薄煤层液压支架的分析与研究.pdf

分类号I 旦三墅 U D C 密级 单位代码 Q Q 2 鱼 工学硕士学位论文 1 嘲鼎 薄煤层液压支架的分析与研究 作者姓名 指导教师 申请学位级别 学科专业 所在单位 授予学位单位 张晓静 李秋生教授 工学硕士 机械设计及理论 机电工程学院 河北工程大学 薄煤层液压支架的分析与研究 河北工程大学 2 014 年5 月 AD i s s e r t a t i o nS u b m i t t e dt o H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g F o rt h eA c a d e m i cD e g r e eo fM a s t e ro fE n g i n e e r i n g T h e A n a l y s i sa n dR e s e a r c ho fT h i nS e a m H y d r a u l i cS u p p o r t C a n d i d a t e S u p e r v i s o r A c a d e m i cD e g r e eA p p l i e df o r S p e c i a l t y C o l l e g e ／D e p a r t m e n t Z h a n gX i a o j i n g P r o f ．L iQ i u s h e n g M a s t e ro fE n g i n e e r i n g M e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y C o l l e g eo f E l e c t f i c a la n d M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g H e b e iU n i v e r s i t yo fE n g i n e e r i n g M a y , 2 0 1 4 独创性声明 本人郑重声明所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得河北工程大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果 由本人承担。 学位论文作者签名坎蹶彩葡 签字日期≯，4 年卵’厂日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塑兰堡王堡盘堂有关保留、使用学位论文的规 定。特授权塑兰鱼王堡盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同 意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档。 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名i 象骣．彳瞄 签字日期矽，笋年j _ 月玎日 导师签名 女讯芝签字日期矽／牛年夕月矿白 摘要 摘要 液压支架是现代煤矿开采中的重要支护设备，随着煤矿综合机械化程度的大 幅度提高及超强度开采，使得厚煤层及中厚煤层的储量急剧下降甚至枯竭，薄煤 层逐渐成为主采煤区。但一直以来，薄煤层开采效率低、安全可靠性差成为制约 薄煤层开采的几大难题。由于大部分液压支架都是针对中厚煤层而设计的，因此 如何对现有液压支架进行改进，使之能更好地适应薄煤层的开采条件是目前急需 解决的一大问题。本文针对这一问题进行研究，设计一种安全有效且能更好适应 薄煤层环境的液压支架。 首先对目前薄煤层液压支架的发展现状及目前已有的薄煤层液压支架普遍存 在的问题进行了论述，并对液压支架的主要零部件进行了设计与改进，初步完成 了薄煤层液压支架的整体结构设计。 其次，将设计好的参数使用三维设计软件p r o ／e 进行三维建模，并完成了支架 的整机虚拟装配。然后根据支架的三维模型进行有限元分析，验证了液压支架的 设计符合强度要求。 最后对薄煤层液压支架进行了可靠性分析，根据支架在工作时可能出现的故 障绘制液压支架的故障树模型。由于大部分液压支架的故障都来自液压系统，液 压系统是支架的关键环节，因此着重对液压支架的液压系统进行了可靠性分析， 并对其中可能发生故障的主要环节提出可靠性保证措施。 本文系统地对薄煤层液压支架的设计进行了研究，研究中使用的方法和得到 的结论，对液压支架研究开发具有重要的参考应用价值。 关键词薄煤层液压支架；二柱掩护式；三维参数化设计；可靠性 A b s t r a c t A b s t r a c t H y d r a u l i cs u p p o r ti sa nv e r yi m p o r t a n ts u p p o r ti nm o d e mc o a lm i n i n ge q u i p m e n t ， a l o n gw i t ht h ec o m p r e h e n s i v em e c h a n i z e dc o a li n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l ya n di n t e n s i v e m i n i n gt h i c kc o a ls e a ma n dt h i c kc o a ls e a mi nt h er e s e r v e sf e l ls h a r p l ye v e nd r i e du p ， g r a d u a l l yi n t oat h i nc o a ls e a mm i n i n ga r e a ．