一定成果。
3. 完成了開題報(bào)告。
4．對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)有了一個(gè)總體的方案,并進(jìn)行了前期的一些工作和設(shè)計(jì).
四、存在主要問(wèn)題
由于在液壓傳動(dòng)原理及機(jī)械原理的理解不夠深入,實(shí)際經(jīng)驗(yàn)不足,而且這方面參考資料有限,所以隨著設(shè)計(jì)的逐漸進(jìn)行中我遇到了許多新的和更加復(fù)雜的問(wèn)題，這些問(wèn)題使我充分認(rèn)識(shí)到了自己在以前學(xué)習(xí)中的不足和自己與一些同學(xué)在專業(yè)知識(shí)方面的差距，所以我要以本次設(shè)計(jì)為契機(jī)加強(qiáng)自己在學(xué)習(xí)上薄弱環(huán)節(jié)，爭(zhēng)取使我的畢業(yè)設(shè)計(jì)能夠取得好的成績(jī)，也能夠使我所學(xué)的知識(shí)能夠在以后的工作中發(fā)揮更大的作用。
五、指導(dǎo)教師對(duì)學(xué)生在畢業(yè)實(shí)習(xí)中，勞動(dòng)、學(xué)習(xí)紀(jì)律及畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）進(jìn)展等方面的評(píng)語(yǔ)
指導(dǎo)教師： （簽名）
年 月 日
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院
本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目名稱
礦用液壓支架
學(xué)生姓名
林超
專業(yè)班級(jí)
07機(jī)制2班
學(xué)號(hào)
0720150088
一、 本課題的研究目的和意義
通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生綜合運(yùn)用液壓傳動(dòng)、機(jī)械設(shè)計(jì)、工程理學(xué)等課程中所學(xué)理論知識(shí)的能力；強(qiáng)調(diào)設(shè)計(jì)的獨(dú)創(chuàng)性和實(shí)用性，培養(yǎng)和提高設(shè)計(jì)者獨(dú)立分析問(wèn)題和解決實(shí)際問(wèn)題的能力，為今后適應(yīng)工作崗位和創(chuàng)造性地開展工作打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
采用綜合機(jī)械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。為了滿足對(duì)煤炭日益增長(zhǎng)的需要，必須大量生產(chǎn)綜合機(jī)械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機(jī)械化采煤工作面（簡(jiǎn)稱綜采工作面）。而每個(gè)綜采工作面平均需要安裝150臺(tái)液壓支架，可見對(duì)液壓支架的需要量時(shí)很大的。
由于不同采煤工作面的頂?shù)装鍡l件，煤層厚度、煤層傾角、煤層的物理機(jī)械性質(zhì)等的不同，對(duì)液壓支架的要求也不同，為了有效的支護(hù)和控制頂板，必須設(shè)計(jì)出不同類型和不同結(jié)構(gòu)尺寸的液壓支架。因此，液壓支架的設(shè)計(jì)工作是很重要的。由于液壓支架的類型很多，因此其設(shè)計(jì)工作量是很大的，由此可見，研制和開發(fā)新型液壓支架是必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。
在過(guò)去的半個(gè)多世紀(jì)中，煤礦井下開采支護(hù)設(shè)備的設(shè)計(jì)和使用發(fā)生了巨大變化。其中，最引人矚目的是世界范圍內(nèi)廣泛采用液壓支架作為長(zhǎng)臂開采支護(hù)工程的主要設(shè)備。從采煤設(shè)備的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，采用液壓支架管理頂板是當(dāng)代采煤技術(shù)史上一次重要的變革，也是煤礦現(xiàn)代化的主要標(biāo)志。液壓支架作為綜合機(jī)械化采煤的關(guān)鍵設(shè)備之一，其重量約占綜合采煤設(shè)備總重量的80%~90%，其費(fèi)用約占綜合采煤設(shè)備總費(fèi)用的60%~70%。因此，為了降低成本提高采煤的經(jīng)濟(jì)效益，世界各主要產(chǎn)煤大國(guó)都一直在積極地開展液壓支架的研究。
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
摘 要
本論文主要闡述了一般掩護(hù)式液壓支架的設(shè)計(jì)過(guò)程。設(shè)計(jì)內(nèi)容包括：選架型、總體設(shè)計(jì)、主要零部件的設(shè)計(jì)、主要零部件的校核和液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
由于該煤層厚度適中，選用掩護(hù)式液壓支架。煤層厚度介于之間，煤層厚度變化較大，選用調(diào)高范圍大且抗水平推力強(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式支架。支架采用正四連桿機(jī)構(gòu)，以改善支架受力狀況。頂梁、掩護(hù)梁、底座均做成箱體結(jié)構(gòu)；立柱采用雙伸縮作用液壓缸，以增加工作行程來(lái)滿足支架調(diào)高范圍的需要。推移千斤頂采用框架結(jié)構(gòu)，以減少推溜力和增大移架力。為了提高移架速度，確保對(duì)頂板的及時(shí)支護(hù)，采用錐閥液壓系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞：液壓支架 液壓 四連桿機(jī)構(gòu) 采煤 支架選型 推溜 移架
- III -
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
Abstract
The article mainly elaborated the general shield type hydraulic pressure support design process. The design content includes: Chooses, the system design, the main spare part design, the main spare part examination and the hydraulic system design.
Because this coal bed thickness is moderate, selects the shield type hydraulic pressure support. Coal bed thickness is situated between between the 2.5~3.8 rice, coal bed thickness change bigger, selects adjusts the high scope big also the anti- horizontal thrust is strong also the belt protects helps the equipment the shield type support. The support uses the four link motion gear, improves the support stress condition. The top-beam, caving shield, the foundation makes the packed in a box body structure; The column uses the double expansion and contraction function hydraulic cylinder, increases the power stroke to satisfy the support to adjust the high scope the need. Passes the hoisting jack to use the portal frame construction, reduces pushes slides the strength and increases moves a strength. In order to enhance moves a speed, guarantees is prompt to the roof support, uses the mushroom valve hydraulic system.
Key word: The hydraulic pressure support , hydraulic pressure , four-link mechanism , mining coal, support shaping push forwards the conveyer, advancing the powered support.
