摘 要
随着煤炭资源的日益减少，如何更好的实现对薄煤层的开采成为了一个重要话题。在我国西南部的很多矿区，薄煤层已经成为主采煤层。液压支架作为煤矿开采的重要支护设备，在保证工人的人身安全的同时，还要提高煤矿的生产效率。因此，研制高质高效的薄煤层液压支架具有重要的意义。
传统的液压支架使用两柱或四柱支撑，工作阻力小，而且四连杆机构设计起来十分困难，最终只能用近似的双纽线实现顶梁端部的运动，顶梁仍然有倾向煤壁的趋势。本文设计的液压支架采用八根立柱支撑，支护阻力大，取消了四连杆机构，用立柱的液压力抵抗水平力，是液压支架设计方法的巨大进步。
本文设计的内容主要包括：顶梁、底座、前梁、立柱等关键部件的结构设计，建立液压支架的三维模型，实现运动仿真，最后进行有限元分析校核关键部件的强度。设计的过程中参考了现有液压支架结构设计的优点，如顶梁的箱形结构、底座的底分式结构等。
本设计的主要创新点在于：八根立柱对顶板实现密集支护，不仅提高了支护阻力，而且可以通过更换不同缸径的悬浮式立柱，实现支架的模块化设计、 集成化装配和规模化生产，大大缩短了生产和检测周期，加快了我国综采机械化生产进程。薄煤层液压支架一般采用邻架控制，为了减少管路上的压力损失，方便人员的操作，设计了一种先导控制的液压系统，对液压支架液压系统的设计具有一定的参考价值。
关键词：液压支架； 超静定结构； 运动仿真； 有限元分析
目 录
1 绪论 1
1.1薄煤层开采技术 1
1.2液压支架的用途及分类 1
1.2.1 液压支架的作用 1
1.2.2 液压支架的工作过程 1
1.2.3 液压支架的现场布置 3
1.2.4 液压支架的分类 4
1.2.5 液压支架的支护方式 5
1.2.6对液压支架的基本要求 5
1.3薄煤层液压支架的结构特点 5
1.4液压支架的国内外现状及发展趋势 6
1.5超静定结构的创新和优点 9
2 液压支架整体结构设计 10
2.1液压支架的设计参数 10
2.2支架的高度和支架的伸缩比 10
2.2.1支架高度 10
2.2.2支架的伸缩比 10
2.3支架间距 11
2.4底座长度的确定 11
2.5顶梁尺寸 11
2.5.1支架工作方式对顶梁长度的影响 11
2.5.2顶梁长度 11
2.5.3顶梁宽度 12
2.5.4顶板覆盖率 13
2.6立柱布置 13
2.6.1立柱数 13
2.6.2支撑方式 13
3 液压支架部件设计 14
3.1顶梁 14
3.1.1主要作用 14
3.1.2结构型式 14
3.1.3 顶梁结构和断面形状 15
3.2侧护板的设计 17
3.2.1 侧护板的作用 17
3.2.2 侧护板的结构型式 17
3.2.3 侧护板尺寸的确定 18
3.3 底座的设计 19
3.3.1 底座的作用 19
3.3.2底座的结构形式 19
3.4推移装置的设计 20
3.4.1 推移装置的用途 20
3.4.2 推移装置的要求 20
3.4.3 推移装置的结构 21
3.5 立柱的设计 24
3.5.1 立柱的类型 24
3.5.2 悬浮式液压支柱的优点 24
3.6 辅助装置的设计 25
3.6.1 护帮装置的设计 25
3.6.2 防倒装置的设计 26
3.7 液压支架的主要技术参数 27
3.7.1 支护面积 27
3.7.2 支护强度 27
3.7.3 支护效率 27
3.8千斤顶参数的设计 28
3.8.1推移千斤顶 28
3.8.2侧推千斤顶 28
4 立柱结构设计和强度校核 29
4.1单伸缩立柱缸径和工作阻力的确定 29
4.1.1 单伸缩立柱缸径的确定 29
4.1.2 泵站压力的确定 29
4.1.3 立柱初撑力的计算 29
4.1.4立柱工作阻力的计算 30
4.1.5 立柱缸体壁厚的计算 30
4.2 油缸稳定性验算和立柱强度校核 31
4.2.1 油缸稳定性验算 31
4.2.2 活柱强度验算 31
4.2.3 缸体与缸底焊缝强度验算 33
5 液压支架受力分析 34
5.1概述 34
5.1.1 支架工作状态 34
5.1.2计算载荷的确定 34
5.2液压支架的受力分析与计算 35
