摘 要

　　液壓支架作為煤礦綜采工作面上重要的支護裝置,直接決定著(zhù)礦井的安全生產(chǎn),立柱作為液壓支架的重要組成部分,主要作用是調整支架高度并支撐綜采工作面上方的煤層,其質(zhì)量決定了液壓支架的可靠性.而綜采工作面工作環(huán)境十分惡劣,會(huì )嚴重損壞立柱,影響液壓支架的安全可靠性,縮短其使用壽命.為了保障安全生產(chǎn),在完成一個(gè)工作面的開(kāi)采后,需要對立柱進(jìn)行拆裝維護和保養.

　　立柱導向套拆卸是立柱拆卸中的一個(gè)難點(diǎn)問(wèn)題,且常規臥式拆裝立柱會(huì )產(chǎn)生導向套螺紋損壞、缸體損壞和密封件壓壞等問(wèn)題.因此 設計了一種立柱立式拆裝機,實(shí)現拆裝立柱方便,改善立柱的拆裝質(zhì)量和效率.完成了以下研究工作:

　　(1)針對立式拆裝機需要實(shí)現的功能,進(jìn)行了整體結構設計.根據立式拆裝機各個(gè)機構的實(shí)現作用,詳細介紹各個(gè)機構的組成、功能及關(guān)鍵部件結構設計.

　　(2)采用液壓系統為立式拆裝機的動(dòng)力系統,對液壓元件進(jìn)行設計選型.對執行元件液壓缸進(jìn)行了設計,對執行元件液壓馬達和動(dòng)力元件液壓泵進(jìn)行了計算選型,確定可靠的的液壓回路并優(yōu)選了相應的控制和輔助元件,最后確定液壓原理圖.

　　(3)運用有限元法對關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,以保證立式拆裝機關(guān)鍵零部件的剛度和強度.靜力分析結果表明,旋轉盤(pán)和升降架的剛度和強度滿(mǎn)足要求,棘輪盤(pán)在進(jìn)行結構改進(jìn)后滿(mǎn)足要求.

　　(4)在滿(mǎn)足剛度和強度的前提下,運用有限元法對旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設計.根據拓撲優(yōu)化的結果,對旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行輕量化設計,再對優(yōu)化完成后的旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行靜力學(xué)分析,分析結果表明,旋轉盤(pán)和升降架在輕量化后不僅減輕了質(zhì)量,節約了成本,同時(shí)還滿(mǎn)足剛度和強度的要求.

　　通過(guò)設計該立式拆裝機,能夠順利拆卸立柱導向套,即使遇到腐蝕銹死的導向套也能完美拆卸.立式拆裝機使拆裝立柱的效率和質(zhì)量有很大的提高,同時(shí)能夠降低勞動(dòng)強度.

　　圖[59] 表[8] 參[70]

　　關(guān)鍵詞:立式拆裝機;整體設計;液壓系統設計;有限元分析及優(yōu)化

　　Abstract

　　As an important supporting device on the coal mining face, the hydraulic supportdirectly determines the safe production of the mine. The column is an important part ofthe hydraulic support. The main function is to adjust the height of the support andsupport the coal seam above the fully mechanized mining face. The quality of columndeterminesthe reliability of the hydraulic support . The working environment of the fullymechanized mining face is very bad, which will seriously damage the column, affectthe safety and reliability of the hydraulic support and shorten its service life. In order toensure safe production, after the completion of mining of a working face, the columnneeds to be dismantled and maintained.

　　The column guide sleeve disassembly is a difficult problem in the columndisassembly, and the conventional horizontal disassembly column will cause problemssuch as guide sleeve thread damage, cylinder damage and seal crushing. A columnvertical disassembling and installing machine is designed to facilitate the disassemblyand assembly of the column and improve the disassembly and assembly quality andefficiency of the column. Completed the following research work:

　　(1) The overall structural design was carried out for the functions that the verticaldisassembling and installing machine needs to implement. According to the realizationof the various mechanisms of the vertical disassembling and installing machine, thecomposition, function and key component structure design of each mechanism areintroduced in detail.

　　(2) The hydraulic system is the power system of the vertical disassembling andinstalling machine, and the hydraulic components are designed and selected. Thehydraulic cylinder of the actuator is designed, the actuator hydraulic motor and thehydraulic pump of the power component are calculated and selected, the reliablehydraulic circuit is determined and the corresponding control and auxiliarycomponents are selected, and the hydraulic schematic is finally determined.

