自移式液压支架结构设计

自移式液压支架结构设计
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。

液压系统自世纪问世以来发展很快，在工作中的广泛适应性，使其在国民经济各部门获得了广泛的应用。

由于液压缸在结构方面，功能方面，已经比较成熟，目前国内外液压缸的发展不仅体现在控制系统方面，也主要表现在高速化、高效化、低能耗；机电液一体化，以充分合理利用机械和电子的先进技术促进整个液压系统的完善；自动化、智能化，实现对系统的自动诊断和调整，具有故障预处理功能；液压元件集成化、标准化，以有效防止泄露和污染等四个方面。

作为液压缸两大组成部分的控制元件和执行元件，由于技术发展趋于成熟，国无较大差距，主要差别在于加工工艺和安装方面。

良好的工艺使液压缸在过滤、冷却及防止冲击和振动方面，有较明显改善。

在油路结构设计方面，国内外液压缸都趋向于集成化、封闭式设计，插装阀、叠加阀和复合化元件及其本身在液压系统中得到较广泛的应用作为现代机械设备实现传动与控制的重要技术手段，液压技术在国民经济各领域得到了广泛的应用。

与其他传动控制技术相比，液压技术具有能量密度高﹑配置灵活方便﹑调速范围大﹑工作平稳且快速性好﹑易于控制并过载保护﹑易于实现自动化和机电体化整合﹑系统设计制造和使用维护方便等多种显著的技术优势，因而使其成为现代机械工程的基本技术构成和现代控制工程的基本技术要素。

智能自移式液压支架是加工各种矿山开采的主要设备，适用于各类矿山开采厂的矿山开采的加工，如下料、开孔、开槽、拉伸等。

本文根据智能自移式液压支架的用途﹑特点和要求，利用液压传动的基本原理，拟定出合理的液压系统图，再经过必要的计算来确定液压系统的参数，然后按照这些参数来选用液压元件的规格和进行系统的结构设计。

智能自移式液压支架的液压系统呈长方形布置，外形新颖美观，动力系统采用液压系统，结构简单、紧凑、动作灵敏可靠。

该机并设有脚踏开关，可实现半自动工艺动作的循环。

液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。

本文运用大学所学的知识，提出了自移式液压支架的结构组成、工作原理以及主要零
部件的设计中所必须的理论计算和相关强度校验，构建了自移式液压支架结构总的指导思
想，从而得出了该自移式液压支架的优点是高效，经济，并且安全系数高，运行平稳的结
论。

关键词：液压支架采煤方法液压技术标志
absraote
With development of all kind of science technology and global economy, Pneumatic manipulator is a automated 16 devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety.
Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow atcompressedneceengththdirectionprocedurework.
The inverted pendulum is a typical high order system, with multi variable, non-linear, stro ng-coupling, fleet and absolutely instable. It is representative as an ideal model to prove new con trol theory and techniques. During the control process, pendulum can effectively reflect many ke y problems such as equanimity, robust, follow-up and track, therefore.This paper studies a contro l method of double inverted pendulum . First of all, the mathematical model of the double inverte d pendulum is established, then make a control design to double inverted pendulum on the mathe matical model, and determine the system performance index weightmatrix , by using genetic alg orithm in order to attain the system state feedback control matrix. Finally, the simulation of the s ystem is made by . Pneumatic manipulator is a automated devices that can mimic the human hand and arm movements to do something，aslo can according to a fixed procedure to moving objects or control tools. It can replace the heavy labor in order to achieve the production mechanization and automation, and can work in dangerous working environments to protect the personal safety, Therefore widely used in machine building, metallurgy, electronics, light industry and atomic energy sectors.
This article is mainly of the pneumatic manipulator the overall design, and pneumatic design. This mechanism of manipulator includes cylinders and claws and connectors parts, it can move according to the due track on the movement of grabbing, carrying and unloading. The pneumatic part of the design is primarily to choose the right valves and design a reasonable pneumatic control loop, by controlling and regulating pressure, flow and direction of the compressed air to make it get the necessary strength, speed and changed the direction of movement in the prescribed procedure work.
Key word:pneumatic manipulator cylinder pneumatic loop Four degrees of freedom
目录
1绪论 (5)
1.1课题的来源与研究的目的与意义 (7)
1.2自移式液压支架设计的主要关键技术 (8)
1.3自移式液压支架的组成 (9)
1.4 自移式液压支架的发展现状 (9)
2自移式液压支架的总体结构分析 (11)
2.1 自移式液压支架的基本结构 (11)
2.2 自移式液压支架的类型 (12)
2.3 自移式液压支架的工作原理 (12)
2.4 液压支架选型的基本参数 (12)
2.4.1 对液压支架的基本要求 (12)
2.4.2 设计液压支架必须的基本参数 (13)
2.5 液压支架的总体设计 (14)
2.5.1 确定支架参数的原则 (15)
2.5.2 确定支架结构参数的内容 (15)
2.5.3 支架主要参数的确定 (15)
2.5.4 支架间距 (16)
2.6 四连杆机构的设计 (16)
2.6.1 四连杆机构的作用 (16)
2.6.2 四连杆机构的几何作图法 (17)
2.6.3 四连杆机构优选方法 (17)
3 液压支架主要部分的强度校核 (18)
3.1顶梁的强度校核 (18)
结论 (19)
参考文献 (20)
致谢 (22)
1绪论
1.1课题的来源及研究的目的和意义
机械工业是国民的装备部，是为国民经济提供装备和为人民生活提供耐用消费品的产业。