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
目 錄
1 概述 1
1.1 液壓支架的組成和分類 1
1.1.1液壓支架的組成 1
1.1.2液壓支架的分類 2
1.2液壓支架的工作原理 2
1.3 液壓支架的支護(hù)方式 5
1.4支架選型的基本參數(shù) 6
1.4.1 對(duì)液壓支架的基本要求 6
2 液壓支架的總體設(shè)計(jì) ７
2.1 液壓支架的選型 ７
2.2 液壓支架參數(shù)的確定 ９
2.2.1 支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力 ９
2.2.2 初撐力 ９
2.2.3 移架力與推溜力 １０
2.2.4 支架調(diào)高范圍 １０
2.2.5 中心距和寬度的確定 １１
2.2.6 底座寬度 １１
2.3 采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)的配套 １２
2.3.1 采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)的配套 １２
2.3.2 其他附屬設(shè)備的配套 １２
2.4 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) １３
2.4.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用 １３
2.4.2 用優(yōu)選設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu) １４
2.5 頂梁長(zhǎng)度的確定 １９
2.6立柱及柱窩位置的確定 ２０
2.7平衡千斤頂位置的確定 ２４
2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則 ２４
2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定 ２５
2.8其它千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定 ２７
2.8.1 推移千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７
2.8.2 側(cè)推千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７
2.8.3 前梁千斤頂技術(shù)參數(shù) ２７
2.8.4 護(hù)幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù) ２８
3 液壓支架受力分析和計(jì)算 ２９
3.1 受力分析計(jì)算 ２９
3.2 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算 ３０
3.3 底座比壓的計(jì)算 ３０
4 液壓支架的主要部件的設(shè)計(jì) ３２
4.1 前梁 ３２
4.2 主頂梁 ３２
4.3 掩護(hù)梁 ３３
4.4 前、后連桿 ３４
4.5 底座 ３５
4.6 立柱 ３６
4.7 千斤頂 ３７
4.7.1 推移千斤頂 ３７
5 主要零、部件的強(qiáng)度校核 ３９
5.1校核的基本要求 ３９
5.2前梁強(qiáng)度校核 ４０
5.2.1 前梁受力情況 ４０
5.2.2 前梁強(qiáng)度計(jì)算 ４１
5.3 主頂梁強(qiáng)度校核 ４３
5.3.1 主頂梁受力情況 ４３
5.3.2 主頂梁強(qiáng)度計(jì)算 ４４
5.4 掩護(hù)梁強(qiáng)度校核 ４６
5.4.1 掩護(hù)梁受力情況 ４６
5.4.2 掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算 ４６
5.5 底座強(qiáng)度校核 ４８
5.5.1 底座受力情況 ４８
5.5.2 底座強(qiáng)度校核 ４９
5.6 立柱強(qiáng)度的校核 ５０
5.6.1 立柱穩(wěn)定性校核 ５０
6 液壓系統(tǒng) ５３
6.1 液壓支架的液壓系統(tǒng)的簡(jiǎn)介 ５３
6.1.1 液壓支架傳動(dòng)系統(tǒng)的基本要求 ５３
6.1.2 液壓支架的液壓傳動(dòng)特點(diǎn) ５３
致 謝 ５５
參考文獻(xiàn) ５６
IV
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
1 概述
1.1 液壓支架的組成和分類
1.1.1液壓支架的組成
液壓支架是綜采工作面支護(hù)設(shè)備，它的主要作用是支護(hù)采場(chǎng)頂板，維護(hù)安全作業(yè)空間，推移工作面采運(yùn)設(shè)備。
液壓支架的種類很多，但其基本功能是相同的。液壓支架按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和與圍巖的作用關(guān)系—“般分為三大類，即支撐式、掩護(hù)式(圖1-2)和支撐掩護(hù)式(圖1-3) 根據(jù)支架各部件的功能和作用，其組成可分為4個(gè)部分：
(1) 承載結(jié)構(gòu)件，如頂梁、掩護(hù)梁、底座、連桿、尾梁等。其主要功能是承受和傳遞頂板和垮落巖石的載荷。
(2) 液壓油缸，包括立柱和各類千斤頂。其主要功能是實(shí)現(xiàn)支架的各種動(dòng)作，產(chǎn)生液壓動(dòng)力。
(3) 控制元部件，包括液壓系統(tǒng)操縱閥、單向閥、安全閥等各類閥，以及管路、液壓、電控元件等。其主要功能是操作控制支架各液壓油缸動(dòng)作及保證所需的工作特性。
圖1-2 掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu) 圖1-3 支撐掩護(hù)式液壓支架結(jié)構(gòu)
(4) 輔助裝置，如推移裝置、護(hù)幫(或挑梁)裝置、伸縮梁(或插板)裝置、活動(dòng)側(cè)護(hù)板、防倒防滑裝置、連接件等。這些裝置是為實(shí)現(xiàn)支架的某些動(dòng)作或功能所必需的裝置。
1.1.2液壓支架的分類
按液壓支架在采煤工作面的安置位置來(lái)劃分，有端頭液壓支架和中間液壓支架。端頭液壓支架簡(jiǎn)稱端頭支架，專門安裝在每個(gè)采煤工作面的兩端。中間液壓支架是安裝在除工作面端頭以外的采煤工作面所有位置的支架。
中間液壓支架按其結(jié)構(gòu)形式來(lái)劃分，可分為三種基本類型，即：支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式。
1.2液壓支架的工作原理
液壓支架在工作過(guò)程中必須具備升、降、推、移四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓乳化液通過(guò)工作性質(zhì)不同的幾個(gè)液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)完成的。如圖1-5示
1. 升柱
當(dāng)需要支架上升支護(hù)頂板時(shí)。高壓乳化液進(jìn)入立柱的活塞腔，另一腔回液，推動(dòng)活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁接觸頂板。
2. 降柱
當(dāng)需要降柱時(shí)，高壓液進(jìn)入立柱的活塞桿腔，另一腔回液，迫使活塞桿下降，于是頂梁脫離頂板。
圖1-5 液壓支架工作原理
-頂梁 -立柱 -底座 -推移千斤頂 -安全閥 -液控單向閥 、-操縱閥 -輸送機(jī) -乳化液泵 -主供液管 -主回液管
3. 支架和輸送機(jī)前移
支架和運(yùn)輸機(jī)的前移，都是由底座上的推移千斤頂來(lái)完成的。當(dāng)需要支架前移時(shí)，先降柱卸載，然后高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，另一腔回液，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把整個(gè)支架拉向煤壁；當(dāng)需要推運(yùn)輸機(jī)時(shí)，支架支撐頂板后，高壓液進(jìn)入推移千斤頂?shù)幕钊?，另一腔回液，以支架為支點(diǎn)，是活塞桿伸出，把運(yùn)輸機(jī)推向煤壁。
支架的支撐力與時(shí)間曲線，稱為支架的工作特性曲線，如圖1-6所示：
支架立柱工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化過(guò)程可分為三個(gè)階段
