液压支架选型设计.docx

辽宁工程技术大学采掘机械综合训练题目：液压支架选型设计班级：姓名:矿电11-指导教师：师建国完成日期：2014/12/29综合训练任务书一、设计任务及要求(1)根据所给原始数据进行液压支架选型的详细计算；(2).编写综采工作面液压支架选型设计说明书：(3)采煤设备与工作面综采设备配套关系图设计原始数据及条件：煤层产度截割阻抗A煤层顶乌条件工作面长设计产量e(N/mm)倾角*币度5)(万T/a)HmaxHmin老顶直接顶生产安排3.11.635011川级3类125801.一年工作日按300天计算2.实行三班工作制，两班采煤,一班准备，每天生产16小时。二、上交材料(1)设计图纸(综采工作面设备配套关系图)(2)设计说明书三、进度安排(参考)(1)熟悉设计任务，收集相关资料(2)拟定设计方案(3)绘制图纸(4)编写说明书(5)整理及答辩四、成绩评定成绩：教师日期目录1液压支架选型的基本原则42确定液压支架架型42.i顶板分类（级）42.2架型与支护强度初选53主要参数计算和支架型号的确定53.1支架高度53.2支架主要结构确定33.2.1顶梁长度33.2.2底座的宽度73.2.3支架中心距确定73.2.4支架移驾步距确定73.3支护强度和工作阻力73.4初撑力73.5移架阻力及推溜力73.6确定支架类型74性能验算94.1顶板支护形式84.2底板比压84.3工作阻力（支护强度）和初撑力的验算94.4顶板覆盖率94.5通风断面计算104.5.1按工作面温度计算风量124.5.2经验供凤134.5.3风速计算155支架布置台数116乳化液泵站的选型136.1乳化液泵156.1.1泵站压力的确定176.1.2泵站流量确定156.1.3选择乳化液泵116.2乳化液泵的电机功率136.3乳化液箱容积的验算156.4乳化液167设备的空间尺寸配套关系13参考文献151.液压支架选型的基本原则要顶得住，它的初撑力和工作阻力要适应直接顶和老顶岩层移动所产生的压力（包括二次来压），使控顶区的顶板下沉量限制到最小程度。要移得走，它的结构形式和支护特性，要适应直接顶下部岩层的冒落特点，尤其要注意顶板在暴露后尚未支护情况下的破碎状态，要尽量保持该处顶板的完整性。支架底座要适应底板岩石的抗压强度，以防底软而使支架陷入底板。要适应采高变化和按煤层倾角考虑的对支架稳定性的要求。要满足通风（尤其是高瓦斯工作面）和行人的需要，以及要和采煤机、运输机配套。要考虑投资，力求以较低的投资获得所需的技术经济效果。支架复用次数高，损坏情况少,即能降低吨煤成本。按开采技术特点，可将煤层厚度分三类：薄煤层一-从最小可采厚度到L3m；中厚煤层1.33.5m；厚煤层-大于3.5m。按开采技术特点,将煤层倾角分为三类:缓倾斜煤层-一0。25°倾斜煤层一-25。45。；急倾斜煤层一-45°、90。倾角小于12°的煤层对于综采机械化来说，最为有利，一般可以不考虑设备自重分力的膨响。煤层倾角加大，会使采煤机上行采煤时的牵引阻力加大，并造成机器下滑的危险；使支架的横向稳定性变坏，甚至下滑、倾倒:输送机也会下滑，给采煤工作造成困难。2.确定液压支架架型按顶板分类方案对液压支架的架型进行初选。根据煤炭部（81）煤科字第429号文件关于缓倾斜煤层工作面顶板分类方案，按稳定性不同直接顶分为四类，按来压强度不同将老顶分为四级，并分别提出相应的架型、支护强度和顶板管理方法。2.1顶板分类（级）直接顶分为四类，见表27。老顶分为四级，见表2-1。表2T缰修斜焦IK回果工作IiSl板分类方*老Jff分级别指株IIIN周期来压星现不明显明显3烈极蛋烈日落常充费采空区再度NkH和初次来压步近0，mN>350.3<NQ51.1=25-600.3<NS-5。