南京理工大学
毕业设计说明书(论文)
作者: 王翔宇学号：541194100307
教学点:
专业: 机械电子
题目: 新型履带行走液压支架的设计
指导者：
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评阅者：
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南京理工大学
毕业设计（论文）评语
学生姓名：王翔宇班级、学号：541194100307题目：新型履带行走液压支架的设计
综合成绩：
毕业设计（论文）评语
目次
1 引言 (1)
2 本论文主要内容 (1)
2.1 我国履带行走式液压支架的发展 (2)
2.2 履带行走液压支架的发展方向 (2)
2.3履带行走液压支架的组成 (2)
2.4履带行走液压支架的用途 (2)
2.5履带行走液压支架的工作原理 (2)
2.6履带行走液压支架分类 (3)
3 履带行走液压支架的设计目的、要求和基本参数 (3)
3.1 履带行走液压支架的设计目的 (3)
3.2 履带行走液压支架的要求 (3)
3.3履带行走液压支架的基本参数 (3)
4 履带行走液压支架的性能参数要求的确定 (4)
4.1 原始条件 (4)
4.2 性能参数 (4)
5履带行走液压支架的支护系统设计 (6)
5.1支护系统介绍 (6)
5.2四连杆作用 (6)
5.3四连杆与附加力的影响 (6)
5.4顶梁 (7)
5.5侧护板 (7)
5.6立柱 (7)
5.7掩护梁 (7)
5.8底座 (7)
6 履带行走系统 (7)
6.1介绍 (7)
6.2组成 (7)
6.3履带行走系统的功率计算 (7)
7液压系统 (9)
8 电控系统 (9)
9 消防系统 (11)
10救援千斤顶 (11)
结论 (11)
致谢 (12)
参考文献 (13)
1 引言
20世纪80年代左右，由于世界能源的紧缺，人们迫切需要提高煤炭的采出速度和采出率。此时，美澳等国家发明了符合这一要求的房柱式采煤法，并迅速广泛使用。为了回收房柱式采煤法留下的煤柱，达到节约能源的目的，而此回收煤柱工艺中的重要设备之一就是履带行走液压支架。相比传统的锚杆支护和其他专用支护设备相比，履带行走液压支架具有更安全、更可靠、更高效的特点。由于采用大功效履带驱动，能够独立行走，因此它还具有高度机动灵活的特点，可以实现工作区随采随冒。1988年美国飞儿奇公司首先研制成功行走支架，2002年研制出适合中国神东矿区的新型履带行走液压支架，2009年研制出改进型履带行走式液压支架，具有功率大、动作灵敏、安全性高、故障率低等一系列特点。本论文介绍了履带行走式液压支架的结构，类型，工作原理，设计方法。
2 本论文主要内容。
2.1我国履带行走式液压支架的发展
我国从2000年左右各大煤机厂开始研究履带行走液压支架。2000年10月煤科总院唐山分院首先研制成功，并于神东公司哈拉沟煤矿进行井下工业性实验，取得成功。之后，于2008年，煤科总院太原分院研制成功改进型，并于神东公司上湾煤矿进行井下工业性实验，取得成功。
但是，由于种种原因，而且我国履带行走液压支架依据的是国外第一代行走支架的结构，使得性能、寿命等均远远落后于国外。这种机型，虽然具有控制系统简单，制造容易，造价较低的优点，但是存在很难克服的严重缺点：①故障率高，②工人劳动强度大，③结构上不够牢靠，④要求操作人员技能水平高。因此，2011年初，神东公司邀请国内几家煤机厂家，联合开发新型履带行走液压支架，要求结构性和性能等不低于美国飞儿奇公司的新型履带行走液压支架。江苏天明装备有限公司，以生产高性能、高档次煤机闻名于业内，此次，也是神东公司最