-初撐階段； -增阻階段； -恒阻階段；-初撐力；-工作阻力
（1）初撐階段
支架在升柱時(shí)，高壓液進(jìn)入立柱下腔，立柱升起使頂梁接觸頂板，立柱下腔壓力增加，當(dāng)增加到泵站工作壓力時(shí)，泵站自動(dòng)卸載，支架的夜控單向閥關(guān)閉，立柱下腔壓力達(dá)到初撐力，此階段為初撐階段，
此時(shí)支架對(duì)頂板的支撐力為初撐力。支撐式支架的初撐力為
(1.1)
圖1-6 支架的工作特性曲線
式中 --支架立柱的缸徑，；
--泵站的工作壓力，；
--支架立柱的數(shù)量。
由上式可知，支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力，立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過(guò)早的因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來(lái)提高初撐力，以免立柱的缸徑過(guò)大。
（2）承載增阻階段
支架初撐后，隨頂板下沉，立柱下腔壓力增加，直到增加到支架的安全閥調(diào)正壓力，立柱下腔壓力達(dá)到工作阻力。此階段為增阻階段。
（3）恒阻階段
隨著頂板壓力繼續(xù)增加，使立柱下腔壓力超過(guò)支架的安全閥壓力調(diào)正值時(shí)，安全閥打開而溢流，立柱下縮，使頂板壓力減小，立柱下腔壓力降低，當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后，安全閥停止溢流，這樣在安全閥調(diào)整壓力的限制下，壓力曲線隨時(shí)間呈波浪形變化，此階段為恒阻階段。此時(shí)支架對(duì)頂板的支撐力稱為工作阻力，它是由支架安全閥的調(diào)定壓力決定的。支撐式支架的工作組力為
(1.2)
式中 --支架安全閥的調(diào)定壓力 ；
支架的工作阻力標(biāo)志著支架的最大承載能力。
對(duì)于掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，其初撐力和工作阻力的計(jì)算還要考慮到立柱傾角的影響因素。
支架的工作阻力是支架的一個(gè)重要參數(shù)，它表示支架支撐力的大小。但是，由于支架的頂梁長(zhǎng)短和間距大小不同，所以并不能完全反映支架對(duì)頂板的支撐能力。因此，常用單位支護(hù)面積頂板上所受支架工作阻力值的大小，即支護(hù)強(qiáng)度來(lái)表示支架的支護(hù)性能。即
(1.3)
式中 —支架的支護(hù)面積，。
1.3 液壓支架的支護(hù)方式
綜采工作面的主要生產(chǎn)工序有采煤、移架和推溜。 3個(gè)工序的不同組合順序，可形成液壓支架的3種支護(hù)方式，從而決定工作面“三機(jī)”的不同配套關(guān)系。
1 即時(shí)支護(hù)
—般循環(huán)方式為：割煤一移架一推溜，工作面“三機(jī)”的配套關(guān)系。即時(shí)支護(hù)的特點(diǎn)是，頂板暴露時(shí)間短，梁端距較小。適用于各種頂板條件，是目前應(yīng)用最廣泛的支護(hù)方式。
2 滯后支護(hù)
一般循環(huán)方式為：割煤一推溜一移架。滯后支護(hù)的特點(diǎn)是，支護(hù)滯后時(shí)間較長(zhǎng)，梁端距大，支架頂梁較短?？捎糜诜€(wěn)定、完整的頂板。
3 復(fù)合支護(hù)
—般循環(huán)方式為：割煤一支架伸出伸縮梁一推溜一收伸縮梁一移架。
復(fù)合支護(hù)的特點(diǎn)是：支護(hù)滯后時(shí)間短，但增加了反復(fù)支撐次數(shù)。可適用于各種頂板條件，但支架操作次數(shù)增加，不能適應(yīng)高產(chǎn)高效要求，目前應(yīng)用較少。
1.4支架選型的基本參數(shù)
1.4.1 對(duì)液壓支架的基本要求
1. 為了滿足采煤工藝及地質(zhì)條件的要求，液壓支架要有足夠的初撐力和工作阻力，以便有效地控制頂板，保證合理的下沉量。
2. 液壓支架要有足夠的推溜力和移架力。推溜力一般為左右；移架力按煤層厚度而定，薄煤層一般為,中厚煤層一般為,厚煤層一般為。
3. 防矸性能要好。
4. 排矸性能要好。
5. 要求液壓支架能保證采煤工作面有足夠的通風(fēng)斷面，從而保證人員呼吸、稀釋有害氣體等安全方面的要求。
6. 為了操作和生產(chǎn)的需要，要有足夠?qū)挼娜诵械馈?
7. 調(diào)高范圍要大，照明和通訊方便。
8. 支架的穩(wěn)定性要好，底座最大比壓要小于規(guī)定值。
9. 要求支架有足夠的剛度，能夠承受一定得不均勻載荷和沖擊載荷。
10. 滿足強(qiáng)度條件下，盡可能的減輕支架重量。
11. 要易于拆卸，結(jié)構(gòu)要簡(jiǎn)單。
12. 液壓元件要可靠。
２９
山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 液壓支架的總體設(shè)計(jì)
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
2 液壓支架的總體設(shè)計(jì)
2.1 液壓支架的選型
正確選擇液壓支架的架型，對(duì)于提高綜采工作面的產(chǎn)量和效率，充分發(fā)揮綜采設(shè)計(jì)的效能，實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效，是一個(gè)很重要的因素。在具體選擇架型時(shí)，首先要考慮煤層的頂板條件。表2-1是根據(jù)國(guó)內(nèi)外液壓支架的使用經(jīng)驗(yàn)，提出了各種頂板條件下適用的架型，它是選擇支架的主要依據(jù).
由于給定參數(shù)中頂?shù)装嫘再|(zhì)：老頂I級(jí)、直接頂2級(jí)，底板平整，無(wú)影響支架通過(guò)的斷層，初步選擇為掩護(hù)式支架。
1 煤層厚度
煤層厚度不但直接影響到支架的高度和工作阻力，而且還影響到支架的穩(wěn)定性。當(dāng)煤層厚度大于(軟煤層下限，硬煤層上限)時(shí)，應(yīng)選用抗水平推力強(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式支架。當(dāng)煤層厚度變化較大時(shí)，應(yīng)選用調(diào)高范圍大的支架。因此本次設(shè)計(jì)應(yīng)選用抗水平推力強(qiáng)且?guī)ёo(hù)幫裝置的掩護(hù)式支架。
2 煤層傾角
煤層傾角主要影響支架的穩(wěn)定性、傾角大時(shí)易發(fā)生傾倒下滑等現(xiàn)象。當(dāng)煤層傾角大于時(shí)，應(yīng)設(shè)防滑和調(diào)架裝置，當(dāng)傾角超過(guò)時(shí)，應(yīng)同時(shí)具有防滑防倒裝置。給定煤層傾角，不用設(shè)置防滑和調(diào)架裝置。
3 底板性質(zhì)
底板承受支架的全部載荷，對(duì)支架的底座影響較大，底板的軟硬和平整性，基本上決定了支架地做的結(jié)構(gòu)和支撐面積。選型時(shí)，要驗(yàn)算底座對(duì)底板的接觸比壓，其值要小于底板允許比壓（對(duì)于砂巖底板，允許比壓為,軟底板為左右）
4 瓦斯涌出量
對(duì)于瓦斯涌出量大的工作面，支架的通風(fēng)斷面應(yīng)滿足通風(fēng)的要求，選型時(shí)要進(jìn)行驗(yàn)算。
表2-1
老頂級(jí)別
I
II
III
IV
直接頂級(jí)別
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
4
支架類型
掩護(hù)式
掩護(hù)式
支
撐
式
掩護(hù)式
掩護(hù)式或支撐掩護(hù)式
掩
護(hù)
式
支撐掩護(hù)式
支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
支撐或支撐掩護(hù)式
支撐式
采高
小于
2.5m時(shí)
支撐
掩護(hù)式
采高
大于
2.5m時(shí)
支架支護(hù)強(qiáng)度
采高
1
2
3
4
0.294
0.343（0.245）
0.441（0.343）
0.539（0.441）
1.30.294
1.30.343（0.245）
1.30.441（0.343）
1.30.539（0.441）
1.60.294
1.60.343
1.60.441
1.60.539
〉20.294
〉20.343
〉20.441
〉20.539
應(yīng)結(jié)合
深孔爆破
，軟化頂板
等措施
處理采空區(qū)
單體支柱支護(hù)強(qiáng)度
采高
1
2
3.