>50N0,31.g255QNQ.31.,>SU直接项分炎类别指标、1S34不W定顶板中等目定顶板0定京板垦硬3（板主要指标，强度指数D<3031-7071120>1N无直接加.厚度在25m以上,岩石的单向抗压%度l>>60*80MPal节理裂隙间更和分J5*度大于1m的整体岩层3考指标，直接Jl初次瞥落步距1.fmB9*1819*25>252.2架型与支护强度初选正确选择支架的架型，对于提高综采工作面的产量和效率，充分发挥综采设计的效能，实现高产高效，是一个很重要的因素.本矿煤层赋存条件较好，煤层倾角11°,为缓倾斜煤层，煤层截割阻A=350N/mm,煤层厚度适中为3.1m,井型为中型矿井，工作面设计长度为125m,设计能力为80万t/a,直接顶为3类中等稳定顶板，老顶为山类顶板，周期来压明显，要求工作面支护强度较大（见表2-1）。综上所述，选用抗水平推力强且带护帮装置的掩护式支架。由于煤层倾角小于15°,不设防滑和调架装置。3.主要参数计算和支架型号的确定3.1支架高度支架高度一般系指支架的最大和最小结构高度，它必须适应煤层采厚变化所要求的最大和最小支撑高度。最小高度过大，可能会出现压架现象；最大支撑高度过小，可能会造成丢煤浪费资源，或支架顶空现象。支架的最大和最小支撑高度，应根据煤层厚度的变化合理选择，片面地认为调高范围越大越好，过大地加大调高范围将增加设备重量及制造成本。支架高度可由下式计算：Hmh±s-2hnh,i-S2-ac式中："max支架最大结构高度，（m）;"mm支架最小结构高度，（m）;大煤层最大采高,（3.Ira）:儿煤层最小采高，（1.6m）：Sl支架前柱上方顶板下沉量，一般取0.1m；S2支架后柱上方顶板下沉量，一般取0.2m；"支架前移时可缩余量，一般取不小于0.05m；C支架与顶底板间的浮煤，破肝厚度一般取Ojnu即：HmaX=3.2m,"mi=.25m<,根据一些生产的实际经验，为防止伪顶冒落而引起支架顶空现象和一些难于预见的因素，最大结构高度"max,要在计算的基础上，再考虑增加0.10.3m的富裕量。取"max=3.3m,Hnl话=1.25m。确定支架的最低高度时还应考虑到井下的允许运输高度。支架的伸缩比K=三=2.64S小瓜K"值的大小反映了支架对煤层厚度变化的适应能力，其值越大，说明支架适应煤层厚度变化的能力超强.3.2支架主要结构确定3.2.1顶梁长度顶梁长度取决于必要的作业空间和通风断面要求，还与支架方式有关。支护方式有超前支护和滞后支护两种方式。根据选定的掩护式架型和超前支护方式，估算支架的顶梁长度，如图4-2所示。=+y+d+a-HtgaC=200+1350+900+4-3100×tg20-3=1421.69mm式中：铲煤板铲尖到煤臂的距离，取10020OmnI（具体大小也可计算）:y=F+G+J+V=2（X）+35O+4OO+4OO=1350mm式中：F铲煤板宽度，一般取150240mm；G中部槽宽，350mm；J导向槽宽度，无链牵引时尚有齿轨部分宽度;图1-2立柱倾角:C梁端距，取250350mu"由结构而定，考虑支架稳定性和减少底座前端的比压。">300mm;%通常=0.91.2m,在中厚煤层中可设置为人行道；4由结构而定，一般情况为300500m*顶梁全长：l=hl+b?+A=1421+lOOO+4OO=2821mm=2.8m注：顶梁的长度和宽度取决于支架的类型，它影响支架与顶板的接触性能、控顶距、移架速度和稳定性，一般在保证一定的工作空间和合理布置设备的前提下，应尽量减小顶梁长度，以缩小控顶距和支架的重量。