B u tf o ral o n gt i m e ，l o we f f i c i e n c yo ft h i n c o a ls e a mm i n i n g ，p o o rs a f e t ya n dr e l i a b i l i t yb e c o m eab i gp r o b l e mi nt h et h i nc o a l s e a mm i n i n g ．B e c a u s em o s to ft h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sd e s i g n e df o rt h i c kc o a ls e a mi n ． S O ，h o wt oi m p r o v et h ee x i s t i n gh y d r a u l i cs u p p o r t ，t ob e t t e ra d a p tt oc o n d i t i o n so ft h i n s e a mm i n i n ga tp r e s e n ti sa nu r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d ．A i m i n ga tt h i sp r o b l e m ，t h i s a r t i c l es t u d yt h ei s s u e ，d e s i g nas a f e ，e f f e c t i v ea n dc a nb e t t e ra d a p tt ot h ee n v i r o n m e n t o ft h i nc o a ls e a mh y d r a u l i cs u p p o r tt os o l v et h ec u r r e n tp r o b l e m s ． F i r s to fa l l ，o nt h ep r e s e n ts i t u a t i o no ft h i nc o a ls e a mh y d r a u l i cs u p p o r ta n dt h e p r o b l e mo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r tc o m m o ne x i s t e di nt h ec u r r e n t l yt h i nc o a ls e a mi s d i s c u s s e d ，a n dt h em a i nc o m p o n e n t sf o rt h ed e s i g na n di m p r o v e m e n to ft h eh y d r a u l i c s u p p o r t ，i n i t i a l l yc o m p l e t e dt h eo v e r a l ls t r u c t u r ed e s i g no ft h i nc o a ls e a mh y d r a u l i c s u p p o r t ． S e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h ep a r a m e t e r s ，U s i n gt h r e e d i m e n s i o n a ld e s i g ns o f t w a r e p r o ／e 3 dm o d e l i n g ，a n dc o m p l e t e dt h es u p p o r to fv i r t u a l a s s e m b l ym a c h i n e ．T h e n ， a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cs u p p o r t ’St h r e e d i m e n s i o n a lm o d e lf o rd i f f e r e n tl o a dc a s e s f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i st ov e r i f yt h ed e s i g no fh y d r a u l i cs u p p o r tc a nm e e tt h ed e m a n d s o fs t r e n g t h ． F i n a l l y , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i sw a sc a r r i e do u to nt h et h i nc o a ls e a mh y d r a u l i c s u p p o r t ，a c c o r d i n gt ot h eh y d r a u l i cs u p p o r ta l lk i n d so ff a u l ta tw o r kt om a pt h ef a u l t t r e em o d e lo fh y d r a u l i cs u p p o r t ．