组合式直线型轻型放顶煤液压支架的研究.pdf

分类号 密 级 单位代码10433 学 号 YFZ0610061 山东理工大学山东理工大学 硕士学位论文 组合式直线型轻型放顶煤液压支架的研究组合式直线型轻型放顶煤液压支架的研究 Combined linear light caving hydraulic powered support 研究生 饶红芳 饶红芳 指导教师 姜英 姜英 副教授副教授 协 助 指 导 教 师 申请学位门类级别 工学硕士工学硕士 学 科 专 业 名 称 机械电子工程机械电子工程 研究方向 矿山机械矿山机械 论 文 完 成 日 期 2010 年年 4 月月 日日 I 万方数据 II 独 创 性 声 明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名 时间2010 年 4 月 1 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后应遵守此协议保密的学位论文在解密后应遵守此协议 研究生签名 时间2010 年 4 月 1 日 导 师 签 名 时间 年 月 日 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 摘要 摘摘 要要 随着国家“西气东输” “西电东送”工程的实施和启动，国家石油天然气、煤 炭、电力发展战略逐步西移，新疆迎来了煤炭工业发展前所未有的大好机遇，正逐步 从我国能源领域的“替补”位置转换为“主力”位置。 本文首先通过对要进行矿井生产能力提升的中小型矿井的实地考察， 结合矿井 巷道开拓实际情况和煤层倾角及顶、底板的状况，针对当前我国新疆放顶煤综采存在 煤层条件多样性，在结构和参数上符合液压支架设计要求的前提下，在保证液压支架 支护强度和安全可靠性满足要求的同时， 拟定在原有放顶煤液压支架的结构上进行适 当改型，使支架轻型化，研制推广每架重量4～8吨轻型液压支架系列，符合新疆一些 中小型煤矿的实际使用要求，以适应中小型煤矿的发展，提高中小型煤矿的综合机械 化程度。 其次分别从功能，结构，使用要求，采煤工艺，以及经济效益等方面对方案进 行了论证，设计出组合式直线型轻型放顶煤压支架，借助Pro/E建立了整机的数字化 虚拟样机， 并进行了机构仿真分析和关键技术参数检测， 对整体结构进行了优化设计。 并在设备生产后进行了相关的性能检验和跟踪使用调查。 本机设计不但能解决我区中小型煤矿的采煤机械化和提高支护可靠性，而且改 变了以往放顶煤液压支架购买价格高的特点，最大范围内推广机械化采煤工艺。 关键词组合式；机构仿真；支护可靠性；轻型液压支架；数字化虚拟样机； I 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 Abstract Abstract Along with the “West-East“ “West to East“ project implementation and startup, the state oil and gas, coal, electric power development strategy and gradually moves west, Xinjiang greeted the development of the coal industry an unprecedented opportunity, as is gradually moving from China the energy sector, “Substitute“ position into “main“ position. This paper should be mine by increasing productivity of small and medium mine site visits, combined with the actual situation and mine tunnel opening angle of coal seam and roof and floor of the state, for the current mechanized caving in Xinjiang coal mining conditions of existence of diversity in structure and parameters of the hydraulic design requirements consistent with the premise, hydraulic support in ensuring the strength and reliability to meet the requirements of the same time to draw up the original caving hydraulic support the structure to appropriate modifications, to support and light, promote development of each frame of light weight 4 to 8 tons of hydraulic support series, consistent with a number of small coal mines in Xinjiangs actual requirements, to adapt to adapt to the development of small coal mines to improve the comprehensive mechanization of small and medium coal mines. Followed by the functionality, structure, application requirements, mining technology, and economic benefits in terms of a demonstration program designed modular linear light caving pressure support, with Pro / E to establish the machines digital and virtual prototyping , and carried out bodies and key technical parameters simulation testing, the overall structure is optimized. And the related equipment after the perance test and track use surveys. This machine is designed not only to solve our regions small coal mine mechanization and increase in the support reliability, and changes the caving hydraulic characteristics of the high purchase price, the biggest promotion of mechanized mining technology within. Key wordsCombined; comprehensive mechanization; body simulation; support reliability; light hydraulic support; digital and virtual prototyping; II 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 目录 目 录 摘要 .................................................................................................................................................................I Abstract ........................................................................................................................................................II 目录 ..............................................................................................................................................................III 第 1 章 绪论 ..............................................................................................................................................1 1.1 课题研究背景.................................................................................................................................. 1 1.2 国内外研究水平和发展趋势.......................................................................................................... 2 1.2.1 国外主要产煤国家综采技术的发展趋势.................................................................................. 2 1.2.2 我国综采技术发展现状..............................................................................................................3 1.2.3 煤矿高产高效综采技术发展趋势..............................................................................................4 1.3 研究的目的及意义.......................................................................................................................... 5 1.4 课题研究任务及技术路线.............................................................................................................. 6 1.4.1 可行性分析及技术路线..........................................................................................................6 第 2 章 液压支架的概况与工作原理.....................................................................................................8 2.1 支架的类型和特点.......................................................................................................................... 8 2.1.1 概述 ...............................................................................................................................................8 2.1.2 滑移顶梁液压支架.......................................................................................................................8 2.1.3 支撑式液压支架............................................................................................................................9 2..1.4 掩护式液压支架...........................................................................................................................9 2.1.5 支撑掩护式液压支架..................................................................................................................10 2.2 液压支架的工作原理.....................................................................................................................11 第 3 章 放顶煤液压支架的结构改造及参数确定.................................................................................13 3.1 放顶煤液压支架的改造方案的确定............................................................................................ 13 3.1.1 放顶煤液压支架的特点..........................................................................................................13 3.1.2 可行性论证..............................................................................................................................14 3.1.3 方案的确定..............................................................................................................................14 3.2 改型后放顶煤液压支架结构........................................................................................................ 15 3.2.1 顶梁 ........................................................................................................................................... 