　　(3) Static analysis of key components by finite element method, in order to ensure the rigidity and strength of key components of vertical disassembling and installingmachine. The static analysis results show that the stiffness and strength of the rotatingdisc and the lifting frame meet the requirements, and the ratchet disc meets therequirements after structural improvement.

　　(4) Under the premise of satisfying the rigidity and strength, the finite elementmethod is used to optimize the design of the rotating disc and the lifting frame.According to the results of topology optimization, the rotating disc and the liftingframe are lightly designed, and then the static analysis of the rotating disc and thelifting frame after optimization is carried out. The analysis results show that therotating disc and the lifting frame not only reduce the quality after being lightweight. ,saving costs, while also meeting the requirements of stiffness and strength.

　　By designing the vertical disassembling and installing machine, the column guidesleeve can be successfully disassembled, and the guide sleeve can be perfectlydisassembled even if it encounters corrosion. The vertical disassembling and installingmachine greatly improves the efficiency and quality of the disassembly and assemblycolumn, and at the same time reduces the labor intensity.

　　Figure [59] table [8] reference [70]

　　Key words: vertical disassembling and installing machine; overall design; hydraulicsystem design; finite element analysis and optimization

　　目 錄

　　摘 要.......................................................................................................... I

　　Abstract....................................................................................................... III

　　1 緒論......................................................................................................... 1

　　1.1 課題來(lái)源................................................................................................... 1

　　1.2 課題研究背景............................................................................................... 1

　　1.3 液壓支架?chē)鴥韧庋芯楷F狀..................................................................................... 2

　　1.3.1 液壓支架?chē)�外研究現狀..................................................................................... 2

　　1.3.2 液壓支架?chē)鴥妊芯楷F狀..................................................................................... 3

　　1.4 課題研究的內容及意義....................................................................................... 4

　　1.4.1 課題研究的目的.......................................................................................... 4

　　1.4.2 課題研究的主要內容....................................................................................... 6

　　1.4.3 課題研究意義........................................................................................... 7

　　1.5 本章小結.................................................................................................. 7

　　2 立式拆裝機的整體設計........................................................................................ 9

　　2.1 立式拆裝機整體結構....................................................................................... 9

　　2.2 立式拆裝機各機構的設計................................................................................... 10

　　2.2.1 底座的設計............................................................................................. 10

　　2.2.2 擺動(dòng)架及大扭矩增力機構的設計............................................................................ 12

　　2.2.3 固定夾緊機構的設計................................................................................... 22

　　2.2.4 滑動(dòng)夾緊機構及翻轉機構的設計............................................................................ 24

　　2.2.5 升降托架機構的設計................................................................................... 29

　　2.3 立式拆裝機的工作原理及過(guò)程................................................................................. 31

　　2.3.1 立式拆裝機工作原理................................................................................... 31

　　2.3.2 立式拆裝機工作過(guò)程................................................................................... 31

　　2.4 本章小結................................................................................................. 32

　　3 立式拆裝機液壓系統的設計................................................................................... 33

　　3.1 液壓缸的設計計算......................................................................................... 34

　　3.1.1 工作壓力的選擇和缸內徑及桿直徑的計算...................................................................... 34

　　3.1.2 活塞桿輸出速度和供液流量的計算........................................................................... 38

　　3.1.3 總體結構設計............................................................................................ 39

　　3.2 液壓馬達及液壓泵的計算選型................................................................................. 46

　　3.2.1 液壓馬達的計算選型...................................................................................... 46

　　3.2.2 液壓泵的計算選型....................................................................................... 48

　　3.3 控制及輔助元件的選擇和液壓原理圖的繪制..................................................................... 49

　　3.4 本章小結................................................................................................... 52

　　4 關(guān)鍵零部件的有限元分析及優(yōu)化................................................................................. 54

　　4.1 有限元方法及 ANSYS Workbench 的概述....................................................................... 54

　　4.1.1 有限元方法的概述....................................................................................... 54

　　4.1.2 ANSYS Workbench 的概述.................................................................................. 55

　　4.2 立式拆裝機的三維模型建立................................................................................... 56

　　4.3 關(guān)鍵零部件的靜力學(xué)分析..................................................................................... 57

　　4.3.1 旋轉盤(pán)的靜力學(xué)分析...................................................................................... 57

　　4.3.2 棘輪盤(pán)的靜力學(xué)分析..................................................................................... 61

　　4.3.3 升降架的靜力學(xué)分析...................................................................................... 64

　　4.4 關(guān)鍵零部件的優(yōu)化設計....................................................................................... 66

　　4.4.1 旋轉盤(pán)的優(yōu)化設計....................................................................................... 66

　　4.4.2 升降架的優(yōu)化設計....................................................................................... 69

　　4.5 本章小結................................................................................................. 72

　　5 總結與展望................................................................................................. 74

　　5.1 總結...................................................................................................... 74

　　5.2 展望...................................................................................................... 75

　　參考文獻....................................................................................................... 76

　　致謝........................................................................................................... 83

　　作者簡(jiǎn)介及讀研期間主要科研成果................................................................................... 85

　　1 緒論

　　1.1 課題來(lái)源

　　本課題來(lái)源于企業(yè)項目:液壓支架立柱立式拆裝機的研發(fā).