0.147
0.245
0.343
1.30.147
1.30.245
1.30.343
1.60.147
1.60.245
1.60.343
按采空區(qū)處理方法確定
注：①括號(hào)內(nèi)的數(shù)字是掩護(hù)式支架的支護(hù)強(qiáng)度。表中所列支護(hù)強(qiáng)度在選用時(shí)，可根據(jù)本礦情況允許有5%的波動(dòng)范圍。
②表中1.3、1.6、2分別為II、III、IV級(jí)老頂?shù)姆旨?jí)增壓系數(shù)；IV級(jí)老頂只給出最低值2，選用時(shí)可根據(jù)本礦實(shí)際確定適宜值。
2.2 液壓支架參數(shù)的確定
2.2.1 支護(hù)強(qiáng)度和工作阻力
支護(hù)強(qiáng)度取決于頂板性質(zhì)和煤層厚度。支護(hù)強(qiáng)度可根據(jù)下列公式估算：
（2.1）
式中K—作用與支架上的頂板巖石系數(shù)，一般取。頂板條件好、周起來(lái)壓不明顯時(shí)取下限，否則取上限；
H—采高，
γ—頂板巖石密度，一般為
放頂煤支架的支護(hù)強(qiáng)度一般為
支架工作阻力P應(yīng)滿足頂板支護(hù)強(qiáng)度的要求，即支架工作阻力由支護(hù)強(qiáng)度和支護(hù)面積所決定。
（2.2）
式中 F—支架的支護(hù)面積，可按下式計(jì)算
2.2.2 初撐力
初撐力的大小是相對(duì)與支架的工作阻力而言，并與頂板的性質(zhì)有關(guān)。較大的初撐力可以使支架較快地達(dá)到工作阻力，防止頂板過(guò)早的離層，增加頂板的穩(wěn)定性。對(duì)于不穩(wěn)定和中等穩(wěn)定頂板，為了維護(hù)機(jī)道上方的頂板，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的80%；對(duì)于穩(wěn)定頂板，初撐力不宜過(guò)大，一般不低于工作阻力的60%，對(duì)于周期來(lái)壓強(qiáng)烈的頂板，為了避免大面積的垮落對(duì)工作面的動(dòng)載威脅，應(yīng)取較高的初撐力，約為工作阻力的75%。
2.2.3 移架力與推溜力
移架力與支架結(jié)構(gòu)、噸位、支撐高度、頂板狀況是否帶壓移架等因素有關(guān)。一般薄煤層支架的一架力為;中等厚度煤層支架為;厚煤層為。推溜力一般為.
2.2.4 支架調(diào)高范圍
支架最大結(jié)構(gòu)高度
(2.5)
支架最小結(jié)構(gòu)高度
(2.6)
式中 、—煤層最大、最小采高
—偽頂冒落的最大厚度，一般取
—頂板周期來(lái)壓時(shí)的最大下沉量、移架使支架的下降量和頂梁上、底座下的浮矸、煤層厚度之和，一般取
確定支架的最低高度時(shí)還應(yīng)考慮到井下的允許運(yùn)輸高度。
支架的伸縮比
（2.7）
值的大小反映了支架對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)能力，其值越大，說(shuō)明支架適應(yīng)煤層厚度變化的能力越強(qiáng)，采用單伸縮立柱，值一般為1.6左右。若進(jìn)一步提高伸縮比，需采用帶機(jī)械加長(zhǎng)桿的立柱或雙伸縮立柱，其值一般為2.5左右。薄煤層厚度可達(dá)。由于又考慮到煤層厚度較高，初選雙伸縮立柱。
2.2.5 中心距和寬度的確定
支架中心距一般等于工作面一節(jié)溜槽長(zhǎng)度。目前國(guó)內(nèi)外液壓支架中心距大部分采用.大采高支架為提高穩(wěn)定性中心距可采用，輕型支架為適應(yīng)中小煤礦工作面快速搬家的要求，中心距可采用。因此設(shè)計(jì)中預(yù)取1.5m。
2.2.6 底座寬度
底座是將頂板壓力傳遞到底板和穩(wěn)固支架的部件。在設(shè)計(jì)支架的底座長(zhǎng)度時(shí)，應(yīng)考慮如下諸方面：
支架對(duì)底板的接觸比壓要??；支架內(nèi)部應(yīng)有足夠的空間用于安裝立柱、液壓控制裝置、推移裝置和其他輔助裝置；使于人員操作和行走，保證支架的穩(wěn)定性等。通常，掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取3.5倍的移架步距一個(gè)移架步距為，即左右；支撐掩護(hù)式支架的底座長(zhǎng)度取4倍的移架步距，即左右。
2.3 采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)的配套
2.3.1 采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)的配套
綜采工作面采煤機(jī)、液壓支架和輸送機(jī)之間在性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)、空間尺寸及相互連接等方面，有著嚴(yán)格的配套要求，以保證綜采工作面的最大生產(chǎn)能力和安全生產(chǎn)的要求。
（1）生產(chǎn)能力的配套
（2）性能配套
（3）幾何關(guān)系的配套
2.3.2 其他附屬設(shè)備的配套
煤層傾角大于時(shí)，采用鏈牽引的采煤機(jī)應(yīng)設(shè)置防滑裝置；當(dāng)傾角大于時(shí)應(yīng)安裝防滑絞車，輸送機(jī)應(yīng)設(shè)置防滑錨固裝置，支架也應(yīng)有防倒防滑和調(diào)架裝置；而對(duì)于大采高工作面設(shè)備，煤層傾角大于時(shí)，即應(yīng)設(shè)防滑裝置。
落煤塊度過(guò)大時(shí)，工作面轉(zhuǎn)載機(jī)上應(yīng)設(shè)置破碎裝置。
本設(shè)計(jì)采用配套 液壓支架 北京煤機(jī)廠
采煤機(jī)
刮板運(yùn)輸機(jī)：
2.4 四連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)
2.4.1 四連桿機(jī)構(gòu)的作用
四連桿機(jī)構(gòu)是掩護(hù)式支架和支撐掩護(hù)式支架的最重要部件之一。其作用概括起來(lái)主要有兩個(gè)：其一是當(dāng)支架由高到低變化時(shí)，借助四連桿機(jī)構(gòu)使支架頂梁前端點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡呈近似雙紐線，從而使支架頂梁前端點(diǎn)與煤壁間距離的變化大大減小，提高了管理頂板的性能；其二是使支架能承受較大的水平力。
為了掌握四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，必須正確理解四連桿機(jī)構(gòu)的作用。下面通過(guò)四連桿機(jī)構(gòu)動(dòng)作過(guò)程的幾何特征進(jìn)一步闡述其作用。這些特征是四連桿動(dòng)作過(guò)程的必然結(jié)果。
1.支架高度在最大和最小范圍內(nèi)變化時(shí)，頂梁端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡的最大寬度，最好為以下；
2.支架在最高位置時(shí)和最低位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁的夾角和后連桿與底平面的夾角，應(yīng)滿足如下要求：