不论是传统产业，还是新兴产业，都离不开各种各样的机械装备，机械工业所提供装备的性能、质量和成本，对国民经济各部门技术进步和经济效益有很大的和直接的影响。

机械工业的规模和技术水平是衡量国家经济实力和科学技术水平的重要标志。

因此，世界各国都把发展机械工业作为发展本国经济的战略重点之一。

机械工程的服务领域广阔而多面，凡是使用机械、工具，以至能源和材料生产的部门，都需要机械工程的服务。

概括说来，现代机械工程有五大服务领域：研制和提供能量转换机械、研制和提供用以生产各种产品的机械、研制和提供从事各种服务的机械、研制和提供家庭和个人生活中应用的机械、研制和提供各种机械武器。

不论服务于哪一领域，机械工程的工作内容基本相同，主要有：
建立和发展机械工程的工程理论基础。

例如，研究力和运动的工程力学和流体力学；研究金属和非金属材料的性能，及其应用的工程材料学；研究热能的产生、传导和转换的热力学；研究各类有独立功能的机械元件的工作原理、结构、设计和计算的机械原理和机械零件学；研究金属和非金属的成形和切削加工的金属工艺学和非金属工艺学等等。

研究、设计和发展新的机械产品，不断改进现有机械产品和生产新一代机械产品，以适应当前和将来的需要。

机械产品的生产，包括：生产设施的规划和实现；生产计划的制订和生产调度；编制和贯彻制造工艺；设计和制造工具、模具；确定劳动定额和材料定额；组织加工、装配、试车和包装发运；对产品质量进行有效的控制。

机械制造企业的经营和管理。

机械一般是由许多各有独特的成形、加工过程的精密零件组装而成的复杂的制品。

生产批量有单件和小批，也有中批、大批，直至大量生产。

销售对象遍及全部产业和个人、家庭。

而且销售量在社会经济状况的影响下，可能出现很大的波动。

因此，机械制造企业的管理和经营特别复杂，企业的生产管理、规划和经营等的研究也多是肇始于机械工业。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

机械产品的应用。

这方面包括选择、订购、验收、安装、调整、操作、维护、修理和改造各产业所使用的机
械和成套机械装备，以保证机械产品在长期使用中的可靠性和经济性。

研究机械产品在制造过程中，尤其是在使用中所产生的环境污染，和自然资源过度耗费方面的问题，及其处理措施。

这是现代机械工程的一项特别重要的任务，而且其重要性与日俱增。

机械的种类繁多，可以按几个不同方面分为各种类别，如：按功能可分为动力机械、物料搬运机械、粉碎机械等；按服务的产业可分为农业机械、矿山机械、纺织机械等；按工作原理可分为热力机械、流体机械、仿生机械等。

另外，机械在其研究、开发、设计、制造、运用等过程中都要经过几个工作性质不同的阶段。

按这些不同阶段，机械工程又可划分为互相衔接、互相配合的几个分支系统，如机械科研、机械设计、机械制造、机械运用和维修等。

这些按不同方面分成的多种分支学科系统互相交叉，互相重叠，从而使机械工程可能分化成上百个分支学科。

例如，按功能分的动力机械，它与按工作原理分的热力机械、流体机械、透平机械、往复机械、蒸汽动力机械、核动力装置、内燃机、燃气轮机，以及与按行业分的中心电站设备、工业动力装置、铁路机车、船舶轮机工程、汽车工程等都有复杂的交叉和重叠关系。