　　1.2 課題研究背景

　　我國經(jīng)濟發(fā)展的主要能源為煤炭,其極大地促進(jìn)了我國的經(jīng)濟發(fā)展.煤炭占一次能源生產(chǎn)量的 65%和消費總量的 67%.因此,煤炭在未來(lái)一段時(shí)期內仍在我國能源結構中處主導地位[1-2].然而,我國煤炭總儲量的 53%埋藏在地表下.近來(lái)資源和能源的日益緊缺,國民經(jīng)濟和社會(huì )發(fā)展對礦物資源的需求不斷增加,開(kāi)采地表下的煤炭已成為我國發(fā)展的重要戰略選擇,煤礦綜合機械化采煤應運而生[3-5].目前我國大部分使用煤礦綜合機械化的方式進(jìn)行采煤,簡(jiǎn)稱(chēng)為煤礦綜采.煤礦綜采能夠減少采煤時(shí)的勞動(dòng)力,與此同時(shí)增加采煤時(shí)的安全性,從而提高采煤的效率、增加煤礦產(chǎn)量,降低能源的消耗.煤礦綜采由三個(gè)主要裝置組成,分別是采煤機、液壓支架及刮板輸送機[6].

　　采煤機作為煤礦綜采的主要裝置之一,如下圖 1-1 中(1)所示,分別為截割部分、裝載部分、行走部分、操控部分和輔助部分組成.采煤機要有高的生產(chǎn)能力,需要有充分的功率來(lái)產(chǎn)生充足的動(dòng)力用于切割堅硬的煤層,并且能夠適應地質(zhì)的變化切割不同硬度的煤層.刮板輸送機是煤礦綜采中重要的輸送裝備,由刮板鏈牽引的輸送機,主要用來(lái)輸送槽內的散料,圖 1-1 中(2)所示.刮板輸送機由機頭部分、中間部分和機尾部分構成.刮板輸送機在工作運行時(shí),要根據采煤機和液壓支架的要求選取其輸送工作面.為了滿(mǎn)足綜采工藝的需求,輸送機的工作面一定要沿水平或者垂直方向彎曲,工作面水平彎曲可以簡(jiǎn)化回采工藝,垂直彎曲可以提高底板不平時(shí)工作面的適應性.工作面及輸送機踩空區側要匹配于液壓支架.當液壓支架的中心距于輸送機中部槽的長(cháng)度不相等時(shí),要根其采煤機的要求選擇輸送機的相關(guān)結構尺寸.選擇輸送機時(shí)其長(cháng)度要多于綜采工作面所需的實(shí)際長(cháng)度.因為輸送機的工作環(huán)境相當惡劣,所以輸送機需要有充足的電機功率和較大的過(guò)載能力.液壓支架是煤礦綜采中重要的保護安全支護裝置,如圖 1-1中(3)所示,由護幫、頂梁、立柱、平衡缸、掩護梁、連桿、底座、推移和抬底等部件構成[7-8].液壓支架的功能主要是支撐并控制著(zhù)綜采工作面的頂板,安全可靠的隔離采空區,保證地下工作空間的安全,并且可以實(shí)現回采工作面和完成有關(guān)裝置的機械化移動(dòng).采煤機、刮板輸送機和液壓支架三個(gè)裝置協(xié)同工作實(shí)現機械化采煤,增強并改進(jìn)了采煤和運輸的效能,減緩礦工的工作強度并最大限度的保障了他們的生命安全.