支架在最高位置時(shí)，，；支架在最低位置時(shí)，為有利于矸石下滑，防止矸石停留在掩護(hù)梁上，根據(jù)物理學(xué)摩擦理論可知，要求，如果剛和矸石的摩擦系數(shù)，則，為了安全可靠，最低工作位置應(yīng)使為宜。而角主要考慮后連桿底部距底板要有一定距離，防止支架后部冒落巖石卡住后連桿，使支架不能下降。一般取,在特殊情況下需要角度較小時(shí),可提高后連桿下鉸點(diǎn)的高度；
3.掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)和瞬心中心間的只限于水平線夾角,滿足。原因是角直接影響支架承受附加力的數(shù)值大小。
4.應(yīng)取頂梁前端點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡雙紐線向前凸的一段為支架工作段，如圖2—2所示的h段。
圖2—2所示
其原因?yàn)楫?dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，立柱讓壓下縮，使頂梁有向前移的趨勢(shì)，可防止巖石向后移動(dòng)，又可以使作用在頂梁上的摩擦力指向采空區(qū)。同時(shí)底板防止底座向后移，使整個(gè)支架產(chǎn)生順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的趨勢(shì)，從而增加了頂梁前端的支護(hù)力，防止頂梁前端上方頂板冒落，并且使底座前端比壓減小，防止啃底，有利移架。水平力的合力也相應(yīng)減小，所以減輕了掩護(hù)梁的外負(fù)荷。
2.4.2 用優(yōu)選設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)四連桿機(jī)構(gòu)
目標(biāo)函數(shù)的確定：令支架由高到低時(shí)，頂梁前端運(yùn)動(dòng)軌跡近似呈斜線；這樣比用直線作為目標(biāo)函數(shù)的雙紐線的上半部分要長(zhǎng)。
四連桿機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)通過(guò)程序來(lái)計(jì)算和驗(yàn)證，程序編制如下所示：
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Dim h1, h2 As Double '支架最高，最低計(jì)算高度
Dim p1 As Double '支架在最高位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁夾角
Dim q1 As Double '支架在最高位置時(shí)，后連桿與底座平面夾角
Dim i As Double '后連桿與掩護(hù)梁的比值
Dim i1 As Double '前后連桿上鉸點(diǎn)之距與掩護(hù)梁的比值
Dim g As Double '掩護(hù)梁長(zhǎng)度
Dim a As Double '后連桿長(zhǎng)度
Dim b As Double '前后連桿上鉸點(diǎn)之距
Dim f As Double '前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之距
Dim b1, b2, b3 As Double
Dim c As Double '前連桿長(zhǎng)度
Dim d As Double '前連桿下鉸點(diǎn)高度
Dim e As Double '前后連趕下鉸點(diǎn)在底座上的投影距離
Dim a1, q2, o1, l As Double
Dim s As Double
h1 = Val(Text1.Text)
h2 = Val(Text2.Text)
For p1 = 0.91 To 1.08 Step 0.034
For q1 = 1.31 To 1.48 Step 0.034
For i = 0.61 To 0.82 Step 0.042
For i1 = 0.22 To 0.3 Step 0.02
g = h1 / (Sin(p1) + i * Sin(q1))
a = i * g
b = i1 * g
f = g - b
e1 = g * Cos(p1) - a * Cos(q1)
X1 = f * Cos(p1)
Y1 = h1 - f * Sin(p1)
q2 = 0.436
p2 = Atn(Sqr(Abs(g * g - (e1 + a * Cos(q2)) ^ 2)) / (e1 + a * Cos(q2)))
X2 = f * Cos(p2)
Y2 = b * Sin(p2) + a * Sin(q2)
p3 = 3.14 / 2 - Atn(a / g) - Atn(e1 / Sqr(g * g + a * a - e1 * e1))
q3 = 3.14 / 2 - p3
x3 = f * Cos(p3)
y3 = b * Sin(p3) + a * Sin(q3)
m = x3 * x3 - X1 * X1 + y3 * y3 - Y1 * Y1
n = X2 * X2 - x3 * x3 + Y2 * Y2 - y3 * y3
t = 2 * ((x3 - X1) * (Y2 - y3) - (y3 - Y1) * (X2 - x3))
xc = (m * (Y2 - y3) - n * (y3 - Y1)) / t
yc = (n * (x3 - X1) - m * (X2 - x3)) / t
c = Sqr((X1 - xc) ^ 2 + (Y1 - yc) ^ 2)
o = c / a
If o > 0.9 And o < 1.2 Then
d = yc
e = e1 - xc
x4 = e1 + a * Cos(q1)
y4 = a * Sin(q1)
x5 = e1
y5 = 0
k1 = (Y1 - yc) / (X1 - xc)
c1 = Atn(k1)
k2 = (y4 - y5) / (x4 - x5)
x6 = (k1 * X1 - Y1 - k2 * x4 + y4) / (k1 - k2)
y6 = k1 * (x6 - X1) + Y1
l = x6
s = h1 - y6
u = s / l
If u < 0.2 And u > 0 And d < h1 / 5 And e < h1 / 4.5 Then
Label3.Caption = "掩護(hù)梁與頂梁鉸點(diǎn)至瞬心和底座平面夾角的正切值 " & u & " 支架在最高位置時(shí)，后連桿與底座平面夾角" & q1 * 180 / 3.14 & "弧度" & " 后連桿長(zhǎng)度" & a & "米" & " 前后連桿上鉸點(diǎn)之距" & b & "米" & "前連桿長(zhǎng)度" & c & "米" & "前連桿下鉸點(diǎn)高度" & d & "米" & " 前后連趕下鉸點(diǎn)在底座上的投影距離" & e & "米" & " 前連桿上鉸點(diǎn)至掩護(hù)梁上鉸點(diǎn)之距" & f & "米" & "支架在最高位置時(shí)，頂梁與掩護(hù)梁夾角" & p1 & "弧度" & " 掩護(hù)梁長(zhǎng)度" & g & "米" & " 支架在最高位置時(shí)，前連桿與底座平面夾角" & c1 & "弧度" & "s=" & s & "米" & " l=" & l & "米"
End If
End If
Next i1
Next i
Next q1
Next p1
End Sub
輸入初始值，程序運(yùn)行結(jié)果如下：
圖2-3
