开题报告：液压支架的开发
一、概述 1.1目的意义：
通过本次毕业设计，培养学生综合运用液压传动、机械设计、理论力学、材料力学等课程中所学理论知识的能力；强调设计的独创性和实用性，培养和提高设计者独立分析问题和解决实际问题的能力，为今后适应工作岗位和创造性地开展工作打下坚实基础。
由于不同采煤工作面的顶底板条件，煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同，为了有效的支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸的液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量是很大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。
在过去的半个多世纪中，煤矿井下开采支护设备的设计和使用发生了巨大变化。其中，最引人瞩目的是世界范围内广泛采用液压支架作为长臂开采支护工程的主要设备。从采煤设备的发展过程来看，采用液压支架管理顶板是当代采煤技术史上一次重要的变革，也是煤矿现代化的主要标志。液压支架作为综合机械化采煤的关键设备之一，其重量约占综合采煤设备总重量的80%~90%，其费用约占综合采煤设备总费用的60%~70%。因此，为了降低成本提高采煤的经济效益，世界各主要产煤大国都一直在积极地开展液压支架的研究。
1.2国内外基本研究概况：
1.2.1国内液压支架技术现状
我国在1964年由太原分院和郑州煤机厂设计70型迈步式自移支架，从此开始了液压支架的国产化道路。1984年，北京开采所、沈阳所、郑州煤机厂在沈阳蒲河矿进行我国第一套放顶煤液压支架的工业性试验，继而研制了多种低位、中位和高位放顶煤支架，成功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面使用。1990年后，国产液压支架得到了全面的发展，到1998年止，全国己建成88处高产高效矿井，其中14处矿单个工作面的单产达15.72万吨/月，原煤生产人员效率达9.16吨/工，综采机械化水平达49.32%，达到了世界先进水平。30多年来在液压支架技术不断发展中，形成了以煤科总院专业研究所和骨干支架制造厂设计所为主的支架研究设计队伍，采用计算机CAD进行各种类型支架的设计，用有限元计算软件等进行计算，并普及计算机绘图。我国制订的缓倾斜工作面顶板分类及其它研究成果为支架设计、选型和使用提供了有力的指导依据。制造方面形成以原部属专业制造厂为主、机械工业部及船舶制造总公司等专业厂为辅的制造体系，以及以国家煤矿支护设备质量检测中心为骨干的检测队伍。制定有关支架检测标准n项，建立了各项支架检测手段，造就了一支研究、制造和使用液压支架的庞大队伍;形成了研制液压支架的雄厚基础。不仅能满足国内的需要，还向美国、俄罗斯、土耳其和印度等国家出口液压支架或成套综采设备。
1.2.2国外液压支架研究现状
80年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降低成本、实现矿井集中生产做努力，人们积极开发和应用新技术，致力于高性能、高可靠性的新一代液压支架的研制。新型液压支架普遍具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶装有位移传感器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过400mm。为减少割煤时间，一般采用0.8~1m的截深。支架还采用屈服强度800~1000MPa的钢板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为40~50 M Pa，额定流量400~500L/min，并实现工作面支架的单架程控或分组程控操作，其移架速度可达到6~8s/架。澳大利亚也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支架，支架的平均工作阻力为7640kN。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在1995年8月8日创下澳大利亚有史以来日产3.41万吨的最高记录，班产一直保持在5000~6000吨。
1.2.3国产液压支架与国外差距
目前国产液压支架与世界上先进国家的差距主要表现在支架的整体可靠性、材料结构、控制系统和液压元件等几个方面。 (1) 可靠性的差距
我国目前的大部分支架的可靠性与国外差距比较大。例如神华进口的支架，工作面的开机率达到90%以上，年产达到10MT，支架大修周期为产煤15MT以上。而我国目前综采工作面开机率平均为50%左右。支架大修周期平均产煤量在4～5MT左右。但最近我国自主开发的ZFS6800/18/35放顶煤支架年产煤量已达到8MT。
(2) 控制系统方面