　　1.3 液壓支架?chē)鴥韧庋芯楷F狀

　　1.3.1 液壓支架?chē)�外研究現狀

　　自從上世紀中后期開(kāi)始,全球范圍內以煤炭開(kāi)采為主的國家一直在減少礦井面積、削減煤礦工人數量和降低成本,努力達成礦井集中生產(chǎn)提高煤炭產(chǎn)量及效率的目的.他們致力于研發(fā)和運用新技術(shù),對新一代重型液壓支架的研制成功作出了重要的貢獻.新一代重型液壓支架相對于老式的液壓支架,安裝了電磁鐵驅動(dòng)的電液控制閥,推移千斤頂配備有位移傳感器,立柱的缸徑已經(jīng)超過(guò) 400mm,因此,具有更高的性能和可靠性.同時(shí),新型液壓支架的材料也更換為屈服強度800-1000MPa 的鋼板,這種鋼板具有較強的剛度和硬度,同時(shí)也擁有優(yōu)異的冷焊性能.伴隨著(zhù)綜采工作面長(cháng)度的遞增,為了能夠快速移架,普遍運用高壓大流量的液壓泵站.液壓泵站的額定工作壓力為40-50MPa,額定工作流量為400-500L/min,其可以滿(mǎn)足綜采工作面成組或成排快速移架的要求,達到 68s/架[9-14].

　　以煤炭開(kāi)采為主的國家中,美國的采煤技術(shù)最為先進(jìn).在 20 世紀末就已經(jīng)開(kāi)始應用額定工作壓力為 50MPa、額定工作流量為 478L/min 的液壓泵站,從而達成了液壓支架快速推移的目標,且移架速度達到 6-8s/架.美國的綜采工作面既高效又高產(chǎn),且使用了兩柱掩護式液壓支架.這種型式的液壓支架能夠長(cháng)時(shí)間使用,使用年限長(cháng)達十年.液壓支架的最大工作阻力為 9800kN,且支架的寬度不斷增大,中心距從 1.75m 逐漸增大到 2m.伴隨著(zhù)架寬的不斷增加,減少了工作面的支架數、縮短了移架的時(shí)間、提高了采煤的工作效率和單位面積的產(chǎn)量.例如洛斯公司將電液控制的兩柱掩護式液壓支架應用在煤礦綜采工作面上,其工作阻力達到8565kN.這個(gè)工作面一個(gè)月產(chǎn)煤 90.43 萬(wàn)噸,成為全球第一個(gè)月產(chǎn)煤達百萬(wàn)噸的工作面;此后還將電流控制的兩柱掩護式液壓支架應用在工作面上,其工作阻力達到 8900kN,工作面月產(chǎn)煤量為 60.11 萬(wàn)噸.伴隨著(zhù)兩柱掩護式液壓支架的廣泛應用,美國的綜采工作面日產(chǎn)量和工作效率得到很大的提升,日產(chǎn)量最高超過(guò) 7萬(wàn)噸,工作效率最高為 1336 噸/工[15].

　　澳大利亞同樣作為以煤炭開(kāi)采為主的國家之一,其采煤技術(shù)也相當先進(jìn).澳大利亞的煤炭開(kāi)采普遍采取一個(gè)礦井一個(gè)工作面的高度集中化方式進(jìn)行開(kāi)采,其綜采工作面同樣應用兩柱掩護式液壓支架,液壓支架的工作阻力達到 7640kN.例如尤蘭礦在其綜采工作面應用電流控制的兩柱掩護式液壓支架后,達到澳大利亞自古以來(lái)日均產(chǎn)量的最高值為 3.41 萬(wàn)噸,且班產(chǎn)量也維持在 5000-6000 噸[16].

　　1.3.2 液壓支架?chē)鴥妊芯楷F狀

　　煤炭是我國的基礎能源.20 世紀以來(lái),我國的煤炭工業(yè)處于快速發(fā)展的過(guò)程中,其間我國綜采工作面的生產(chǎn)力得到很大的提升.伴隨著(zhù)我國煤炭工業(yè)的高速發(fā)展,煤炭綜采工藝裝備的需求量越來(lái)越大,因此給我國綜采工藝裝備制造業(yè)帶來(lái)了可貴的機遇和廣闊的市場(chǎng)空間.我國煤炭綜采工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵方向一直是煤炭安全高效的開(kāi)采.液壓支架是關(guān)乎綜采工作面能否安全高效開(kāi)采的關(guān)鍵裝置,其技術(shù)標志著(zhù)煤炭綜采裝置的水平.為了提高我國煤炭綜采裝置的水平,太原分院和鄭州煤機廠(chǎng)于 1964 年自主研制設計了一種 70 型邁步式自移支架,從此我國開(kāi)始自主生產(chǎn)制造液壓支架.北京及沈陽(yáng)開(kāi)采所聯(lián)合鄭州煤機廠(chǎng)于 1984 年進(jìn)行了一項工業(yè)試驗,把我國研制的第一套放頂煤液壓支架應用在沈陽(yáng)蒲河礦的綜采工作面進(jìn)行試驗,從而研制出多種型號的放頂液壓支架,可以分別應用在緩傾或急傾斜厚煤層和水平分層的工作面中.自從 1990 年開(kāi)始,我國開(kāi)始全面生產(chǎn)液壓支架,國產(chǎn)液壓支架的數量越來(lái)越多.截止到 1998 年,隨著(zhù)國產(chǎn)液壓支架數量的增加,國內已經(jīng)建立 88 處高產(chǎn)量高效率的礦井,且在這些礦井中部分礦井的一個(gè)工作面的產(chǎn)煤量已經(jīng)達到 15.72 萬(wàn)噸/月,人工生產(chǎn)效率達到 9.16 噸/工.我國煤炭工業(yè)發(fā)展至今,煤礦綜采工作面的機械化水平已經(jīng)達到了世界一流水平,并且不再依賴(lài)進(jìn)口的機械裝置,開(kāi)始出口國產(chǎn)的綜采機械化裝置[17-25].

