液压支架的强度计算

引言
根据我国矿山煤层的复杂特点及生产效率、生产安全等多方面的要求，特别提出本设计方案。

本设计针对减少投资、方便使用、能够同时用于综采放顶煤工作面、综采面及高档普采面等的端头支护设备进行校核，为液压控制系统的设计提供主要的理论依据。

以往的大型端头液压支架，沿地板前移，庞大的底座掩护梁及连杆组成了端头支架的大部分质量，也占用了端头巷道的大部分空间，必须扩大巷道才能够前移。

本设计针对这种情况提出设计思想。

在具体设计方面涉及到端头支架的主要设计参数，包括支护强度、初撑力，顶梁长度的调高范围、支架伸缩比、支护强度等的确定。

托臂、立柱及推拉千斤顶位置的确定；支架的主要部件如顶梁、托臂、立柱、柱鞋等的设计。

通过对各个部件的受力分析进而对顶梁强度、托臂强度、导向杆强度、立柱强度和销轴和耳座的强度进行校核。

液压支架设计
一概述
1 液压系统简介
液压传动控制是工业中经常用到的一种控制方式，它采用液压完成传递能量的过程。

液压传动利用这种元件来组成所需要的各种控制回路，再由若干回路有机组合成在液压支架的研制、实验过程中，各构件的强度计算是极为必要的在结构设计，主要有顶梁、立柱杆端位置确定，同时对顶梁、托臂、导向杆、立柱、等进行全面分析校核，确定有效断面尺寸，还要按原煤炭部标准的各种加载方式。

液压传动所基于的最基本的原理就是帕斯卡原理，就是说，液体各处的压强是一致的，这样，在平衡的系统中，比较小的活塞上面施加的压力比较小，而大的活塞上施加的压力也比较大，这样能够保持液体的静止。

液压执行元件是用来执行将液压泵提供的液压能转变成机械能的装置，液压控制元件用来控制液体流动的方向、压力的高低以及对流量的大小进行预期的控制，以满足特定的工作要求。

2设计思想
目前国内研制的液压支架主要用在下端头，主要功能是维护好巷道和回采工作面交叉口处的顶板，协调该处排头支架，工作面运输机，顺槽转载机等设备之间的位置和配套关系；支撑掩护式端头液压支架特点是体积庞大，部件相对较多，材料要求相对较高，控制系统相对复杂，材料消耗多，增加了制造的成本，性价比相对低。

在研制新型简易端头支架时应满足以下要求：
简易端头支架具有较高的支护强度，能有效地控制端头巷道的安全支护。

3 研究的目的和意义
针对具体赋存条件，在深入研究端头顶板运动规律的基础上，提出一种结构简单、机械化程度高、移架速度快、易拆除易安装的端头简易机械化支架。

使其工作阻力接近，但却有更大的灵活性和对各类端头巷道更强的适应能力，其结构紧凑，系统简单，不仅对端头支护工作有极大方便，而且也大大的改善了端头作业环境和便于布置端头设备。

在综放工作面，
可以随长度变化，方便地增减工作面支架。

发展适应我国综放面以及其它类工作面的简易端头支架，必将使我国众多的各类工作面端头支护的机械化水平有长足的提高，改善目前端头支护的落后状态，为工业高产、高效、高安全做出贡献。

二 支架的强度计算
在液压支架的研制、实验过程中，各构件的强度计算是极为必要的但是由于液压支架的
结构特点、外载荷特点以及使用条件的特殊性，在强度计算中的强度条件也有其特殊性。

1、强度校核均以材料的屈服极限σs 计算安全系数； 2、结构件、销轴、活塞杆的屈服极限及强度条件：
(1)各结构件常采用15MnVN 等普通低合金结构钢，并由具有标准厚度的钢板焊接而成，取σs =459MPa 。

(2)主要销轴均采用20CrMo 等合金结构钢，取屈服极限σs =561MPa 。

(3)活塞杆采用45号钢，取屈服极限σs =367.2MPa 。

(4)结构件、销轴和活塞杆的强度条件为：
n=
[]n s
≥max
σσ (3.1) 式中： σmax —危险断面的最大应力， MPa ； [n]—许用安全系数。