5.2.1 前梁的受力分析与计算 35
5.2.2 主顶梁的受力分析与计算 36
5.2.3 底座的受力分析与计算 37
5.3顶梁的载荷分布 37
5.4 底座接触比压 38
6 液压支架强度计算 40
6.1 强度条件 40
6.2 前梁强度校核 41
6.3 顶梁强度校核 44
6.4 底座强度校核 48
6.5销轴及耳板的强度校核 51
6.5.1前梁与顶梁联结处销轴的强度校核 52
6.5.2前梁与顶梁联结处耳板的强度校核 53
6.5.3立柱与底座处销轴的强度校核 53
6.5.4立柱销轴支座的强度校核 54
6.5.5其他地方销轴和耳板的强度校核 55
7 液压支架的液压系统设计 56
7.1液压支架的液压系统简介 56
7.1.1液压支架传动系统的基本要求 56
7.1.2液压支架的液压传动特点 56
7.1.3液压支架的控制方式 56
7.2液压支架的液压系统拟定 57
8 液压支架的运动仿真和有限元分析 59
8.1基于Pro/E的三维实体建模 59
8.1.1建模的目的与意义 59
8.1.2 Pro/E中建模方法 60
8.1.3 Pro/E中虚拟装配 62
8.1.4 Pro/E中运动仿真 63
8.1.5 Pro/E仿真结果分析 66
8.2基于ANSYS Workbench 12的有限元分析 68
8.2.1虚拟压架实验 69
8.2.2 ANSYS Workbench 12有限元分析 69
9 结论 78
10 参考文献 79
11 翻译 80
外文原文 80
中文译文 84
12 致谢 91
1 绪论
煤炭工业是国民经济重要的基础产业。我国的薄煤层资源丰富，全国薄煤层的储量占全部可采储量的17.5％，分布面广，煤质好。但由于薄煤层采煤生产效率低，经济效益差，部分煤矿不重视薄煤层的开采，造成许多薄煤层煤炭资源严重浪费。随着厚煤层及中厚煤层煤炭资源的逐渐减少，许多煤矿开始重视对薄煤层的开采工作。
液压支架是现代化煤矿进行高效综采和安全生产最为关键的设备之一。无论是采用刮板输送机、滚筒采煤机和液压支架的综采技术，还是运行轨道、强力刨煤机和液压支架的综采技术，液压支架都是作为煤矿井下支护关键设备，因此，研究高质高效的薄煤层液压支架有着重要的意义。
1.1薄煤层开采技术
五十年代以前，我国在薄煤层中主要使用炮采工艺，以后使用了截煤机掏槽爆破落煤，并发展了薄煤层采煤机，六十年代开始采用刨煤机，并在技术上逐步得到完善。薄煤层开采应有合适的配套设备，目前，从国内外发展来看，比较理想的是刨煤机或爬底板式采煤机采煤，用液压支架进行支护，实现采煤机械化。
在现有技术条件下，1.0m左右煤厚的煤层可用的采煤方法有：
1传统的长壁炮采采煤法；
2单体液压支柱高档普采采煤法；
3薄煤层螺旋钻采煤法；
4综合机械化采煤法。
以上四种可行的薄煤层采煤方法中，第一、二种采煤方法由于工人劳动强度大，作业条件恶劣，生产效率低，同时不符合现代技术的发展方向，除个别开采条件过于复杂，难以使用综采机组开采的区域以外，不应推荐其作为主要的采煤方法。第三种采煤方法具有劳动强度较小，作业环境良好的优点，但由于其生产效率太低，难以使作为保护层开采的薄煤层开采和主采煤层的开采速度相配套，也难以作为薄煤层开采的主要采煤方法。只有薄煤层综采开采既具有工人劳动强度小、作业环境较好的优点，也具有安全高效的优势，满足了主采煤层高强度开采的需要，更代表了薄煤层采煤方法的技术发展方向,因此，对于薄煤层的高产高效提出了更高的要求。
1.2液压支架的用途及分类
1.2.1 液压支架的作用
液压支架是综采工作面的主要设备之一，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。实践表明，液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲刮板输送机和采煤机组成综采机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。
1.2.2 液压支架的工作过程
1支架的升降和推移