终确定的国内两家煤机厂家之一。而我作为天明公司的一名研发人员，也有幸参与了新型履带行走液压支架的全程开发。
2.2履带行走液压支架的发展方向
对比美国飞儿奇公司十几年来履带行走液压支架的发展，可以看出，履带行走液压支架正向高度自动控制化，大过载能力，高度可靠性，更灵活移动四个方向发展。
2.3履带行走液压支架的组成
履带行走液压支架由支护系统、履带行走系统、液压系统、电控系统、消防系统和救援千斤顶六大系统组成。
2.4履带行走液压支架的用途
履带行走液压支架主要用于短壁机械化采煤和煤柱回采上。在采煤生产的回采煤柱过程中，为了随采随冒时维持工作空间安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行移动式支护。而履带行走液压支架用液压马达为动力，驱动履带行驶；通过油缸驱动四连杆装置支护，能实现移动中支撑煤顶的功能。使用中证明履带行走液压支架具有支护方便、使用方便、调整方便等优点。它对增加回采率、减轻工人劳动强度和煤柱回采起到了重要的作用。
2.5履带行走液压支架的工作原理
履带行走液压支架用液压马达为动力，驱动履带行走；通过油缸驱动四连杆装置支护。同时有犁煤、卷缆、加油功能。
1) 行走电动机驱动液压马达，通过行星减速器传给链轮，链轮在履带板上滚动，使整机移动。
2) 升柱高压油进入油缸一侧，驱使活塞杆移动，活塞杆驱动顶板向上移动。
3) 降柱油进入油缸一侧，和自重一起驱使活塞杆移动，活塞杆驱动顶板向下移动。
2.6履带行走液压支架分类
从履带板型式可分高强履带型和普通履带型。从电气系统分有无线遥控操作和有线遥控操作。从支护系统分有负角铰接和正角铰接等等。
3履带行走液压支架的设计目的、要求和基本参数
3.1履带行走液压支架的设计目的
煤炭资源是有限的，不可回生的。我国在能源上的需求越来越大，而在开采中的浪费也是相当的大。为了达到节能，减少浪费的目的，实现短壁采煤，残采区煤柱回采，边角煤和“三下”压煤开采，必须持续不断的改进履带行走液压支架。
3.2履带行走液压支架的要求
1)要有足够的初撑力和工作阻力。
2) 液压支架要有足够的牵引力和逃逸能力。
3) 卷缆系统要工作可靠。
4) 铲煤性能要好。
5) 要有足够的防侧翻性能。
6) 强度上要有足够的安全余量。
7) 重量不能过重，要考虑井下运输方便。
8) 要便于现场修理，装拆易损件。
9)液压系统要稳定，可靠。
3.3履带行走液压支架的基本参数
1)顶板条件
因为设备用于坚硬直接顶和稳定顶板条件，所以以此确定整体强度。
2)采高高度
根据要求的采高高度，计算支架运动的最大和最小高度。
3)煤层倾角
根据煤层倾角，计算履带行走功率。
4 履带行走液压支架的性能参数要求的确定
4.1原始条件
神东矿区属浅埋层，为80~110m,煤柱为3米X3米。采区面积回采率为85.9%~90%。
4.2性能参数
1）计算支架升降高度
Hm≥hm+S1=1900+250=2150mm
Hn≤hn-S2-a-δa=1000-150-50-50=1250mm
H——最大高度；
式中m
H——最小高度；
n
h——煤层最大采高；
m
h——煤层最小采高；
n
S——考虑伪顶、煤皮冒顶落后仍有可靠初撑力所需要的支撑高度，
1
取250mm；
S——顶板最大下沉量，取150mm；
2
a——移架时支架的最小可靠量，一般取50mm；
——浮矸石、浮煤厚度，一般取50mm.