对于支撑式和支撑掩护式支架，由于立柱为双排布置，支撑力较大，故这类支架的顶梁较长，当采用滞后支护时，顶梁全长为2.5m左右：当采用及时支护时，顶梁全长为3.（4.011k对于掩护式支架，由于一般用于破碎顶板，应尽量减小支架对顶板的重复支撑次数，加之立柱多为单排布置，故顶梁长度较小，通常1.5、2.5m,最大达3m左右。顶梁的宽度应根据支架间距和架型来定。我国规定支架标准中心距为L5m。掩护式和支撑掩护式支架包括侧护板在内的顶梁宽度为1.4、1.6m（下限为侧护板收缩时的运输宽度，L5m为支架的正常宽度，1.6m为调架时侧护板伸出后的最大宽度）.垛式支架的架间距一般为0.2m。3.2.2底座的宽度支架底座宽度一般为1.11.2m。为提高横向稳定性和减小对底板比压，厚煤层支架，可加大到1.3m左右，放顶煤支架为1.3、L4m。底座中间安装推移装置的槽子宽度，与推移装置的结构和千斤顶缸径有关，一般为300、38OnIn1。3.2.3支架中心距确定支架中心距有L25m,1.5m,1.75m,2.05m,与刮板输送机溜槽长度相适应。取1.5m<,3.2.4支架移驾步距确定与配套采煤机截深相对应，推移装置的行程要大于采煤机的截深（06）。3.3支护强度和工作阻力支架的结构尺寸确定之后，与支架重量和成本关系最大的参数是支架的支护强度。从理论上分析，合理的支护强度应正好与顶板压力相平衡。支护强度过大，不仅增加支架重量和设备投资,而且给搬运、安装带来困难；过小则会造成顶板过早下沉、离层、冒落，使顶板破碎，造成顶板维护困难。因此支护强度的大小应取决于工作面采场矿压的大小。但由于目前对采场矿压的大小还不能进行准确的定量计算，这样Fl前主要以经验法或实测数据，来确定支架的支护强度。下面介绍两个经验公式：心忆。式中：q-液压支架的支护强度，（t/"/）；"平均采高，取H=2.3m:/顶板岩石容量，一般取7=2.37/加K顶板岩石破碎膨胀系数，一般取1.21.5：工作面倾角，a="。；支架"取1.2(取尸=1.6)：0顶板周期来压动载系数(周期来压强烈顶板：/取L5L7。)。即：q50.97(T2)q=KHyX0T(MPa)式中：K一作用于支架上的顶板岩石系数，取k=8。H一平均采高，取H=2n；Y-顶板岩石密度，一般取2.3Xlbkg/ml即.9=XrW×105=8×2×2.3l05×105=0.37(Mp)取q=0.37(Mpa).支架工作阻力P应满足顶板支护强度要求，即支架工作阻力由支护强度和支护面积所决定。P=<7FxlkN式中F-支架的支护面积，m2.可按下式计算F=(L+C)(B+KJ=(L+C)A,m2式中：L-支架顶梁长度，3.5m：C-梁端距，取250350mm：B一支架顶梁宽度，tn；K一架间距，m：A一支架中心距，1.5m。F=(3.5+0.3)×.5-5.7(m2)P=0.37×5.7×IO3=2109(kN)对支撑式支架，支架立柱的总工作阻力等于支架工作阻力。对于掩护式和支撑掩护式支架，由于受到立柱倾角的影响，支架工作阻力小于支架立柱的总工作阻力。工作阻力与支架立柱的总工作阻力的比值，称为支架的支撑效率。所以支架立柱的总工作阻力p6为：P总=上用支撑式支架的h=100%,支掩护式和支撑掩护式支架取n=80%左右。即：总=2109/0.8=2636.25kN。3.4初撑力初撑力的大小是相对于支架的工作阻力而言，并与顶板的性质有关。液压支架的初撑力，对支架维护顶板的性能方面，要比工作阻力（支护强度）起着更加显著的作用。有足够初撑力的支架，一开始就能和顶板压力取得平衡，可最大限度地减小顶板下沉；初撑力偏低，要等顶板下沉时才能增阻，会增大顶板的下沉量；初撑力过大，会使顶板反复受拉导致直接顶蠕动，造成直接顶早剥离，使顶板管理困难。