B e c a u s em o s to ft h ef a u l tc o m e sf r o mh y d r a u l i cs y s t e m o fh y d r a u l i cs u p p o r t ，h y d r a u l i cs y s t e mi sak e yl i n ki nt h ep r o c e s so fs c a f f o l d ，T h e r e f o r e ， f o c u s e so nt h eh y d r a u l i cs y s t e mo fh y d r a u l i cs u p p o r ta r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ，a n ds o m eo f t h ep o s s i b l ef a i l u r eo fm a i nl i n kr e l i a b i l i t ya s s u r a n c em e a s u r e sa r ep u tf o r w a r d ． T h i sp a p e rs y s t e m a t i c a l l ys t u d i e dt h et h i nc o a ls e a mh y d r a u l i cs u p p o r td e s i g n ，u s e d i nt h er e s e a r c hm e t h o da n dt h ec o n c l u s i o n ，t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h em e t h o d A b s t r a c t u s e di nt h es t u d ya n dt h ec o n c l u s i o n so ft h eh y d r a u l i cs u p p o r tr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t h a si m p o r t a n tr e f e r e n c ev a l u ef o rf u t u r ew o r k K e y w o r d s t h i nc o a l s e a mh y d r a u l i cs u p p o r t ；t h es e c o n dc o l u m nc o v e rt y p e ；3d p a r a m e t r i cd e s i g n ；r e l i a b i l i t y 目录 第1 章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 薄煤层液压支架简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．1 ．1 国内薄煤层液压支架的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 1 ．1 ．2 国外薄煤层液压支架的发展现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．1 ．3 现有薄煤层液压支架存在的问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 本课题的选题意义和研究路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．1 课题的选题意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．2 ．2 课题的研究方法和技术路线⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 ．3 本课题的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 1 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第2 章现有薄煤层液压支架的对比分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 现有薄煤层支架架型及优劣性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 二柱掩护式与四柱支撑掩护式液压支架的比较⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．1 整体性能分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一9 2 ．2 ．2 可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．2 ．3 经济性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯13 2 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．13 第3 章薄煤层液压支架的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 液压支架的整体参数设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．