a
2）支架伸缩比
M=Hm/Hn=2150/1250=1.72
3）煤柱应力和强度
根据煤柱应力公式
p=Q/(1-R)
其中 p ——煤柱平均应力
Q ——采前煤层垂直应力（近似覆岩重力）
R ——采区面积回采率
根据煤柱强度公式
σ=σm(0.64+0.36w/h)
其中 σ——煤柱强度
σm ——现场试件单轴强度
w,h ——煤柱的宽和高
煤柱应力达到17.5~51Mpa,其强度为5.5~7.5Mpa,为屈服煤柱。
4）支架的工作阻力
因为房柱式采煤法的煤柱基本都是屈服煤柱，容易出现来压显示。由梁板理
论公式，预测老顶大面积冒落极限跨距Ld,Lr:
243(2)r
H R q H - Ld ——采空区短边的极限跨距
Lr ——采空区长边的极限跨距
q ——覆岩均布载荷，近似为覆岩自重
H ——覆岩厚度
Rd ——老顶岩体平均抗拉强度
Rr ——老顶岩体平均抗剪强度
极限垮落面积A= Ld Lr
此计算为不准确计算，用来验证支护系统安全系数。
支架工作阻力：
Pr=KSγh/N
Pr——支架工作阻力
K——冲击载荷系数 1.5~2.0此处取2.0
S——工作面需支护面积
γ——直接顶容重
h——直接顶厚度
N——支架台数一般为4台
5）底座（履带架）大小
底座是将顶板压力传递到履带的稳固支架的部件。一般与履带架焊成一体。所以计算时应以履带架来计算强度。一般要求：履带对地面的接触比压要小；保证稳定性；足够的防侧翻等。但受坑道限制，不能太大，会影响行走。
5履带行走液压支架的支护系统设计
5.1支护系统介绍
一般采用支撑掩护式支架结构。为保持稳定性，采用最科学的双纽线式运动轨迹。采用4根支撑立柱，顶部采用铰接球头连接。
5.2四连杆作用
四连杆机构是履带行走液压支架支护系统的关键部分。当支护系统上下运动时，顶梁运动轨迹呈近似双纽线，顶梁左右位置变化大大减小，减少了侧向分力。一般要求水平变化在50-100mm以内。
5.3四连杆与附加力的影响
四连杆机构带来附加力，附加力越大，对支架越不好。所以说，设计良好的四连杆机构就是尽可能地减少附加力。
5.4顶梁
顶梁是直接顶住煤顶的部件，受力极大。一半采用整体式框架结构。形状近似于拱形，减少阻力。
5.5侧护板
侧护板不同于普通液压支架。是采用粗链条串上橡胶套，成密布网状。既保证防护安全，又保证运动灵活。
5.6立柱
立柱是由四个油缸组成，靠高压油驱动。承受大的顶力和侧向力。
5.7掩护梁
从后方保护设备内部的部件。与顶梁一起组成可靠的承压防冲击机构。可以分担部分顶梁传来的载荷，并传递给底座。
5.8底座
底座是将载荷传递给履带和装载其余零件的部件。采用钢板焊接的箱体式结构。
6 履带行走系统
6.1介绍
采用了大节距、高强度履带板，并且左右履带板独立传动。履带板与支重板直接接触的大承重结构。
6.2组成
履带行走系统由液压马达、行星传动减速器、履带轮组件、架体、油缸张紧组件等组成。
6.3履带行走系统的功率计算
履带行走系统的功率不能小，小了设备会打滑；也不能大，大了，相对应的
底座等零件会随之增大，带来使用不便的后果。所以要合理地确定行走功率。
行走功率根据支架的行走阻力和转向阻力。
行走阻力R=G*f*cos α+Gsin α
G ——机器自重，G= 250000N
f ——滚动阻力系数 0.08~0.10 此处取0.10
α——工作面坡度， 此处取±4o
计算得： R=42378N
转向阻力F=cos 4GL B
μα L ——履带接地长度 L=2270mm
μ——转向阻力系数， 此处取0.6
B ——两条履带中心距 L=1750mm
计算得： F=48524N
当履带行走液压支架在坡道上转弯时，行走和转向的合成阻力