　　1.4 課題研究的內容及意義

　　1.4.1 課題研究的目的

　　液壓支架是煤礦綜采工作面中重要的保護安全支護裝置,其結構如下圖 1-2所示:液壓支架的工作原理:由頂梁、平衡缸和掩護梁三者構成三角形的結構.為了增強頂板支護的可靠性和液壓支架承受水平力的能力,需要減小液壓支架頂梁前端點(diǎn)和煤壁的距離,因此要利用連桿讓液壓支架頂梁前端點(diǎn)的運動(dòng)軌跡近似為雙扭線(xiàn).同時(shí)也可以使掩護梁徹底封閉采空區域,從而防止頂板巖石碎裂掉進(jìn)工作面.液壓支架在采煤過(guò)程中的主要動(dòng)作為:

　　(1)降柱、移架:當采煤機經(jīng)過(guò)后并暴露出頂板,就馬上降柱移架;

　　(2)升柱:液壓支架移動(dòng)到新的地點(diǎn)后,升柱支撐頂板;

　　(3)推溜:在液壓支架撐住后,推移千斤頂使液壓支架底座推溜.

　　在上述采煤過(guò)程中,立柱是液壓支架中支撐頂板的關(guān)鍵部件,其支撐在底座和頂梁或掩護梁之間,并能通過(guò)控制立柱活柱的伸縮來(lái)改變液壓支架的高度并承載,從而保證綜采工作面的安全.

　　立柱是液壓支架中改變支架高度并承受煤礦層重載的液壓缸,因此需要較強的抗壓和抗彎強度且對密封的要求很高,這樣才能夠保證綜采工作面的安全.立柱有多種形式,其中雙作用式的使用最為廣泛.雙作用式立柱具有兩種伸縮方式,分別為全液壓式和液壓加機械調整式,液壓加機械調整式的立柱伸縮量大且調整方便,但其結構較復雜.立柱的結構如圖 1-3 所示,其由缸體、活塞桿、活塞、導向套和密封件等組成,缸體由強度高且延伸性好的無(wú)縫鋼管加工而成.立柱是通過(guò)液壓傳動(dòng)調節液壓支架的高度,普遍采取結構簡(jiǎn)單的外進(jìn)液式,外進(jìn)液式的進(jìn)回液口都處在缸體上;少數情況下也會(huì )采取內進(jìn)液式,內進(jìn)液式的進(jìn)回液頭都處在活柱頭部.為了減少偏載并能夠方便轉動(dòng)和拆裝立柱,立柱的上下端面都采用球面連接.

　　隨著(zhù)煤礦綜采裝置的越來(lái)越廣泛,對采煤綜采工作面的安全性和工作效率的需求越來(lái)越高.但是通常情況下綜采工作面的環(huán)境十分惡劣,會(huì )嚴重影響綜采裝置的安全可靠性和縮短綜采裝置的使用年限.因此,在一個(gè)工作面的開(kāi)采后,整個(gè)煤礦綜采裝置需要大修.液壓支架作為綜采設備的重要部分,由于長(cháng)期在惡劣條件下作往返運動(dòng),且直接與井下潮濕空氣接觸,伸縮立柱受損明顯,導致液壓支架失效,嚴重地威脅了煤礦安全生產(chǎn).立柱在完成一個(gè)工作面的開(kāi)采后,會(huì )有以下的損壞形式:

　　(1)密封失效:密封失效會(huì )使立柱上下腔液壓油互相串液或者上腔液壓油漏液,致使立柱的支撐力減小.立柱缸體內壁磨損、外壁電鍍層損壞和密封件的破損是造成密封失效的主要原因.密封失效危害很?chē)乐?會(huì )導致立柱缸體內腔污染,從而減少其它液壓元件的使用壽命,甚至毀壞整個(gè)液壓系統.