這樣，四連桿機(jī)構(gòu)的幾何長(zhǎng)度及最高最低位置時(shí)對(duì)應(yīng)的夾角就確定。該四連桿機(jī)構(gòu)不僅能滿足工作高度的要求，而且在支架下降時(shí)，頂梁前端向前傾斜，這樣有利于改善支架的受力狀況。
2.5 頂梁長(zhǎng)度的確定
為防止當(dāng)采煤機(jī)向支架內(nèi)傾斜時(shí)，采煤機(jī)滾筒不切割頂梁在設(shè)計(jì)時(shí)要求頂梁前端距煤壁最小距離為
參照三機(jī)配套 液壓支架 北京煤機(jī)廠
采煤機(jī)
刮板運(yùn)輸機(jī)：
由于選擇掩護(hù)式支架，b的長(zhǎng)度按下式計(jì)算
（2.11）
式中 ―人行道寬度不小于0.6m
―立柱傾角
―支架高度
頂梁全長(zhǎng)
式中―柱窩到鉸接軸的距離，通常取
圖2-4
經(jīng)上式計(jì)算，頂梁長(zhǎng)度預(yù)取
此外應(yīng)注意采用及時(shí)支護(hù)方式，即先移架后推溜，因此要求頂梁有較大長(zhǎng)度
2.6立柱及柱窩位置的確定
1. 立柱數(shù)
2根
2. 支護(hù)方式
支護(hù)時(shí)立柱均前傾立柱在最低位置時(shí)與頂梁垂線的夾角最大
3. 立柱間距
立柱間距的選取原則為：有利于操作，行人和部件的和理布置。前后兩排立柱間距一般取。
4. 立柱的設(shè)計(jì)
（1）支護(hù)面積
支架的支護(hù)面積按下式計(jì)算：
(2.12)
故：
（2）支護(hù)強(qiáng)度
支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算可借助于查表。首先按表根據(jù)老頂級(jí)別和直接頂類別確定支架架型，再根據(jù)名頂級(jí)別和采高確定支護(hù)強(qiáng)度。由于實(shí)際最大采高不—定正好和表中所列采高相同，所以要用插值法重新計(jì)算。
(2.13)
代入數(shù)據(jù)得：
立柱參數(shù)的確定：
假設(shè)立柱的傾角小于，現(xiàn)取傾角為則
(2.14)
式中： —立柱內(nèi)徑（）
—理論支護(hù)阻力（）
—每跟立柱數(shù)
—立柱最大傾角（）
—安全閥的調(diào)整壓力，取型
按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取比計(jì)算直大的標(biāo)準(zhǔn)值作為內(nèi)徑，選取立柱的基本參數(shù)為：
缸體內(nèi)徑：
活柱外徑：
工作阻力：
額定工作壓力：
推薦選用鋼材：
鋼材規(guī)格：
由支架的
由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)選取立柱行程。
5. 立柱的初撐力和泵站的額定工作壓力
立柱的初撐力
(2.15)
取作為泵站的額定工作壓力，考慮到從泵站到支架的壓力損失，根究一般的經(jīng)驗(yàn)的泵站乳化液到支架的壓力一般為。但對(duì)于只考慮支架的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)一般都把泵站壓力做為計(jì)算初撐力的壓力。
安全閥的調(diào)整壓力和立柱的實(shí)際工作壓力
安全閥的調(diào)整壓力 (2.16)
式中：
由用安全閥的調(diào)整壓力為，則立柱的工作阻力:
6. 立柱柱窩位置的確定
（1）上柱窩位置的確定
確定的原則：
①根據(jù)支撐力分布與頂板載荷相一直的原則，通過(guò)受力分析計(jì)算，確定柱窩合力作用點(diǎn)的位置。
②根據(jù)前后立柱間行人及初撐力的均勻分布的要求，初步確定前后立柱間的距離為
③考慮到支撐效率，立柱的傾角不宜太大，最高位置時(shí)立柱傾角不小于。取頂梁為分離體，受力情況如圖：
圖2-5
對(duì)A點(diǎn)有
其中
則有
取
則由立柱的傾角和兩立柱間的距離可以確定各個(gè)柱窩的位置。
支架整體尺寸結(jié)構(gòu)圖如下所示：
圖2-6
2.7平衡千斤頂位置的確定
掩護(hù)式支架中平衡千斤頂?shù)耐屏屠τ?jì)算，平衡千斤頂位置應(yīng)按如下方法計(jì)算確定：
2.7.1 平衡千斤頂安裝位置的確定原則
為了保證支架工作的可靠性，支架的支撐力分布（包括立柱的支撐力和平衡力千斤頂?shù)耐屏屠Φ龋?，必須適應(yīng)頂板載荷分布。當(dāng)立柱的上、下柱窩位置確定后，就可以根據(jù)頂板載荷分布來(lái)確定平衡千斤頂?shù)奈恢?，現(xiàn)按兩種情況進(jìn)行分析。
當(dāng)頂梁前端出現(xiàn)空頂時(shí)，頂梁后端載荷加大，頂板載荷合力作用點(diǎn)位置后移，此時(shí)平衡千斤頂受拉，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點(diǎn)位置在頂梁后端0.27倍頂梁長(zhǎng)度出來(lái)進(jìn)行計(jì)算。
當(dāng)頂梁后端出現(xiàn)空頂時(shí)，頂梁前端載荷加大，頂板載荷合力作用點(diǎn)位置后移，此時(shí)平衡千斤頂受推，為使支架支撐力分布適應(yīng)頂板載荷分布，假設(shè)合力作用點(diǎn)位置在頂梁后端0.35倍頂梁長(zhǎng)度處進(jìn)行計(jì)算。
2.7.2 平衡千斤頂在頂梁上位置的確定
取頂梁和掩護(hù)梁為分離體 （如圖2-7示）
(2.17)
取頂梁為分離體為：
圖2-7
按下式進(jìn)行計(jì)算：
（m） (2.18)
平衡千斤頂在拉力時(shí)，取;平衡千斤頂在推力時(shí)，取
(2.19)
式中為頂梁長(zhǎng)度。
（1） 平衡千斤頂?shù)男谐逃?jì)算
為了防止平衡千斤頂?shù)亩h(huán)或平衡千斤頂本身拉壞，對(duì)平衡千斤頂?shù)男谐逃腥缦乱螅寒?dāng)支架在最高位置時(shí)，頂梁能下擺；支架在最低位置時(shí)頂梁能上擺，或頂梁和掩護(hù)梁近似成。為簡(jiǎn)化計(jì)算，取如下兩種情況：假設(shè)平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部伸出時(shí)頂梁和掩護(hù)梁成；平衡千斤頂?shù)幕钊麠U全部縮回時(shí)，支架恰好在最高位置。
（2） 平衡千斤頂在掩護(hù)梁上位置的確定
平衡千斤頂?shù)男谐檀_定后，即可確定它在掩護(hù)梁上的位置
(2.20)
式中 —當(dāng)活塞全部縮回后，缸體上鉸墊支活塞上部之距。
—當(dāng)活塞桿全部縮回時(shí)，活塞桿鉸點(diǎn)至活塞腔出油孔中心線之距。
(2.21)
通過(guò)和的計(jì)算，平衡千斤頂在掩護(hù)梁上的位置就確定了。
2.8其它千斤頂技術(shù)參數(shù)的確定
2.8.1 推移千斤頂技術(shù)參數(shù)
桿徑
推力
拉力
泵壓
由采煤機(jī)規(guī)格，推移步距為,則推移千斤頂步距為,參照資料規(guī)定選行程為
2.8.2 側(cè)推千斤頂技術(shù)參數(shù)
選取側(cè)推千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下
缸徑
桿徑
推力
拉力
行程
2.8.3 前梁千斤頂技術(shù)參數(shù)
參照平衡千斤頂?shù)募夹g(shù)特性，選取前梁千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下
缸徑
桿徑
推力
拉力
行程
2.8.4 護(hù)幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)