3、缸体材采用27SiMn 无缝钢管，取抗拉强度σb =1020MPa ,强度条件为：
n=σb /[σ]][n ≥ (3.2)
式中： [σ]—缸体许用应力，MPa ； [n]—许用安全系数，取3.5~4。

4、焊条抗拉强度取σb =561MPa ，其强度条件为： n=
σ
σb
][n ≥ 式中： σ—计算出的焊缝许用应力； σb —按焊条类型来定。

1顶梁强度校核
1 按弯曲应力进行强度校核
液压支架设计
端头架由主架和副架组成，主副顶梁的断面积尺寸相同，假定顶梁支撑顶板时为均布载
荷，如下图所示。

图3.1 顶梁受力图 Fig3.1 the load of top beam
由于立柱的的工作阻力为F=1030.6kN ，柱间距按l=3800梁总长L=5000mm 计算时，均
布载荷的计算公式为：
q=L F 2 以距左端X 断面计算弯矩时：
M （X ）=0.5qx 2-F （x-m ） (3.3)
求导得：M /（x ）=qx-F=0 则：x=
q F =L
F F 2=2
L 即最大弯矩处在顶梁中间，最大弯矩为：
Mmax=
2L q(2L )2-F(2L -m) =8q L 2-F(2L
-m)
=Fm FL
L F +-2
4
=Fm-4
FL
将F=1030.6kN ，m=0.6mm ，L=5m 代入上式，得： Mmax=1030.6⨯0.6-4
5
6.1030⨯ =-669.89kN .m
2 托臂强度的校核
顶梁及其附件（立柱，托臂，调架缸，导向杆等）的估重：
顶梁：()8.7105006.1325004.286.12246.15003⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯+⨯⨯=-d W
=（19200+45440+25600）3
10
8.7-
⨯
⨯
=703.872kg
立柱：W
L =2250
⨯=500kg
总重：W
z = W
d
+W
L
=703.872+500=1203.872kg 计算时考虑系数K=3，
则顶梁估计重量为：
W
z =3872
.
1203
⨯8.9
⨯=35.39kN
当主架支撑，副架降架提腿时，W作为一个负载作用在主架托臂上，其作用方式如下图所示：
显然，W
z
的作用点在移架过程中时刻在变，当静止于托臂位置A时，托臂所受的最大
载荷可近似的看作W
z
，单个托臂随Wz的方式可看作悬臂支撑方式，受力方式如下图所示，危险断面在A处。

图3.3托臂受力图
Fig3.3 the load of tuobi
液压支架设计
图3.4 单托臂受力图 Fig3.4 the load of single arm
其最大弯矩为：
Mmax= W z l ⨯
=35.3978.0⨯ =27.6kN
3 导向杆强度的校核
根据前述：调架缸的最大拉力为F=158kN ，因此在力F 作用下，长度L=1400mm ，径为d=60mm 的导向杆弯曲时的受力情况如下图所示： 最大弯矩为：
Mmax=
8
L
F ⨯ =8
4
.1101583⨯⨯=27.65kN .m
导向杆所选用的材料为60CrMnA ，其中屈服极限MPa s 1400=σ
32
max
3
d M ⨯=
πσ =3
306
.014.31065.2732⨯⨯⨯ =1304MPa
则安全系数为：
n=
1304
1400
=1.2 达到设计要求。

图3.6 导向杆受力图 Fig3.6 the load of bar
4 立柱强度的校核
液压支架立柱的强度验算，包括油缸的稳定性验算、活塞杆和缸体的强度验算等内容。

立柱的设计参数：
(1)立柱工作阻力 kN P 58.8010= (2)立柱初撑力 kN P 6.10301= (3)油缸外径 0219D mm = (4)油缸内经 180D mm = (5)活塞杆直径 1110D mm = (6)行程 1200mm 1 活塞杆的稳定性校核
在活塞杆的强度计算时，通常以液压缸的活塞杆端部和缸筒后端盖均为耳环铰接式
安装方式作为基本情况考虑。