所以支架初撑力选择的合理与否，时非常重要的。目前在坚硬、中硬和破碎的顶板条件下，多趋向于采用较高的初撑力。现在支架的设计中初撑力，已高达工作阻力（支护强度）的90%以上。根据有关资料介绍，初撑力与支护强度的比例关系，即=初撑力强度/支护强度，以顶板的的稳定性不同，一般在6085%区内选取为宜。在确定出撑力时，可按以下原则考虑：对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作作阻力的80%:对于稳定顶板，初撑力不易过大，一般不低于工作阻力的60%；对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力，约为工作阻力的75%。综合考虑，取初撑力约为工作阻力的75%,为1977.19kN.3.5移架阻力及推溜力移架阻力与支架结构、吨位、支撑高度、顶板状况是否带压移架等因素有关，通常根据煤层的厚度来考虑，即采高愈大，移架阻力愈大。一般薄煤层支架的移架力为100'150kNi中厚煤层支架为150300kX厚煤层支架为300400kN°综合考虑，取推溜力为300kN。3.6确定支架型号综合以上所确定的架型和计算的参数,根据支架技术特征表选择ZZ4000/12/35型支撑掩护式支架。其技术特征参数如表3T。注：采高达到2.5、2.8m以上时，需要选择带有护帮装置的液压支架。要考虑是否需设防倒防滑装置。我国缓倾斜煤层工作面顶板分类方案中规定：煤层倾角大于15°,支撑式支架应带有防滑装置；煤层倾角大于18。,掩护式和支撑掩式支架应带有防滑，防倒和调架的装置；考虑到支架对底板的最大比压，防止支架底座会被压如底板。表3TZZ4000/12/35型支撑掩护式支架特征参数支撑高度中心距5）工作阻力初撑力支护强度地板比压质量（t）适应角度(m)(kN)(kN)(Mpa)(Mpa)1.23.5L5400024000.670.99.2583554.性能验算4.1顶板支护形式工作面顶板支护采用所选液压支架。上下端头和两巷超前支护可采用液压单体支柱配合型梁架棚支护，超前支护距离不得小于20m。上下端头也可采用端头支架，过渡支架支护，液压支架还要考虑机头，机尾架各需要3架。4.2底板比压顶板压力是通过顶梁、支柱传到底板的，如底板的抗压如强度小于支架所要求的抗压强度，则支架底座会被压入底板。因此，合理的选择支架对底板的最大比压（支架技术特征表中可直）,是支架选型中一个很重要的指标，特别对于底板松软的工作面更为重要，必要时应进行测定和计算。计算公式如下：q>%k&式中：4实测底板的最小抗压入强度，（"g/c*/）;k1底板载荷集中系数，一般取3；k2洒水影响系数，一般取L21.6；4"支架对底板的最大比压，（350kg/s2）。q>q.KK2=350×3×1.2=1260（kgcm2）表4T我国煤田一般顶底板单轴抗压强度试验数据岩石类别抗压强度（kglcm'）细砂岩10601460砂岩类中粒砂岩8751360粗砂岩5801260粉砂岩370560砾岩类沙砾岩7101240砾岩820960页岩类砂质页岩400920砾岩190-400灰岩石灰岩540-16104.3工作阻力（支护强度）和初撑力的验算对于掩护式和支撑掩护式支架、立柱，多为倾斜布置。因此，工作阻力和初撑力随支架的工作高度的不同而不同。高度大，支撑力大，支架的技术特征大多给出的是最大值（在最大高度下）。为此，对于立柱倾角比较大时，需验算该支架用于这个采高下的工作阻力和初撑力，即：所选定的支架在3.1采高时的支撑力（0.67Mpa）/计算值（0.37MPa）,满足要求。