選取護(hù)幫板千斤頂?shù)募夹g(shù)參數(shù)如下：
缸徑
桿徑
推力
拉力
行程
02
02
3 液壓支架受力分析和計(jì)算
當(dāng)支架撐緊在頂板和底座之間時(shí)，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡(jiǎn)化為平面桿系進(jìn)行受力計(jì)算。
3.1 受力分析計(jì)算
掩護(hù)梁上沒(méi)有負(fù)載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時(shí)，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示：
3-1支架總體受力圖
支架的工作阻力為：
（3.1）
頂梁集中受力點(diǎn)距頂梁后鉸點(diǎn)的距離為：
（3.2）
河南理工大學(xué)萬(wàn)方科技學(xué)院本科畢業(yè)論文
3 液壓支架受力分析和計(jì)算
當(dāng)支架撐緊在頂板和底座之間時(shí)，選取整體或一部分為分離體，皆處于平衡狀態(tài)，據(jù)此簡(jiǎn)化為平面桿系進(jìn)行受力計(jì)算。
3.1 受力分析計(jì)算
掩護(hù)梁上沒(méi)有負(fù)載，摩擦系數(shù)為，支架在最高位置時(shí)，每根立柱的工作支撐力為，支架的整體受力如下圖所示：
3-1支架總體受力圖
支架的工作阻力為：
（3.1）
頂梁集中受力點(diǎn)距頂梁后鉸點(diǎn)的距離為：
（3.2）
前后連桿受力為：
（3.3）
由上式得“-”號(hào)，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受拉力；
（3.4）
由上式得“-”號(hào)，表示前連桿受力方向與圖示相反，即前連桿受壓力。
3.2 支護(hù)強(qiáng)度計(jì)算
支架的外載荷已經(jīng)確定，支架的實(shí)際支護(hù)強(qiáng)度為：
（3.5）
誤差 滿足誤差要求
3.3 底座比壓的計(jì)算
底座與底板的接觸面積為： （3.6）
則底座的平均比壓： （3.7）
4 液壓支架的主要部件的設(shè)計(jì)
4.1 前梁
前梁為由鋼板焊接而成的箱體結(jié)構(gòu)，前面連接護(hù)幫板，后面與主頂梁鉸接，下部焊有耳座連接前梁千斤頂，可上下擺動(dòng)。前梁前后銷孔中心之間的距離為，寬度為，厚度為，與前梁千斤頂鉸接的耳座孔孔徑為，前部也焊有與護(hù)幫板千斤頂鉸接的耳座。主筋為的鋼板，加強(qiáng)板為的鋼板。結(jié)構(gòu)如下圖4-1所示
圖4-1 前梁
4.2 主頂梁
頂梁（圖4-2）后面與掩護(hù)梁鉸接，下面由立柱支撐，上與頂板直接接觸，做成箱體結(jié)構(gòu)，不但要滿足一定的剛度和強(qiáng)度的要求，還要適應(yīng)頂板的不平整性，避免局部應(yīng)力過(guò)大而損壞。頂梁是支架主要承受頂板壓力的部件，并起切頂作用。一般前、后柱窩斷面為最危險(xiǎn)斷面，斷面安全系數(shù)，
它可多次反復(fù)支撐頂煤，以利于放煤。頂梁裝有側(cè)護(hù)板，一側(cè)裝有側(cè)推千斤頂和彈簧，防止架間漏煤、矸石及調(diào)節(jié)支架間距。
由于選用的掩護(hù)式支架，頂梁基本尺寸：長(zhǎng)度;寬度，側(cè)護(hù)板縮回時(shí)；全部伸出時(shí)為；上下面厚度；與前梁連接用銷孔直徑,與掩護(hù)梁連接用銷孔直徑,安裝前梁千斤頂用銷孔直徑。
圖4-2頂梁
構(gòu)件材料：16鋼板，厚度有16、20、30三種。
結(jié)構(gòu)：采用箱式結(jié)構(gòu)，有鋼板焊接而成。主要有四根主立筋，為加強(qiáng)構(gòu)件的剛度，在上下蓋板之間焊有加強(qiáng)肋，構(gòu)成封閉式棋盤型。在頂梁下焊有鑄鋼柱窩，柱窩兩側(cè)有孔，用銷軸把立柱和頂梁連接起來(lái)；頂梁前端有銷孔，通過(guò)銷軸與前梁上的銷孔連接起來(lái)；頂梁后端有銷孔，通過(guò)銷軸與掩護(hù)梁上的銷孔連接。頂梁腹部前端還焊有耳座用來(lái)安裝前梁千斤頂。
4.3 掩護(hù)梁
掩護(hù)梁下部與前、后連桿相連，下端與尾梁鉸接，還設(shè)有尾梁千斤項(xiàng)的耳座。用于承受部分煤、矸載荷，防止其竄入后輸送機(jī)的工作空間，保證支
架、后輸送機(jī)正常運(yùn)行。掩護(hù)梁受扭力和橫向載荷力大，是十分重要的部件。掩護(hù)梁做成箱體結(jié)構(gòu)，尾部有伸縮插板式和在下端鉸接一伸縮尾梁式，它裝有側(cè)護(hù)板．作用與頂梁側(cè)護(hù)板相同。側(cè)護(hù)板的橫向?qū)挾龋源笥谝萍懿骄?，這樣移架時(shí)能與不動(dòng)的鄰架間保持封閉。
掩護(hù)梁的主要結(jié)構(gòu)尺寸如下：全長(zhǎng)，兩耳座之間的水平距離為，寬，厚，上方用銷軸與頂梁鉸接，尾部用的銷軸與尾梁鉸接，與前連桿鉸接用的銷孔直徑為，與后連桿鉸接用的銷孔直徑為。
圖4-3掩護(hù)梁
4.4前、后連桿
連桿分前連桿與后連桿，前連桿有一根，后連桿有兩根，兩端都有銷孔，用于與掩護(hù)梁和底座的鉸接，前連桿長(zhǎng)，前后銷孔的直徑為，厚，寬，主筋為厚的鋼板，加強(qiáng)板的厚度為；后連桿兩邊中心孔中心之間的距離為，銷孔直徑為，鋼板材料均為，前連桿作為整體式，由左右兩部分焊接而成，后連桿則為單桿機(jī)構(gòu)，下圖為前連桿一部分的機(jī)構(gòu)圖：
圖4-4 前連桿
4.5底座
底座為整體式剛性底座，四連桿機(jī)構(gòu)鉸接在底座后部，在兩內(nèi)主筋中間形成的較高的鉸點(diǎn)位置，這主要是為了形成足夠的后工作空間，在不影響人行通道的基礎(chǔ)上，前、后連桿鉸接點(diǎn)應(yīng)盡量前移。在兩內(nèi)主筋間下部布置有推拉裝置。有四個(gè)球面柱窩與立柱缸底相連，在底座側(cè)面靠前位置設(shè)有拉后輸送機(jī)千斤頂?shù)目刹鹧b固定耳座。該底座整體性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，比壓小。
底座上的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸如下：
為方便行人及工作人員操作，立柱距底座前端點(diǎn)的距離為，前連桿與后連桿下鉸點(diǎn)的水平距離為，底座全長(zhǎng)，底面寬，中間為安裝推移千斤頂留有推溜槽。
圖4-5 底座
4.6立柱
立柱的結(jié)構(gòu)可如下圖4-6所示，采用單作用、活塞式、雙伸縮的型式。由缸體、活柱、導(dǎo)向套等主要零部件組成。缸體由無(wú)縫鋼管加工而成．缸體的下端焊接球形缸底，在缸底上鉆有孔并焊有管接頭作為立柱下腔(活塞下部空腔)的液口。在缸體的上端裝有導(dǎo)向套，它為活柱的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。為了防止外部煤塵等臟物隨活柱下縮而進(jìn)入缸體，在導(dǎo)向套的上端裝有防塵圈，為了防止液體從立柱上腔(活塞上部環(huán)形空間)向外泄漏，在導(dǎo)向套上還裝有蕾形密封圈和O形圈。缸體上部鉆有螺紋孔并焊有管接頭，與上腔相通，作為立柱上腔的液口。
圖4-6 立柱裝配圖
4.7千斤頂
立柱的主要參數(shù)為：內(nèi)徑，桿徑，選用管材為,工作阻力為，初撐力，工作阻力為立柱調(diào)高范圍為
4.7.1 推移千斤頂
(1) 根據(jù)采高可以確定移架力為.