Fm=Gfcos α+2F
所需功率N 为： N=612000.98m F V 12
ηη=28.66Kw (1) V ——履带最大行走速度 V=11m/min
η1——行走减速器效率， 此处取0.85
η2——履带传动效率 此处取0.9
当机器在水平地面行走时，阻力与爬坡转弯基本相当。所需行走功
率也基本相当。
当机器在水平地面时，履带对地板打滑瞬时牵引力
F′=Gψ
ψ——履带对地面的附着系数此处取1
代入（1）式得 N′=58 Kw
设计选取履带行走功率为2X37 Kw，保证足够的安全裕度。7液压系统
由液压活塞泵、手压泵、文丘里填充泵、油箱、液压计等组成。
8电控系统
由电动马达、控制器、自动卷缆、报警器、信号灯和天线等组成。
控制系统功能
控制对象有电动马达、照明灯、蜂鸣器及电磁阀等，输人的信号有电机的电流、前后柱的压力、控制信号、瓦斯报警信号及各种保护信号。通过控制电磁阀可实现：
（1）控制油泵电动机的启动/停止，照明灯的启动/停止，及系统异常有故障时启动蜂鸣器报警，异常消失故障解除停止时蜂鸣器报警，需要灭火时，开启灭火电磁阀。
（2）控制行走液压马达对应的方向比例电磁阀开启、闭合、换向（前进或后退）；左右履带液压驱动马达独立控制。
（3）控制支护油缸对应的方向电磁阀开启、闭合、换向（升或降）；前后油缸独立控制。
（4）控制犁煤板油缸对应的方向电磁阀开启、闭合、换向（升或降）。
（5）控制电缆卷筒收缆液压马达对应的方向电磁阀开启、闭合，实现卷缆或停止卷缆。
（6）配有大型本安显示器，大型数码管显示液压立柱的压力及电控系统的状态，便于远距离观察。
（7）装有油温和油位传感器，当油温超限或油位过低时，发出操作警示。（8）备有本安型甲烷传感器，当工作面的瓦斯浓度超过安全规程要求范围时，传感器发出声光报警信号，断开设备的供电电源，保护设备与人员作业安全。（9）系统具有漏电实验及漏电检测功能，一旦漏电，系统能实现闭锁。油泵电机具有过载、过热、过流、断路、缺相保护功能，该功能由PLC完成。
行走支架前后柱压力值为本安信号，PLC输人信号为非本安信号，本安/非本安变换简单由准确的方法是将电压或电流信号变为频率信号送入PLC高速计数器。压力信号为缓变量信号，不需要实时监控，采用高速计数的方式可以满足监视的要求。采用高速计数器不仅不仅简化了压力值信号处理的环节，而且PLC 系统程序可以监视并显示高速计数值，给电压(电流)/频率的转换系统调试带来方便，使变换的频率值更准确。
控制流程是，信号有控制型号、保护信号、反馈信号三种，通过PLC处理，输出给电磁阀（油泵电机）、蜂鸣器、照明灯、漏闭检测等。
具体控制如下图：
9 消防系统
由20磅消防液罐，远程消防系统触动器和一定数量的消防喷嘴组成。
10救援千斤顶
救援千斤顶是履带行走液压支架的辅助设备。用来在煤矿突来冒顶将支架埋住，将支架移出的装备。主要由底座和油缸组成。
结论
新型履带行走液压支架的设计研究，关系着我国煤炭能源利用率的高低，是缓解我国能源紧缺的有效手段。本文着眼于国外最新技术，并结合我国比较成熟
的液压支架设计理念，推测了其设计方法和设计思路。但是，由于篇幅、资料收集以及个人能力有限，存在种种不足之处，希望在生产中加以完善。
致谢
我非常感谢我的导师徐以标老师。他为人宽和大方，治学认真严肃。但是，老师在教学中，并不死板，反而能够引导我们充分地发挥自己的想象力和创造力。在徐老师的鼓励下，我下定决心，要写一篇专业的论文，并在老师地不断鼓励支持下，坚持写完。谢谢徐老师。
参考文献
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