16 3.2.2 尾梁 .............................................................................................................................................17 3.2.3 底座 .............................................................................................................................................17 3.2.4 液压系统......................................................................................................................................18 3.2.5 防护装置.....................................................................................................................................20 3.3 参数确定 ................................................................................................................................... 21 3.3.1 支架的最大高度和最小高度的选择..........................................................................................21 3.3.2 支护强度 q...................................................................................................................................22 3.3.3 液压支架工作阻力 Fz.................................................................................................................22 3.3.4 初撑力 Fc.....................................................................................................................................23 3.3.5 支架中心距、宽度、梁端距和顶梁的选择..............................................................................24 3.3.6 平均接触比压..............................................................................................................................25 3.4 液压支架的主要技术特征............................................................................................................ 25 III 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 目录 IV 3.4.1 支架技术特征参数......................................................................................................................25 3.4.2 立柱、千斤顶主要技术参数......................................................................................................26 第 4 章 液压支架的模拟仿真和有限元分析...........................................................................................27 4.1 模拟仿真和有限元分析简介........................................................................................................27 4.1.1 Pro/Engineer 简介.....................................................................................................................27 4.1.2 有限单元法基本思想..................................................................................................................27 4.1.3 ANSYS 简介 ............................................................................................................................28 4.1.4 分析方法.....................................................................................................................................29 4.2 液压支架的结构分析................................................................................................................... 30 结 论 ........................................................................................................................................................35 致 谢 ........................................................................................................................................................36 参 考 文 献 ................................................................................................................................................37 在学期间取得的研究成果...........................................................................................................................38 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景 随着国家“西气东输” “西电东送”工程的实施和启动，国家石油天然气、煤炭、 电力发展战略逐步西移，特别是关于国务院关于进一步促进新疆经济社会发展的若 干意见明确提出，要把新疆建成全国大型油气生产和加工基地、大型煤炭基地、全 国可再生能源规模化利用示范基地和能源陆上安全大通道， 新疆迎来了煤炭工业发展 前所未有的大好机遇，正逐步从我国能源领域的“替补”位置转换为“主力”位置。 煤炭是我国能源安全的基石，煤炭工业是国家重要的基础产业。煤炭工业的兴 衰关系到我国能源安全，关系到国民经济能否持续健康发展。国务院制订的能源中 长期发展规划纲要（2004-2020） （草案）指出“要大力调整优化能源结构，坚持以煤 炭为主体，电力为中心，油气和新能源全面发展的战略”。