根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，采用泵站時(shí) ，由于沿程阻力損失，傳到支架時(shí)油液壓力一般只有左右。
(2) 設(shè)計(jì)計(jì)算
移架時(shí)： （4.1）
所以： （4.2）
由國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，選取內(nèi)徑為，外徑為。則，時(shí)，
移架力：
所以，移架力矩滿足要求。
由于配套煤機(jī)的截深為，去推移千斤頂?shù)男谐虨椤?
缸體外經(jīng)，長(zhǎng)度，桿徑。
（2）前梁千斤頂
前梁千斤頂?shù)幕緟?shù)為：
缸徑： 桿徑：
推薦材料規(guī)格：缸
行程。安全閥的調(diào)整壓力：。
（3）護(hù)幫板千斤頂
護(hù)邦千斤頂?shù)幕緟?shù)：
缸徑： 桿徑：
推薦材料規(guī)格： 缸
桿 110圓鋼
液壓行程
5 主要零、部件的強(qiáng)度校核
5.1校核的基本要求
在液壓支架的研制過(guò)程中,個(gè)構(gòu)件的強(qiáng)度校核是極為重要的。強(qiáng)度條件以現(xiàn)階段的液壓支架所選用的材料、制造工藝及失效形式等為依據(jù)。
1. 強(qiáng)度校核均以材料的屈服極限計(jì)算安全系數(shù)。
2. 結(jié)構(gòu)件、銷軸、活塞桿的屈服極限及強(qiáng)度條件：
(1) 個(gè)別結(jié)構(gòu)件通常用等普通合金結(jié)構(gòu)鋼。并由具有標(biāo)準(zhǔn)厚度的鋼板焊接而成。采用鋼。
(2) 主要銷軸均采用等合金結(jié)構(gòu)鋼，現(xiàn)用。
(3) 活柱桿均采用號(hào)鋼，取屈服極限
。
(4)結(jié)構(gòu)件、銷軸和活塞桿的強(qiáng)度條件為：
(5.1)
3. 剛體材料采用無(wú)縫鋼管，取抗拉強(qiáng)度
，強(qiáng)度條件為：
式中：剛體許用應(yīng)力。
4. 焊條抗拉強(qiáng)度條件為：
式中：按焊條類型來(lái)定。
許用擠壓應(yīng)力 。
表5--1
安全系數(shù)
前梁
頂梁
底座
掩護(hù)梁
前連桿
N
1.1
1.1
1.1
1.3
1.3
后連桿
主要軸
剛體
焊縫
活塞桿
1.3
1.3
3.3~4
3.3~4
>4
5.2前梁強(qiáng)度校核
5.2.1 前梁受力情況
假定前梁千斤頂缸體內(nèi)徑先按下表標(biāo)準(zhǔn)取為125
表5--2
50
63
80
100
110
125
140
(145)
200
(210)
220
(230)
250
則前梁千斤頂?shù)闹瘟椋?
（5.2）
圖5-1
前梁前端受一集中載荷P，其受力圖如上圖所示：
前端集中載荷為：
在斷面A-A處的彎矩為：
前梁做成變斷面箱形結(jié)構(gòu)，A-A斷面如下圖所示：
圖5-2 A-A斷面
5.2.2 前梁強(qiáng)度計(jì)算
(1) 形心位置
各板件的計(jì)算數(shù)據(jù)如下表所示：
表5--3
件號(hào)
1
2
3
4
5
數(shù)量
面積
形心位置
慣性矩
1
138
0.5
11.6
2
16
9
340
1
123
17.5
10
2
74
19.5
4220
4
48
9
1024
結(jié)構(gòu)件的形心位置為：
（5.3）
(2) 慣性矩
（5.4）
=
++
=53790
(3) 彎曲應(yīng)力
（5.5）
=
(4) 安全系數(shù)
鋼板材料選取16Mn，
（5.6）
5.3 主頂梁強(qiáng)度校核
5.3.1 主頂梁受力情況
假設(shè)前梁失去作用，主頂梁受一集中載荷，其受力圖如下圖所示：
由上面求出為3279.3KN，距離鉸接點(diǎn)1661mm,最大彎矩為
圖5-3 主頂梁受力情況圖
主頂梁做成等斷面箱式結(jié)構(gòu)，在最大彎矩處的斷面如下圖所示：
圖5-4
5.3.2 主頂梁強(qiáng)度計(jì)算
（1）形心位置
各板件計(jì)算數(shù)據(jù)如下表所示：
結(jié)構(gòu)件的形心位置為：
（5.7）=
表5--4
件號(hào)
1
2
3
4
5
6
7
8
9
數(shù)量
1
139.2
0.8
29.7
2
73.6
2.4
31.4
2
27.8
11.9
1404.8
4
52.2
11.9
5268
2
18.8
11
1107.4
2
37.1
21.2
5447.7
2
35.2
21.2
5166
2
25.9
21.2
3804
1
30.4
11.2
914.5
(2) 慣性矩
（5.8）
(3) 彎曲應(yīng)力
（5.9）
(4) 安全系數(shù)
鋼板材料選取16Mn，
5.4 掩護(hù)梁強(qiáng)度校核
5.4.1 掩護(hù)梁受力情況
由前面已經(jīng)求出在掩護(hù)梁上前后連桿的銷軸處受力為2725.9KN和2096.89KN，其受力圖如下圖所示：
圖5-5 掩護(hù)梁受力圖
最大彎矩發(fā)生在前連桿處，其值為：
最大彎矩處的斷面表示如下圖所示：
圖5-6
5.4.2 掩護(hù)梁強(qiáng)度計(jì)算
(1) 形心位置
各板件記算數(shù)據(jù)如下表所示：
表5--5
件號(hào)
1
2
3
4
5
數(shù)量
1
1
1
4
2
156
150
175
18
39
0.6
4.4
14.8
14
27
17.2
673.5
2960.1
249.4
14.2
結(jié)構(gòu)件的形心位置：
（5.10）