2 缸体壁厚的设计验算 当
3.008.0-=D
δ
时，[]max
33.2max P D
P -⨯≥
σδ
液压支架设计
式中：D — 缸筒内径
Pmax —最高允许压力
[]σ—缸筒材料的许用应力，[]n
s σσ=
s σ—缸筒材料的屈服强度，缸筒为27SiMn 时为980MPa ； n —安全系数，通常取n=3.5-5
求得：[]σ=980/4=245MPa
[]max
33.2max P D
P -⨯≥
σδ=16.5mm
计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，取δ=19.5mm
3缸口螺纹处强度计算
缸筒与前端盖螺纹连接时，缸筒螺纹处的强度计算如下： 螺纹处的拉应力：
()
2
21
4
D d KF
-=
π
σ (3.9)
螺纹处的剪应力：
(
)
3
31012.0D
d KFd K -=
ι (3.10)
=
223ισσ+=合
5销轴和耳座的强度校核
销轴和耳座的强度校核主要分为： 1) 立柱与顶梁之间销轴校核
A 、耳座的校核：支架所有连接处的耳座，要受到拉伸和挤压的作用，所以要进行拉伸或挤压的强度校核。

B 、销轴的强度校核：为了简化校核的步骤，把销轴与耳座的支反力按集中力进行计算，而且，这样校核比用均布力模型进行计算更加安全。

2) 立柱与顶梁之间销轴校核
由于用集中力设计该销轴连接时，会使销轴太大，所以本销轴使用均布力模
型来设计校核。

3)推拉千斤顶销轴和耳座的校核 4) 调架千斤顶销轴和耳座的校核
6 底板比压
顶板对支架的巨大载荷经由整台支架传到底板，在支架柱鞋与底板接触处将有一定的比
压。

由于底板岩层不同，含水量不同等因素，使底板具有不同的抗压强度。

由于底板凹凸不平或柱鞋下有碎矸，柱鞋对底板的比压很不均匀。

为简化计算而又不失
其有效性，假设柱鞋对底板均匀接触且载荷为线性分布。

由前面得我们设计的柱鞋的底面直径为300mm 。

所以四个柱鞋与底面的接触面积A d 为：
A d =4⨯⨯π (0.3)2/4=0.2826m 2
底板比压=
2826
.04
.4122=14.58MPa <15MPa
所以柱鞋的设计达到要求。

液压支架设计
参考文献
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[13]刘鸿文主编.《材料力学》.第四版.高等教育出版社，2004
[14] 哈尔滨工业大学理论力学教研组编.《理论力学》.第五版.高等教育出版社，2002
附录
喷雾泵系统说明
过滤器
RMI 的水量控制阀是一种精密的液体控制阀，用于恶劣环境下的作业。

但如果系统受到污染，仍然会对水阀的性能有不良影响。

所以建议定期对系统的过滤器进行清洗，以保证系统的最佳作业性能。

如对系统压力和过滤器进行细心维护，则同样会延长水阀的寿命
过滤器参数：
进水过滤器 25 micron
供水过滤器 25 micron
水箱通气帽 40 micron
零备件和易损件
在常规的设备安装调试中所必需的足够数量的零备件、易损件、专用工具、测试仪器、润滑油、黄油等都将随设备一起发货。

卖方将免费提供保质期内所有并非由于用户操作原因导致设备修理维护而更换的零备件和易损件。

除了以上提到的零备件及易损件外, 卖方还应提供足够数量的零备件及易损件的清单，以满足设备在保质期过后的两年内的正常使用。

如卖方要求, 损坏的部件应返还给卖方去做有关的检测，费用由卖方自负。

检测结果应提提交给买方。

卖方应提供完整的零备件清单以及在操作维护手册中包含对重要备件的操作指导。

卖方应在将来提供关于零备件、易损件及设备标准部件的存货情况及供货来源的消息。

零备件及易损件清单 (见供货范围)
如果设备停止生产，根据用户要求，卖方应免费提供设备图纸。

保修期两年内的推荐备件
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