4.4顶板覆盖率支架顶梁对支护面积的覆盖率为6=×100%（L+C）（+l）式中：6覆盖率；B顶梁宽度，（1.6m）：1支架间距，91m）；1.顶梁长度，（3.0m）：C梁端距，（03m）;K：有侧护板的支架取0.1m,无侧护板的支架取0.10.2m。6：覆盖率应符合顶板性质的要求，一般不稳定顶板不小于85%、95%；中等稳定顶板不小于75%85机稳定顶板不小于60%、70由于本煤层属于稳定顶板，即覆盖率满足要求。4.5通风断面计算通风的目的是为了冲淡有害气体，达到安全生产以及保证工作面适宜的气象条件。综采面的风量计算较为复杂，牵扯因素也比较多，常用的简化算法有：按沼气涌出量计算；按工作面温度计算。而在实际中，一些矿井的综采面采用经验供风。4.5.1按工作面温度计算风量回采工作面应有良好的劳动气象条件，其温度和风速应符合表4-2的要求（煤矿安全规程1986年版）。长壁工作面实际需要风量，按下式计算：Qf.=60XV才XS采w'/min式中：J采回采工作面的平均断面积。可按最大和最小控顶断面积的平均值计算，S采="采"采式中：采平均采高，2.3m。"采有效通风断面系数，取0.80。S2采=2.3X0.80=1.84（机）表4-2回采工作面空气温度与风速对应表空气温度C风速V采<15151818-20202323260.30.50.5-0.80.8L01.OT5L5L8回5W工作面允许极限风速最低风速m/s最高风速m/s0.254.04.5.2经验供风工作面的风量：对采高为22.5m时，其风量为400500:/min。其他采高下的风量可按比例选取。则采高为L63.Im时，所需风量约为Q救，则有：1.6-3.1_22-2.5400-500则：Q必=510590/nin。4.5.3风速的验算n/ 5=3.35ms满足煤矿安全规程的规定。5支架布置台数W=-A式中吝支架布置台数；1.工作面长度，125m；A台支架支护宽度，通常为1.5m。即：n=125l.5=83.36乳化液泵站的选型6.1乳化液泵乳化液泵站是采煤工作面液压支架的动力源，一般由两台乳化液泵、一个或两个乳化液箱，以及相应的电机、电控、保护原件所组成。在选择泵站时主要的指标是满足液压支架所要求的泵站工作任力，以保证支架有足够的初撑力。另外，为保证液压支架的升降和工作面的支护速度，乳化液流量也是一个重要的因素。目前泵站的乳化液流量有逐渐向大流量发展的趋势，以获得较高的支护速度。6.1.1泵站压力的确定根据初撑力的要求七MPa4式中：巴确定的支架初撑力，1977k*D支架立柱缸径，0.30m:"支架立柱个数4；K'考虑到立柱倾斜布置等因素的修正系数，K'a一,为立柱倾斜CoST角度75：笈由初撑力确定的泵站压力。则：'=27.O2MPa根据拉架力和推溜力的要求拉架力和推溜力的计算应根据支架所采用的推拉方式具体考虑。例如：框架式推拉方式，则有：P：=MPa式中：/确定的拉架力，200kN;Dl-推拉油缸缸径，0.20m；P：-一由拉架力确定的泵站压力，（N）。则:&"=11.OMPaQJ=三MPa-（D-d-）式中：P确定的推溜力，300kN;d推拉油缸活塞杆直径，0.1m；P:-由推拉力确定的泵站压力。则：£=26.79MPa即："ma=MAX（27.02,11.0,26.79=27.02MPa°再考虑压力损失，得所需的泵站压力2：82majK|=29.72MPa（压力损失系数KI=I.1I.2）6.1.2泵站流量确定确定的原则是：液压支架的移架速度2采煤机的工作牵引速度（这样才能保证连续、安全地进行生产），即:V移N%式中：9采煤机工作牵引速度，（6.Im/min）；Vfl支架的移架速度，（9.87m/min）。