　　(2)缸體內表面腐蝕:立柱在長(cháng)時(shí)間使用后,液壓油的品質(zhì)和濃度發(fā)生了變化甚至摻入了雜質(zhì),從而導致缸體內表面出現腐蝕現象,生成大大小小的腐蝕坑.立柱內表面的腐蝕坑嚴重影響密封效應且腐蝕坑邊緣也會(huì )劃傷密封件造成密封件的破壞.

　　(3)缸口腐蝕:立柱缸口通過(guò)螺紋連接著(zhù)導向套,為了保證立柱的密封效果,缸口和導向套件設有靜密封,缸口腐蝕就出現在靜密封與缸口接觸處.缸口腐蝕的原因較為復雜,任何問(wèn)題產(chǎn)生的腐蝕都會(huì )累積下來(lái),從而造成缸口的嚴重銹蝕.缸口作為裝配密封時(shí)的通道,一旦缸口腐蝕后,任何細小的腐蝕邊都會(huì )劃傷密封,使密封時(shí)出現微觀(guān)破口.初期使用時(shí)微觀(guān)破口的影響較小,但一段時(shí)間的使用過(guò)后,破口會(huì )逐漸變大從而引起泄露.因此影響立柱裝配質(zhì)量的重要因素為缸口腐蝕.

　　(4)缸口圓度超差:立柱在液壓支架內通常不是豎直放置的,放置時(shí)通常會(huì )傾斜放置.因此,立柱不僅會(huì )受到軸向力的作用還會(huì )受到彎矩的作用,從而造成缸口圓度超差的問(wèn)題.缸口圓度超差會(huì )增加導向套與缸口處螺紋的摩擦阻力,從而導致螺紋卡死,立柱不能夠輕松拆卸.

　　(5)電鍍層損壞:立柱缸體外表面電鍍層由多種原因導致其損壞,會(huì )造成立柱的密封損壞.

　　針對立柱的損壞[26-31],需要先將立柱從液壓支架上卸下來(lái),再對立柱進(jìn)行拆卸,對其損壞的部分進(jìn)行修復后再進(jìn)行安裝,從而增加液壓支架的使用壽命,減少煤礦綜采裝置的成本,提高綜采工藝的經(jīng)濟效益.

　　1.4.2 課題研究的主要內容

　　在拆裝立柱時(shí),拆裝的難點(diǎn)主要是立柱的導向套.立柱通常是通過(guò)臥式的方式進(jìn)行拆裝的.在臥式拆裝時(shí),因為立柱的自重,導致立柱的軸線(xiàn)不對中,從而造成導向套螺紋的破損、缸體的損壞和密封件的壓壞等問(wèn)題.在臥式拆裝時(shí),立柱導向套的拆卸多為人工拆卸.人工拆卸的勞動(dòng)強度大且工作效率低,一旦遇到立柱導向套螺紋銹蝕嚴重時(shí),人力是無(wú)法拆卸的.因此,臥式拆裝立柱容易進(jìn)一步造成立柱損壞,拆裝的過(guò)程繁瑣費力且不安全.針對立柱臥式拆裝時(shí)的缺陷,研究設計了一種液壓支架立柱立式拆裝機.通過(guò)理論結合實(shí)際設計和計算機仿真技術(shù)的方法,對立式拆裝機進(jìn)行設計,并對關(guān)鍵部件進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化.

　　(1)根據液壓支架立柱臥式拆裝的工作缺陷,設計新型立式拆裝機,擬解決臥式拆裝的缺陷,提高工作效率,滿(mǎn)足工作要求.

　　(2)運用理論結合實(shí)際的方法,構思液壓支架立柱立式拆裝機的整體結構,規劃和設計液壓支架立柱立式拆裝機的各個(gè)機構,用三維軟件構建出來(lái).

　　(3)根據拆裝立柱所需的動(dòng)力,選擇符合要求的液壓設備并合理計算立式拆裝機內各個(gè)液壓缸的尺寸.在選擇符合要求的液壓設備并計算完各液壓缸尺寸后,繪制出液壓原理圖,完成液壓系統的設計.

　　(4)對立式拆裝機的關(guān)鍵零部件進(jìn)行靜力學(xué)分析,將立式拆裝機關(guān)鍵零部件的模型導入 ANSYS Workbench 中,設置邊界條件和所受的載荷,分析關(guān)鍵零部件的強度及其剛度.在滿(mǎn)足剛度和強度的前提下,對關(guān)鍵零部件進(jìn)行優(yōu)化設計.