船用汽轮机是动力机械，也是热力机械、流体机械和透平机械，它属于船舶动力装置、蒸汽动力装置，可能也属于核动力装置等等。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。

因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。

人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

械工程以增加生产、提高劳动生产率、提高生产的经济性为目标来研制和发展新的机械产品。

在未来的时代，新产品的研制将以降低资源消耗，发展洁净的再生能源，治理、减轻以至消除环境污染作为超经济的目标任务。

机械可以完成人用双手和双目，以及双足、双耳直接完成和不能直接完成的工
作，而且完成得更快、更好。

现代机械工程创造出越来越精巧和越来越复杂的机械和机械装置，使过去的许多幻想成为现实。

人类现在已能上游天空和宇宙，下潜大洋深层，远窥百亿光年，近察细胞和分子。

新兴的电子计算机硬、软件科学使人类开始有了加强，并部分代替人脑的科技手段，这就是人工智能。

这一新的发展已经显示出巨大的影响，而在未来年代它还将不断地创造出人们无法想象的奇迹。

人类智慧的增长并不减少双手的作用，相反地却要求手作更多、更精巧、更复杂的工作，从而更促进手的功能。

手的实践反过来又促进人脑的智慧。

在人类的整个进化过程中，以及在每个人的成长过程中，脑与手是互相促进和平行进化的。

人工智能与机械工程之间的关系近似于脑与手之间的关系，其区别仅在于人工智能的硬件还需要利用机械制造出来。

过去，各种机械离不开人的操作和控制，其反应速度和操作精度受到进化很慢的人脑和神经系统的限制，人工智能将会消除了这个限制。

计算机科学与机械工程之间的互相促进，平行前进，将使机械工程在更高的层次上开始新的一轮大发展。

19世纪时，机械工程的知识总量还很有限，在欧洲的大学院校中它一般还与土木工程综合为一个学科，被称为民用工程，19世纪下半叶才逐渐成为一个独立学科。

进入20世纪，随着机械工程技术的发展和知识总量的增长，机械工程开始分解，陆续出现了专业化的分支学科。

这种分解的趋势在20世纪中期，即在第二次世界大战结束的前后期间达到了最高峰。

由于机械工程的知识总量已扩大到远非个人所能全部掌握，一定的专业化是必不可少的。

但是过度的专业化造成知识过分分割，视野狭窄，不能统观和统筹稍大规模的工程的全貌和全局，并且缩小技术交流的范围，阻碍新技术的出现和技术整体的进步，对外界条件变化的适应能力很差。

封闭性专业的专家们掌握的知识过狭，考虑问题过专，在协同工作时配合协调困难，也不利于继续自学提高。

因此自20世纪中、后期开始，又出现了综合的趋势。

人们更多地注意了基础理论，拓宽专业领域，合并分化过细的专业。

综合-专业分化-再综合的反复循环，是知识发展的合理的和必经的过程。

不同专业的专家们各具有精湛的专业知识，又具有足够的综合知识来认识、理解其他学科的问题和工程整体的面貌，才能形成互相协同工作的有力集体。

综合与专业是多层次的。

在机械工程内部有综合与专业的矛盾；在全面的工程技术中也同样有综合和专业问题。

在人类的全部知识中，包括社会科学、自然科学和工程技术，也有处于更高一层、更宏观的综合与专业问题。

1.2自移式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。

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自移式液压支架的组成
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乳化液
1.4自移式液压支架的发展现状
当今社会，随着机械工业的蓬勃发展，各行各业的机械设备也在不断地更新，不断地完善，自移式液压支架同样在发展着，传统的式液压支架是采用固定的方式，
这样劳动效率低，运煤效率同样低下，不适合大批量的煤炭生产的场合。

现代自移式液压支架是用来代替传统的运煤支架的一种新型的自移式液压支架。

随着机械行业的大发展，自移式液压支架的使用也越来越广泛。

如果使用传动的临时的运煤的固定式液压支架的的话，不但劳动强度大、效率低、定位精度低，而且满足不了大批量生产要求。

所以使用一个专用的自移式液压支架已成为发展趋势。

2自移式液压支架的总体结构分析
2.1自移式液压支架的基本结构
自移式液压支架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。

其中承载结构件分别为：顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。

、液压油缸、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、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以及工作液体 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乳化液。

其总体方案图结构图如下：
自移式液压支架总体方案结构图
2.2 自移式液压支架的类型
根据它对顶板的支护作用，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种类型。