即：单位时间内移动支架的数目，它反映了沿采煤机牵引方向的距离。式中：A一台支架支护宽度，-般为1.5m；，一一移架时间，Z=L+弓。人为降架、移架、升降的动作时间（供液时间）；g为操作调整时间，一般约为0.30.5分/架。A与移架千斤顶、立柱、调架千斤顶的缸径和行程以及乳化液泵站的流量有关。d/'.明工分,架）式中：Q1_一所需乳化液泵的额定输出流量，（/min）；d、/移架千斤顶缸径和行程。d0.14m,/0.6m:A、L1.一一前探梁短柱缸径和移架时升降行程。4约为0.050.1m；D2、L2-立柱缸径和移架时升降行程。降架移架时L2为0.050.1m；带压移架时心=0:n-一升降的立柱个数。即有：-2>V,从此式中可求出Q:=120/min。6.1.3选择乳化液泵根据右和Q；选TrimaxS250高压大流量乳化液泵。注：说明一点，若现有的泵站流量满足不了。；的要求，则适当选一型号，并可采取-些措施提高移架速度。减少操作调整时间G,提高工人的操作水平和适当增加操作人员。采用不同的移步方式，以保证V移二%的要求。常用的移步方式有顺序和交错移步。前者移架速度小于后者，故在条件允许下可采用交错移步，以提高V移。顺序移步：支架沿采煤机牵引方向依次迁移，移动步距等于截深，对顶板的支护较好，操作较简单。如图6Ta所示，移架速度为：交错移步：支架呈交错布置，隔架前移，移动步距为两个采煤机截深，减少了对顶板岩层的多次作用。这种移步方式的缺点是增加了工作面空间没支护的面积，支架立柱排间的行人通道易堵塞。此方式多用于顶板比较稳定的煤层，由于只移一半支架，移架速度比较快。如图6-lb所示。移架速度为：2AN二图5Ta图5Tb6.2乳化液泵的电机功率式中：ph一一一选用乳化液泵的工作压力，(31.5MPa)；Qb选用乳化液泵的流量，(145"min);-"一乳化液泵的总效率，0.70.8。即;N=185(KW)6.3乳化液箱容积的验算乳化液箱应能容纳以下三部分流量，即：f+匕+匕式中：Vl=3Qb+Qo=981L,(/)：3Qh一一三分钟泵的流量，(/)：00-箱底存液量，计算时取(V。V2一一停泵时管路回流液量，3)：匕=工d2./2xl()3=3154(/)；式中：4、-一-分别为主供液和主回液管的内径和长度;d查 I p219 表 10-3, (Cm)：4取工作面长度，(cm)。匕-一-煤层厚度变化造成的液量差：V. = -D2 Hn2xl 3=350(/)；j4式中，O立柱缸径，cm)fV工作面煤层厚度变化量，Cem)；"梅架支架的立柱数:2同时动作的支架数。6.4乳化液液压支架一般用乳化液作工作介质，它是由水和乳化油按不同比例配制而成乳白色液体，按其比例的不同，乳化液分两类：水包油型乳化液(o/w)：乳化油含量为35%：油包水型乳化液(w/o)：乳化油含量为1540%。国内外的液压支架多用水包油型乳化液7.设备的空间尺寸配套关系采煤机、刮板输送机、液压支架之间的配套尺寸关系如附图所示。参考文献口李晓豁，沙永东.采掘机械M.北京：冶金工业出版社，2011.9.2王运敏.中国采矿设备手册国.北京：科学出版社，2007.3李峰,刘志毅.现代采掘机械国.北京:煤炭工业出版社,2007.4陶驰东.放顶煤综采设备选型J.煤矿机电，2007,(5).5谢锡纯,李晓豁.矿山机械与设备M.徐州：中国矿业大学出版社,2000.6李贵轩,李晓豁.采煤机械设计M.沈阳:辽宁大学出版社，1994.7王启广，李炳文，黄嘉兴.采掘机械与支护设备M.徐州：中国矿业大出版社，2008.