在今后一段相当长的时间 内，能源结构仍然以煤炭为主，煤炭在一次能源消耗中占70左右。国家从能源安全 战略考虑，加大新疆能源产业全面、协调、可持续发展，加之兰新铁路复线建设的加 速推进，为加快新疆煤炭工业跨越式发展提供了强有力的保障。 新疆煤炭预测储量约2.19万亿吨，占中国预测储量的40,开发潜力巨大，前景 广阔。经过60年的发展，新疆已形成煤炭地质勘查、设计、施工、生产、安全、科研、 教育、培训、卫生、火工产品生产、煤机制造、煤田灭火、矿山应急救援等专业完备、 门类齐全的煤炭工业体系。煤炭的生产条件得到极大的改善，技术装备水平、开采程 度和劳动生产率都有了很大的提高，产量逐年递增。近年来，随着神华、新汶、徐矿、 兖矿等国内大型企业的进驻新疆煤炭领域， 一批大中型骨干矿井相继开工建设并陆续 投产。与此同时，自治区加大淘汰9万吨/年以下落后小煤矿力度，鼓励和支持符合规 划的煤矿联合改造，以提高采煤机机械化程度和提高煤炭的回采率。 但从行业整体发展水平看，我国煤层赋存条件复杂，老矿井受生产系统制约， 综采效率难以发挥，产业集中度低，安全供应能力差。我国目前有3万多处煤矿，平 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 2 均生产规模很低。煤矿点多面广，企业组织结构不合理，缺乏一批对全国煤炭供需平 衡和市场稳定具有一定调节能力的大型和特大型煤炭企业，市场竞争过度，煤炭安全 供应保障能力差。再者，煤矿技术装备总体水平落后，安全状况不好。目前，全国煤 矿采煤机械化程度仅为40左右， 远低于世界主要产煤国家80～100 的先进水平。 主要煤炭技术装备产品与发达国家相比， 性能指标落后15年左右。 煤矿事故居高不下， 安全生产形势依然严峻。 由于受到价格和基础工业水平的影响，我国煤矿设备制造 质量、产品性能和可靠性距世界先进水平还有较大的差距。 1.2 国内外研究水平和发展趋势 1.2.1 国外主要产煤国家综采技术的发展趋势 综合机械化采煤是煤矿开采技术现代化的重要标志。80 年代末以来，世界主要 产煤国家高产高效综采技术迅速发展，特别是美国、澳大利亚、德国、英国和南非发 展最快。综采工作面高产高效纪录不断刷新，综采装备新技术层出不穷。 1993 年，美国综采工作面平均班产达到 3076 吨洗精煤，据 33 个综采工作面的 统计数据，平均年产 145.4 万吨洗精煤，平均工效 274t/ h，工作面搬家（包括设备 安装）时间平均 684 人工／面。工作面平均长度 240 米，最大长度 335 米。近几年更 是大幅度提高。其中采煤工作面 87.5％是电液控制工作面，采用两柱掩护式支架支护 的占 91.25％，支架工作阻力大部分在 7000～8000KN，普遍装备大功率电牵引重型 采煤机和大功率、大运量、高可靠性刮板输送机。 澳大利亚近十年来综采发展很快，综采工作面数量不断增加。科迪尔克斯矿和 巴波尼矿的综采工作面年产量已超过 300 万吨。为使综采产量持续增长，近几年来澳 大利亚采取一系列，包括改革劳动制度，采用各种新设备、新技术、综采工作面优选 世界各国最先进的重型高效设备，实现一井一面，集中化生产。 英国和德国是世界上综采技术装备最先进的国家，由于受其自然煤层赋存条件 的限制，其高产高效工作面的记录不如美国和澳大利亚，但世界著名的采煤机机械公 司主要集中在德国和英国。 高产高效综采技术的核心是工作面的综采设备。近十年来，工作面三大配套设 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 3 备采煤机、刮板输送机和液压支架，在设计方法和结构上都有了重大发展，主要 提高设备生产能力和可靠性，改进操作性能。 液压支架是综采工作面主要设备之一，近十年来主要的发展趋势是向两柱掩护 式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工 作阻力、大中心距发展，结构件材料越来越多的采用高强度钢材，例如 69MPa 以上 的钢板，支架的寿命和可靠性要求大大提高，有些公司要求液压支架的耐久性试验循 环次数达 50000 次。支架的寿命达 14 年以上。 液压支架技术另一项重大突破是控制系统，应用电液控制技术，采用电磁控制 的先导阀，先进可靠的压力和位移传感器，灵活自由编程的微处理机技术，红外线遥 感技术等现代科技成果，使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 6～8S。配合采煤机的煤岩识别系统等先进技术，可实现工作面的自动 控制。 1.2.2 我国综采技术发展现状 我国自70年代初开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，试验和发展综 合机械化采煤技术，经历了引进消化、仿制到独立设计的发展历程，到目前已形成了 较完整的设计、制造和科研体系，液压支架架型和结构不断改进、创新和发展完善。 先后研制试验成功经济型综采成套设备；薄煤层、中厚煤层和大采高综采成套设备， 特厚煤层分层机械化铺网液压支架系列机成套设备和工艺； 放顶煤液压支架系列及成 套设备和工艺。 我国从1993年开始组织高效高产矿井建设，实现了一井一面或一井两面的生产 模式，向集约化生产迈出可喜的一步。高产高效工作面装备因地制宜，针对矿井条件 不同,对液压支架提出不同要求。条件好的大型高产高效矿井,重点发展大工作阻力、 高可靠性电液控制液压支架；条件复杂的矿井，重点发展适应难采煤层的各种液压支 架，大批中小矿井将进行技术改造,推广使用紧凑型的液压支架。这使得我国的液压 支架设计走上了两个设计思路。 一方面从上世纪80年代初，我国厚煤层开采为简化工艺、减少掘进、降低成本、 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 4 提高产量，将机械化分层开采部分改为一次采全高开采。2004以前，高端综采液压支 架几乎全部依靠进口。为了降低经济成本和提高综采设备性能的全面提高，国家决定 以液压支架为突破口进行采掘装备的国产化研制，并将其列为重点科研项目。通过积 极组织和推动重大装备研发。目前，设计支护高度为6.3米液压支架近日在郑州煤矿 机械集团通过出厂评定，这套新型液压支架的高度刷新了世界记录，成为目前世界上 支护高度最大的矿用液压支架。它的面世，也结束了我国高性能液压支架完全依靠进 口的局面。采用6.3米液压支架，可使煤层回采率超过90％，可节约大量的煤炭资源。 解决了特厚煤层一次采全高的重大技术难题，标志着我国煤矿装备本土化研发、制造 水平的新突破。并且在国际市场上也与国外煤机巨头展开了竞争。 另一方面，针对当前我国放顶煤综采存在煤层条件多样性与放顶煤支架支护型 式和放煤位置单一化的矛盾，积极在原有液压支架的类型和结构上进行技术改进，开 发和研制出多种适应不同煤层和不同开采方法的新型液压支架， 并在实际煤炭企业中 进行应用上述两项新技术结合而成的新型放顶煤液压支架。 1.2.3 煤矿高产高效综采技术发展趋势 我国是世界主要产煤国家，煤矿总数超过全世界其他所有国家煤矿的总和。综采 技术经过几十年的发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效。原煤炭 部提出到 2000 年建成 100 个高产高效矿井，其中，要建设 10～15 个具有世界先进技 术水平的高产高效矿井，全行业总体技术水平要上一个新台阶，这是我国煤矿工作者 的历史使命。发展综采技术是建设高产高效矿井的重要任务，根据高产高效矿井建设 和国外发展经验，目前我国煤矿高产高效综采技术发展的趋势是 （1）加大技术改造力度，简约生产系统，合理集中生产，优化工作面参数和配置 生产系统复杂、环节多是制约综采工作面生产的重要因素，老矿井必须进行技术 改造、简约生产系统，消除“卡脖子”环节，实现合理集中生产。年产量 200 万吨以 下矿井力争实现一井一面，年产量 300～400 万吨的矿井实现一井两面。这样将使矿 井运输、通风、供电、开拓掘进系统大为简约。为提高工作面单产，减少搬家次数， 有条件的矿井要适当加长工作面长度和采区走向长度。工作面长度应达到 200 米，部 万方数据 山东理工大学硕士学位论文 第 1 章 绪论 5 分条件好的矿井工作面长度可随着工作面输送机铺设长度的增加，逐步达到 250～ 300 米。要优化工作面设备配套，保证设备生产能力的充分发挥。采煤机应向大截