1 液压支架的主要结构组成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 5 3 ．1 ．2 支架的主要参数确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．2 顶梁的选择及设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 ．1 顶梁的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 7 3 ．2 ．2 顶梁的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 薄煤层支架的工作阻力的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 ．1 力学模型分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．3 ．2 支架工作阻力的影响因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 3 ．3 ．3 液压支架工作阻力的确定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 ～ 一 ～ 『| ～ ；| ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 一 ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 『| ～ | | 录 ～ ～ 一 一 ～ ～ 目 | | ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ ～ 『i ～ | | ～ ～ ～ ～ ～ ～ i | ～ ～ ～ ～ ～ ～ 吡 ～ 阳要吼摘№ 目录 3 ．4 抬底机构的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．4 ．1 抬底千斤顶的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 3 ．4 ．2 抬底千斤顶校核⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．4 ．3 抬底量的验算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．5 四连杆的结构仿真⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 ．1 四连杆的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 ．2 四连杆的几何特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．5 ．3 建立四连杆的A d a m s 数学模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 3 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 6 第4 章液压支架的三维建模与强度分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．1 薄煤层液压支架虚拟样机的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 4 ．2 液压支架的整机装配⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．3 液压支架项梁的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．3 ．1A N S Y SW o r k b e n c h 介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．3 ．2 有限元模型的简化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．3 ．3 支架模型的网格划分⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．3 ．4 顶梁的加载试验方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3 ．5 顶梁两端加载底座扭转的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯31 4 ．3 ．6 顶梁偏载底座扭转的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 7 第5 章支架液压系统的可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 可靠性的基本概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．1 可靠性概念⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．1 ．2 可靠性特征量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 5 ．