　　1.4.3 課題研究意義

　　液壓支架是煤礦綜采裝置的重要組成部分,是綜采工作面的主要安全保護裝置,其立柱作為主要的承載部件,因此在使用過(guò)程中對立柱的可靠性具有很高的要求.但是,在一個(gè)工作面的使用后,立柱會(huì )有不同程度的損壞,為了保證立柱的可靠性,維修立柱是有必要的.由于立柱通常是采用臥式拆裝的,拆裝的過(guò)程繁瑣費力且不安全,因此設計一種液壓支架立柱立式拆裝機.本文設計的液壓支架立柱立式拆裝機,能夠極大的改善立柱的裝配和拆卸質(zhì)量和效率,降低了維修拆裝立柱時(shí)的勞動(dòng)強度,從而增加液壓支架的使用壽命,減少煤礦綜采裝置的成本,提高綜采工藝的經(jīng)濟效益.

　　1.5 本章小結

　　本章首先介紹煤礦機械化采煤對我國煤礦開(kāi)采的重要性,分別介紹了煤礦綜采中三個(gè)主要裝置:采煤機、刮板輸送機和液壓支架.然后介紹了國內外液壓支架的研究現狀及發(fā)展趨勢,著(zhù)重介紹了液壓支架的工作原理,介紹了液壓支架中的主要承載部件立柱.針對液壓支架立柱的拆裝,介紹立柱的損壞形式及拆裝難點(diǎn).提出立柱臥式拆裝時(shí)缺陷,為了拆裝立柱方便,設計一種立式拆裝機,介紹了立式拆裝機的設計流程.

　　…………由于本文篇幅較長(cháng),部分內容省略,詳細全文見(jiàn)文末附件

　　5 總結與展望

　　5.1 總結

　　通過(guò)以拆裝液壓支架立柱為研究對象,研究設計出此立式拆裝機.針對立式拆裝機需要實(shí)現的功能,進(jìn)行了各個(gè)機構的設計.機構設計完后,根據液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),采用液壓系統作為立式拆裝機的動(dòng)力系統,對液壓系統內的液壓元件進(jìn)行設計選型.對各個(gè)機構中的液壓缸進(jìn)行了設計,對液壓馬達和液壓泵進(jìn)行了計算選型,確定了液壓系統的液壓原理.立式拆裝機整體結構設計和液壓系統設計完成后,運用有限元法對立式拆裝機內關(guān)鍵零部件進(jìn)行了分析及優(yōu)化.在研究設計的過(guò)程中主要完成了以下的工作:

　　(1)對液壓支架及其立柱進(jìn)行了簡(jiǎn)單的了解和說(shuō)明,并對立柱的損壞形式進(jìn)行了詳細的了解.立柱的拆卸主要是對其導向套進(jìn)行拆卸,常規臥式方式拆卸會(huì )損壞立柱,因此研究立式拆裝機,解決臥式拆裝時(shí)產(chǎn)生的問(wèn)題,實(shí)現拆裝立柱方便.

　　(2)針對立式拆裝機要實(shí)現的功能,進(jìn)行了整體的結構設計.依次設計立式拆裝機的各個(gè)機構,并展示各個(gè)機構的二維圖,介紹各個(gè)機構的組成、功能及其關(guān)鍵部件的設計.介紹立式拆裝機各個(gè)機構的工作原理及拆裝立柱的工作過(guò)程.

　　(3)立式拆裝機整體結構設計完成后,設計采用液壓系統作為立式拆裝機的動(dòng)力系統.介紹液壓傳動(dòng)的優(yōu)點(diǎn),并根據液壓系統中的組成部分:執行元件、動(dòng)力元件、控制元件和輔助元件,對液壓系統進(jìn)行設計.先設計液壓系統的執行元件液壓缸,立式拆裝機中有多種液壓缸,設計負載力最大的擺動(dòng)液壓缸,計算出其尺寸及所需流量,其余的液壓缸根據擺動(dòng)液壓缸尺寸的進(jìn)行設計.接著(zhù)對執行元件液壓馬達和動(dòng)力元件液壓泵進(jìn)行計算選型.在執行元件和動(dòng)力元件設計選型后,確定可靠的液壓回路并優(yōu)選相應的控制和輔助元件,最后確定液壓原理圖.