1.掩护式：主要依靠掩护板把工作面与采空区隔离，防止垮落的矸石窜人工作面。

这种支架采用铰接托梁，以适应不平整的顶板条件，用来支护松散破碎的不稳定或中等稳定顶板，但不适用于直接顶坚硬、周期压力明显的工作面，以下为该类型液压支架图：
2.支撑掩护式：
2.是以支撑为主但又有掩护作用的支架。

它既能切断顶板，又能挡矸，兼有支撑式和掩护式支架的优点。

应于顶板中等稳定或稳定、周期压力较明显，底板中等稳定的工作面。

以下为该类型液压支架图：
3.支撑式：
支柱的数目有两柱、三柱、四柱、五柱、六柱等。

它依靠支柱较大的支撑能力，使采空区内的顶板岩石切断垮落，支护工作空间。

支撑式支架适用于顶板坚硬完整，周期压力明显或强烈，底板也较坚硬的采煤工作面。

（1）节式支架；在液压支柱下连接复位座体焊接在前底梁与后底座上，并装有底座千斤顶，可随前顶梁移架千斤顶一起组成同步带压移架。

（2）垛式支架：具有带立柱复位装置的箱式底座,作整体移动的支撑式支架。

以下为该
类型液压支架图：
2.3 自移式液压支架的工作原理
自移式液压支架的工作原理为：液压支架以高压液体为动力，通过各种动力油缸的伸缩，使支架完成升起、降落、行走和推移运输机等各种动作，以便支架工作面不断推进而反复支撑、前移和调整。

图是一个简单的液压支架的工作系统示意图，下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作过程分别加以叙述。

①降柱：当旋转式操纵阀转到降柱位置，打开供液阀时，
高压液体由主进液管经过操纵阀和油管，进入支柱活塞杆腔，同时也进入液控单向阀的控制管路打开液控单向阀，支柱活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀，流回主回液管，支柱卸载下降。

②移架：液压支架卸载后，操纵阀转到移架位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀和油管进入到推压千斤顶的活塞杆腔，同时也进入液控油路，打开液控单向阀，而活塞腔的油液经油管、液控单向阀和操纵阀流回主回液管，退役千斤顶收缩，以运输机位置点，拉架前移。

运输机靠相邻的推移千斤顶来固定，千斤顶由液控单向阀紧锁。

③升柱：液压支架移到星的位置后，应及时升柱，以支撑暴露的顶板。

操纵阀转到升柱位置，打开供液阀，高压液体由主进液管进入，经操纵阀到液控单向阀，进入到推移千斤顶的活塞杆腔，支柱活塞杆腔的油液，同时也进图液控油路，经由管和
操纵阀流回主回液管，活塞和顶梁升起，支撑顶板。

④推移运输机：当液压支架前移并重新支撑后，操纵阀转到推移位置，打开供液阀时，高压液体由主进液管经操纵阀、液控单向阀进入到推压千斤顶的活塞杆腔，活塞杆腔的油液经油管和操纵阀流回主回液管，推移千斤顶的活塞杆伸出，以液压支架为支点，把运输机推移到新的工作位置。

在实际工作中，对于具体支架的动作，根据该支架的结构和需要来确定。

（2）液压支架的支撑承载能力：
液压支架的支撑承载能力是指液压支架与顶板之间相互力学原理，它包括：初撑增阻、承载增阻和恒阻三个工作阶段。

初撑增阻阶段：
在升柱的过程中，从顶梁接触顶板起，至支柱活塞腔的油液压力达到泵站的工作压力时，松开手把，停止供液，液控单向阀立即关闭。

阀球封闭支柱活塞腔的油液，这就是支架初撑阶段。

此时支柱和支架对顶板产生的支撑力称为初撑力。

此时支架对顶板的支撑力为初撑力。

支撑式支架的初撑力为：KN PbnX D Pc 31024
∏=; 式中D-支架立柱的缸径m ；
Pb-泵站的工作压力，MPa ；
n-支架立柱的数量。

由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱缸径和立柱的数量。

合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。

一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过。

承载增阻阶段支架初撑后，随顶板下沉，立柱下腔压力增加，直到增加到支架的安全阀调整压力，立柱下腔压力达到工作阻力。

此阶段为增阻阶段t 。

恒阻阶段随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过支架的安全阀压力调整值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调整压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段2t 。

此时支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。

支撑式支架的工作阻力KN PaX D P 31024
∏=; 式中Pa-支架安全阀的调定压力MPa;。