2 可靠性的一般分析方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 5 ．3 液压系统故障树模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．3 ．1 液压系统各部件分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 5 ．3 ．2 液压系统数学模型建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．3 ．3 液压系统故障树建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 ．3 ．4 乳化液泵故障树模型的建立及可靠性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 8 5 ．4 液压系统的失效分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 2 5 ．4 ．1 乳化液污染的失效分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．2 液压元件磨损和腐蚀的失效分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 3 目录 5 ．5 可靠性保证措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 ．1 乳化液的可靠性保证措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 4 5 ．5 ．2 液压元件的磨损和腐蚀的可靠性措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 5 5 ．6 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 7 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 作者简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 攻读硕士学位期间发表的论文和科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．6 5 第1 章绪论 第1 章绪论 液压支架是我国煤矿开采设备中的重要支护设备，在煤矿开采中起着重要的 作用。近几年，随着煤矿综合机械化程度的大幅度提高及超强度开采，厚煤层及 中厚煤层储量越来越小，而薄煤层由于煤层厚度小、不便开采等原因储量相对较 多，因此薄煤层越来越成为当前煤矿开采的主要采煤区，对薄煤层液压支架的分 析与研究显得就尤为重要。 1 ．1 薄煤层液压支架简介 1 ．1 ．1 国内薄煤层液压支架的发展现状 我国从2 0 世纪中期开始对液压支架进行研究，到现在已经有了快速的发展。 尤其经过近几年的研究，我国液压支架的种类越来越多，支架的结构设计也更合 理。不仅综采工作面的装备水平越来越向机械化发展，液压支架的使用寿命相比 以前也有了很大提高。其中薄煤层液压支架在此过程中也取得了较大的进步，且 架型主要朝二柱掩护式及四柱支撑掩护式发展。 我国薄煤层工作面的支护设备经过多年发展，目前已经形成了含有多种支护 设备的产品，其中包括液压支架、单体液压支柱、金属摩擦支柱等多种类型。其 中还形成了一系列适应于不同地质条件、不同配套设备的液压支架，但这些支架 的调高范围普遍小，移架时煤泥堵塞液压支架底座中档很容易造成移架困难。我 国薄煤层液压支架的设计、制造技术也已经逐渐成熟，支架的最小高度己能达到 0 ．5 m m [ 3 1 。 我国液压支架的控制系统发展一直很缓慢，使用电液控制系统是目前液压支 架发展的主要趋势，不过目前我国在这方面的发展与国外还有一定差距。一般支 架的运行模式主要有两种，即双向电子邻架控制和浮动分组控制。使用电液控制 技术可以使液压支架运行得更快更有效。薄煤层由于井下空间小、作业环境差等 因素，导致薄煤层的开采率一直很低，而使用电液控制系统将是薄煤层液压支架 最合适的选择，相对手动系统运动不仅更精确，而且节省了大量的时间，有效提 高了液压支架的工作速度。 随着液压支架的机械化发展，人们越来越开始注重液压支架的可靠性问题， 可靠性的高低直接影响着液压支架的使用寿命，可靠性越高的液压支架正常工作 河北工程大学硕士学位论文 的年限也就越长，因此液压支架的可靠性也将是以后进行支架设计时考虑的重点， 同时也将会是液压支架的主要发展趋势[ 6 - 1 1 】。 1 ．1 ．2 国外薄煤层液压支架的发展现状 液压支架的发展是从2 0 世纪中期开始的，随着世界各地对液压支架的积极改 进、设计和制造，现在已经发展出了多种不同类型的液压支架，按照其发展和演 化顺序，可以将液压支架划分为四种不同的类型，即框架式、支撑式、支撑掩护 式和掩护式。不过经过多年的实际应用，框架式和支撑式支架由于结构不合理已 经不能满足当前煤矿开采要求早己被逐渐淘汰，目前使用较多应用较广泛的主要 是掩护式和支撑掩护式液压支架。 1 9 7 5 年美国的西弗吉尼亚北部煤矿首次使用了掩护式液压支架，掩护式支架 包括两种基本类型，即两柱式和四柱式。从1 9 9 0 年起，美国就开始大面积使用两 柱掩护式液压支架。现在两柱掩护式液压支架已经是美国长壁开采的标准架型。 经过近3 0 年的发展，两柱掩护式支架在结构设计、构件特征和支架特征方面已经 不同程度的标准化了，开始逐渐应用在全球高产、高效的长壁工作面中。 