　　(4)確定完立式拆裝機的整體結構和液壓系統后,運用有限元法對立式拆裝機的關(guān)鍵零部件進(jìn)行剛度和強度的校核,以確保關(guān)鍵零部件滿(mǎn)足工作要求.介紹了有限元方法和有限元軟件 ANSYS Workbench 的歷史、基本原理和分析步驟.用三維軟件將立式拆裝機的三維模型構建出來(lái),再將其關(guān)鍵零部件的模型導入有限元分析軟件,進(jìn)行靜力學(xué)分析.分析結果表明,旋轉盤(pán)和升降架的剛度和強度滿(mǎn)足要求,棘輪盤(pán)在結構改進(jìn)后滿(mǎn)足要求.在滿(mǎn)足剛度和強度的要求后,對旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行輕量化優(yōu)化設計.根據拓撲優(yōu)化的結果,對旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行輕量化設計,再對優(yōu)化完成后的旋轉盤(pán)和升降架進(jìn)行靜力學(xué)分析,結果表明仍符合要求.最后將優(yōu)化完成后的旋轉盤(pán)和升降架裝配到立式拆裝機的三維圖中.

　　設計完成的立式拆裝機實(shí)物圖如下圖 5-1 所示.

　　5.2 展望

　　研究設計的立式拆裝機,雖然對其整體結構和液壓系統進(jìn)行了設計,但由于水平有限,設計的立式拆裝機還有多處不足之處,仍需要進(jìn)一步的探討和設計.

　　(1)對于該立式拆裝機,由于時(shí)間有限做整體設計時(shí)只對機架進(jìn)行了簡(jiǎn)單的設計;僅僅只表述了各個(gè)機構的結構、組成及其功能.因此可以對立式拆裝機進(jìn)行詳細的設計并對各個(gè)機構進(jìn)行改進(jìn).

　　(2)對于該立式拆裝機的液壓系統,其液壓元件的設計及選型較為簡(jiǎn)單,可以進(jìn)行更加詳盡的設計及選型.確定的液壓原理圖也較為簡(jiǎn)單,可以選用更加合適的液壓回路及控制輔助元件,使液壓系統更加合理,更具經(jīng)濟性.

　　(3)由于時(shí)間及能力的原因,未對立式拆裝機的整體進(jìn)行有限元分析及優(yōu)化.可以對立式拆裝機進(jìn)行整體分析,研究整體結構的強度和剛度并在滿(mǎn)足設計要求的前提下對整體結構進(jìn)行優(yōu)化設計,減少材料的使用率節約成本.

　　致謝

　　白駒過(guò)隙,時(shí)光荏苒,兩年的研究生學(xué)習生活慢慢步入尾聲.重溫研究生階段的兩年時(shí)光,一切仍歷歷在目.兩年來(lái),我獲益良多,這一階段的學(xué)習和工作是我人生寶貴的財富.在這兩年里,從學(xué)習理論知識開(kāi)始,到公司實(shí)習參與課題研究,最后按時(shí)完成論文,一路的學(xué)習和體驗都使我受益匪淺.我的專(zhuān)業(yè)知識、科研工作能力不斷提高,對客觀(guān)事物的認識進(jìn)一步加深,綜合素質(zhì)得到全面發(fā)展,這些改變都歸功于李毅華副教授帶領(lǐng)的科研團隊.在即將畢業(yè)之際,我要向他們表示衷心的感謝!

　　首先,我要向我的導師-李毅華副教授,致以真摯的感謝!李老師是一位嚴謹的人,她在學(xué)術(shù)中一絲不茍、實(shí)事求是;在工作中態(tài)度認真、治學(xué)嚴謹;在生活中和藹可親、平易近人,是真正的良師益友!從課題的選定到論文的撰寫(xiě),都是在李老師的悉心指導下完成的.在課題研究的過(guò)程中,李老師專(zhuān)心教導我研究方法和思路,和我探討撰寫(xiě)論文過(guò)程中所遇到的問(wèn)題,使我順利并圓滿(mǎn)完成論文!

　　同時(shí)我要感謝朱安行、范飛飛、梁誠、鄧家一、湯配、任歡等師兄弟在課題研究期間給我的幫助,為我答疑解惑,克服種種難題,勇往直前!感謝舍友張鵬對我生活和學(xué)習上的關(guān)懷和支持!

　　感謝我的父母、爺爺奶奶及家人多年來(lái)對我的支持和鼓勵!是他們的關(guān)心和愛(ài)護,鞭策我一直努力至今,是他們給與我精神上和物質(zhì)上的支持,鼓勵我進(jìn)步,關(guān)心我成長(cháng),我才能圓滿(mǎn)完成研究生學(xué)業(yè)!

　　最后,感謝各位專(zhuān)家評審老師和答辯委員會(huì )老師在百忙之中審閱我的論文,并提出寶貴的意見(jiàn)!

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