国外的液压支架一般都采用高强度钢板，这种钢板都具有很好的硬度、韧性 和冷焊性能。液压系统中的液压阀也都使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯。因 此不论在材料的选择上还是加工工艺方面国外的液压支架都很优秀，这些巨大改 进使液压支架的性能和使用寿命方面都有了很大提高。 现代设计方法在液压支架中的应用越来越广泛，尤其近几年欧美一些国家在 这方面的研究使得二维制图和三维建模等软件在得到进一步开发，功能越来越强 大，同时也使这些软件在液压支架的研究和设计环节上得到了普遍应用。现代设 计方法的研究与进步在简化支架结构的同时不仅提高了支架的工作效率，也使煤 矿产量有了很大提高。 经过多年的发展，液压支架的技术越来越趋于现代化，目前国外的很多国家 已经开始使用电液控制系统。尤其在薄煤层煤矿中，液压支架液压系统基本已逐 渐过渡到采用电液控制系统，代替了原有的手动操作。德国的D B T 公司是最早研 制液压支架的电液控制系统的。目前，该公司研究开发的以新型液压支架电液控制 系统为基础的全自动化无人刨煤机综采工作面成套设备已经开始投入生产应用， 这种电液控制系统的研发和使用改变了之前煤层开采的综合机械化模式，开始转 向全面自动化智能模式发展。 第1 章绪论 1 ．1 ．3 现有薄煤层液压支架存在的问题 薄煤层的矿藏赋存都不太稳定，因此薄煤层液压支架的设计就会面临很多难 题。首先薄煤层煤层厚度变化比较大，这样对液压支架的伸缩比就会有很高要求， 一般薄煤层液压支架的伸缩比都要求在2 ～3 的范围内，不仅要保证液压支架在最 高位置时足够高，可以采到尽可能多的煤，还要保证支架在最低位置时留有最基 本的行人空间，这样对液压支架立柱及四连杆的设计要求就会很高。另一个存在 的问题表现为，一般在进行液压支架的设计时为了提高液压支架的伸缩比，通常 将液压支架的项板设计得都比较薄，虽然满足了伸缩比要求，但同时却使项梁的 强度很难到要求，从而将会影响到整个液压支架工作阻力的提高，不仅没有达到 支护要求还会对井下人员造成不必要的伤害，造成井下事故的发生。 目前我国液压支架的可靠性也普遍不高。据研究表明，液压系统故障是液压 支架在工作中的最常见故障，可见液压系统对支架的正常运行起着举足轻重的作 用，因此对支架的液压系统进行可靠性分析是十分必要的，不仅可以及时发现问 题，还可以对故障率高的部件提早采取预防措施。 薄煤层液压支架都有很长的顶梁，目的主要是为了保证基本的行人空间和达 到通风要求，但这样的话又很容易使液压支架底座的前后端的压力不均，使支架 有向前运动的趋势从而发生扎底现象，针对这一问题，需要在支架的底座增设抬 底机构，可以有效解决这一问题【1 2 J 。 1 ．2 本课题的选题意义和研究路线 1 ．2 ．1 课题的选题意义 随着世界经济的不断发展，特别是人口众多的发展中国家经济总量的提高， 对煤炭资源的需求量急剧增加，资源价格水平也相应大大提高，开采薄煤层可以 获得较好的经济效益。 我国薄煤层的可采储量占煤矿储量很大一部分比重，但我国一些地区的煤炭 资源却很紧缺，造成这一现状的原因主要是跟薄煤层开采空间小、工作效率低有 关，薄煤层液压支架作为薄煤层煤矿开采的重要支护设备，它的设计及开发就显 得尤为重要，如何实现薄煤层液压支架的高产高效和自动化是目前急需解决的一 个课题。 本课题首先通过对几种液压支架架型进行对比分析，为薄煤层液压支架设计 提供理论依据；同时对四连杆机构的仿真优化能更大限度地使液压支架平稳高效 地工作。通过有限元分析，可以有针对性地改进支架结构，改善其工作性能；使 河北工程大学硕士学位论文 用C A F T A 软件对液压系统进行可靠性分析，可以有效减少操作系统故障率，提高 工作效率。薄煤层液压支架的开发与使用可以使我国一些地区资源短缺的局面得 到缓解，同时还能将大量的煤炭资源得到回收和合理利用。 1 ．2 ．2 课题的研究方法和技术路线 调查研究并搜集资料，采用从整体到部分的设计方法对液压支架各零部件和 机构进行了分析和研究。首先使用P r o ／E 软件实现液压支架的三维参数化造型，并 进行初步干涉检查；之后使用A N S Y S 有限元分析软件对不同状态下的液压支架进 行强度分析，最后对液压支架着重对支架的液压系统进行了可靠性分析，现作出 技术路线图如下。 调研学习，阅读相关资料 上 对液压支架架型进行比较 i 方案确定 I 薄煤层液压支架的结构设计 王 液压支架三维参数化建模及分析 i 液压系统可靠性分析 否 i 输出结果 图1 1 研究路线 F i g ．1 - 1T h es t u d yc o u r s e 4 第1 章绪论 1 ．3 本课题的研究内容 1 对液压支架架型进行对比分析； 查阅资料，阅读相关文章，通过对现有液压支架架型进行对比分析，选出最 适合薄煤层的液压支架，准确地建立薄煤层液压支架力学模型并对其进行分析。 2 薄煤层液压支架的结构设计； 首先确定支架的主要参数，之后对液压支架主要部件进行改进设计，通过薄 煤层液压支架与煤壁关系确定最合理的支架工作阻力，并对支架的四连杆机构进 行仿真优化。 3 薄煤层液压支架的三维参数化建模及有限元分析； 运用P r o ／E 三维建模软件，根据薄煤层液压支架的零部件和结构特点对液压支 架进行三维建模和整机装配，并使用A N S Y S 有限元软件对该液压支架进行有限元 分析，对支架进行强度校核。 4 液压支架液压系统的可靠性分析。 首先建立液压支架液压系统的故障树模型，通过C A F T A 软件绘制支架的液压 系统乳化液泵的故障树，并对其进行可靠性分析，提出提高液压支架可靠性的有 效措施。 1 ．4 小结 本章主要介绍了目前我国及国外薄煤层液压支架的发展情况及存在的问题， 确立了本课题的选题意义及研究意义，并简要介绍了本文研究方法、技术路线和 主要研究内容。 第2 章现有薄煤层液压支架的对比分析 第2 章现有薄煤层液压支架的对比分析 我国的液压支架种类很多，目前应用较多的结构形式包括单摆杆式液压支架、 垂直导杆式液压支架、四连杆式液压支架。其中在薄煤层中二柱掩护式和四柱支 撑掩护式的应用最多，下面就针对以上几种液压支架进行分析比较，从而选出最 适合薄煤层的液压支架。 2 ．1 现有薄煤层支架架型及优劣性分析 液压支架的种类有很多，按照不同的分类方法可以将支架划分成很多不同的 类别，按开采方式的不同可以分为放顶煤液压支架和铺联网支架；按与围岩相互 作用关系的不同可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类；按使用环境的不同可 以分为工作面和端头支架；按移架方式还可以分为迈步前移式和整体自移式。下 面介绍几种不同支撑形式的液压支架。 1 单摆杆式液压支架 单摆杆式液压支架是9 0 年代初才出现的一种新架型，通过将液压支架的四连 杆改为单摆杆而成，可以有效增大行人和作业空间，但由于只有一个杆连接在掩 护梁与底座之间，造成其抗扭能力大大降低，因此单摆杆支架的横向稳定性很差。 而且当支架在升架或降架的过程时，顶梁与顶板之间有较大的相对错动，支架的 稳定性会降低，当顶板周期来压时，还会由于支撑不稳造成冒顶。单摆杆的抗扭 能力低，横向稳定性差，很难适应薄煤层的复杂工况，因此在使用时有一定的局 限性。下图为单摆杆液压支架 图2 - 1 单摆杆液压支架简图 F i g ．2 - 1P e n d u l u mr o dh y d r a u l i cs u p p o r ts k e t c h 2 垂直导杆式液压支架 垂直倒杆式液压支架也是近些年出现的一种新架型，结构比四连杆机构简单， 河北工程大学硕士学位论文 加工制造也比较容易。该支架的顶梁和底座是使用垂直导向机构连接的，因此在 上升或下降过程中顶梁与顶板就不会有沿水平方向的相对运动，支架的稳定性就 会有很大提高。之前提到，在薄煤层中支架的高度十分重要，如果支架高度太低， 就会失去本来就很薄的煤，如果高度余量太大的话，又会给设计带来很大难度。 一般薄煤层支架的伸缩比都在2 到3 之间。而由于这种支架导向套的关系，垂直 倒杆式液压支架很难将最低高度降到最低，而当要达到最高高度时又很难保证支 架的横向稳定性，容易发生倒架，因此垂直倒杆式液压支架虽简单却很不适合应 用到薄煤层中。下图为垂直倒杆液压支架 图2 - 2 垂直倒杆液压支架简图 F i g ．2 - 2S c h e m a t i cv e r t i c a lh y d r a u l i cs u p p o r tr o dd o w n 3 简易液压支架简介 简易液压支架主要有滑移顶梁液压支架和悬移顶梁液压支架，都是由两个分 体顶梁组成，顶梁之间通过导向机构或挠性四连杆滑块机构连接，这种支架一般 没有底座，因此将推移油缸设置在项梁上，可以使顶梁交替迈步前移，实现移架。 简易液压支架的优点主要是结构简单，便于拆装和运输，而且重量轻，对顶板的 接顶性较好。但这种支架稳定性和导向性都较差，易出现倒架现象，移架速度也 不快，因此也不是适合架型。 上述几种架型是我国目前普遍使用的液压支架，但在薄煤层中使用最为广泛 的还是两柱掩护式和四柱支撑掩护式这两种液压支架，下面本文将对这两种常见 薄煤层液压支架进行重点分析比较，从而选出最适合薄煤层开采的液压支架。 2 ．2 二柱掩护式与四柱支撑掩护式液压支架的比较 随着我国液压支架技术的不断发展，二柱掩护式及四柱支撑掩护式液压支架 逐渐成为薄煤层支架的主要发展趋势。四柱掩护式液压支架由于支撑好更适合于 坚硬顶板，随着二柱掩护式液压支架在结构设计、支护性能等方面的明显改进， 其应用场合也越来越广泛。本文将从以下几个方面进行分析比较。 第2 章现有薄煤层液压支架的对比分析 2 ．2 ．1 整体性能分析 使用液压支架的主要目的就是有效控制顶板，为生产提供一个安全可靠的工 作环境，下面本文从液压支架的支撑效率和液压支架对顶板的控制两个方面对支 架的性能进行评估。 1 液压支架的支撑效率 薄煤层的空间本身就很狭小，因此如何在有限的开采空间和支护面积上达到 最好的支护效率，是一个很重要的问题。两柱掩护式支架相对于四柱支撑掩护式 支架的一个巨大优点是它只有一个单独的承载路径，因为只有两个支柱，因此所 有的载荷只能通过两个立柱液压缸在矿井顶板和底板之间传递，这种设计可以确 保支架的支柱达到全部的支撑能力，无论支架与顶板和底板的接触特性如何，顶 板的合力将始终位于支柱位置的附近，从而使液压支架的支撑更有效果。 四柱式液压支架在工作时，来自顶板的载荷一般会加载到前后柱中间，这个 合力作用点不仅离煤壁较远而且位置也很容易发生变化，因此虽然四柱式支架有 四个支柱在同时支撑，但其实真正起作用的往往只有两个，这样前后柱之间的不 平衡载荷很容易便会产生，在极端情况下，如果顶梁上方产生空洞，某个支柱可 能不受载，支架的额定支撑能力会减小一半。因此从支撑效率上来说，二柱掩护 式支架相比四柱式支架效果要好很多【2 M 2 1 。 下面通过力学分析计算两种液压支架的支撑效率，两柱支撑式液压支架与四 柱支撑掩护式液压支架受力分析图如下所示 a 两柱掩护式支架整体受力 Q f Q X f b 顶梁受力分解图 c 掩护梁受力分解图 图2 3 两柱掩护式支架力学模型 F i g ．2 3T h eM e c h a n i c a lm o d e lo fl e gs h i e l dh y d r a u l i