目前世界上一些发达国家支架的控制系统已广泛采用电液控制系统，例如美国、澳大利亚、德国已普遍采用。电液控制系统技术在这些国家中已经非常成熟，支架的移架速度非常快，可达8s/架，可以跟上采煤机13m/min的速度。我国目前液压支架采用电液控制系统的数量很少，绝大部分为手动。目前我国共有17套支架采用电液控制系统，绝大部分为进口设备，其中神华神东公司9套，晋城、铁法各2套全部为引进设备，开滦2套为国内天玛公司生产的。在控制系统方面我国与国外的差距较大。我国目前绝大部分液压支架仍采用手动控制，移架速度一般为15～20s/架，可以跟上采煤机6～7m/s的速度。手动控制与电液控制相比，工人劳动强度大，自动化程度低，速度慢、支护效果差。 (3) 液压元件方面
我国液压元件的研发速度远远滞后于液压支架发展的需要。液压支架的可靠性主要依赖于液压元件的可靠性，液压支架在煤矿生产中应用是否成功，关键在干液压元件的技术性能是否达到要求。国外目前多采用大流量安全阀、液控单向阀、截止阀、初撑力保持阀及立柱快速回液阀，对液压元件的结构形式、几何尺寸、材料选择、热处理方法和表面处理等各方面进行了深入的研究与开发，研制出一批密封性能好、灵敏度高、进排液能力大、抗冲击载荷强的各类液压元件，以适应液压支架工作性能的要求。而我国对此类液压元件研发较为滞后，目前仍沿用上个世纪80年代的产品，没有形成液压元件通用化、系列化、标准化。
国产与进口控制阀的差距也是很明显的，主要表现在操纵阀和安全阀。目前我国支架上用的操纵阀的流量为200～400L/min，与国外相差不大，但寿命和可靠性方面相差较大。德国的操纵阀寿命可达5万次，而我国的只有5000次。安全阀与国外无论是流量还是寿命差距都很大。国外安全阀流量可达1000L/min，寿命是我国的4～5倍。此外，目前我国支架上的立柱千斤顶的密封圈大部分仍为橡胶件，聚胺酯密封件使用量较少，而国外的密封圈已全部采用聚胺酯材料，橡胶件与聚胺酷相比寿命相差4～5倍。液压阀国外一直使用铜合金阀壳和高强度不锈钢阀芯，我国则是45钢加表面热处理。在加工工艺上：国外油缸内壁是复镀，国产则为不镀，导致立柱在使用过程中过早出现斑点，划伤等密封漏液现象，影响支护效果。
(4) 制造工艺方面 ① 深孔液压缸加工工艺
缸径国外已达到Φ400～Φ500mm，而国内刚完成最大为Φ400mm缸径的液压支架。国外对Φ200以下深孔实现10m长一次性加工，并根据需要切割，国内最长为3m。国外多采用热墩技术加工液压缸，即把金属加热至比流动状态低50～100℃时，用万吨水压机沿轴向反复墩冲加工，成型的缸筒即有完整的缸底(不需再焊)，同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗 ,珩磨或滚压加工缸筒后焊接缸底的工艺方法。在加工精度方面，国外一般比国内高一至二级。 ② 结构件加工工艺
国外液压支架的结构件选材已普遍使用优质板材，其屈服强度σs=700~1000Mpa。因此，采用预热后用高强度氩弧焊接施焊，焊后再进行回火工序。为了减少数控钢板的下料变形，多采用水下切割技术。同时，钢板本身的综合性能也高于国内。国内目前选用钢板的屈服强度最高为σs=800Mpa，而大部分仍采用σs=400~600MpaMPa级别板材。在焊接工艺中采用CO2气体保护焊接.。国外对大批量定型结构采用机器人焊接，提高效率，保证质量，减少人的体力劳动
二、设计过程 2.1预计达到的目标
本课题主要是液压支架的主要设计过程。其中包括：液压支架的总体设计、主要零部件的设计以及液压系统设计。
2.2液压支架原理
图2-1 液压支架工作原理
1—顶梁；2—立柱；3—推移千斤顶；4—安全阀；5—单向筏；
6、7—操纵阀；
（1）支架升降
当操作阀处于升柱位置时，从乳化液泵站来得高压液体通过操纵阀液控单向阀5进入立柱2的下腔，立柱上腔回液，支架升起，并撑紧顶板。当操纵阀处于降柱位置时，工作液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀，立柱下腔回液，支架下降。
（2）支架推移
支架的前移和推移输送机是通过操纵阀和推移千斤顶3来进行的。移架时，先使支架卸载下降，再把操纵阀置于移架位置，从乳化液泵站来的高压液体进入推移千斤顶的前腔即活塞杆腔，后腔即活塞腔回液。这时，支架以输送机为支点前移。移架结束后，再把支架升起，使支架撑紧顶板。若将操纵阀置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶后腔即活塞腔，前腔即活塞杆腔回液，这时输送机以支架为支点被推向煤壁。
2.3拟解决的关键问题
1、整体结构设计
2、受力分析
3、强度计算
4、液压系统设计
2.4研究思路和方法
首先根据设计题目明确设计任务，了解液压支架的工作原理原理、功能、工作环境以及国内外发展现状，理清设计思路和确定方向，拟定初步设计方案。
其次根据设计任务书给定参数和技术要求对支架整体结构设计、支架液压系统设计等要合理，满足生产要求，制造过程不易复杂，生产成本低廉，制造过程安全，便于广泛应用批量生产。对于支架各部分的结构，要经过严格的设计、计算和校核。要满足可靠性设计，使用周期长等要求。
在设计过程中要按照制定的工作流程，运用各种方法和多门学科知识。在支架本体各部件设计时，拟定详细方案，认真分析其功能，明确个部分的结构。通过本次设计把所学各学科充分融会贯通在一起，最终完成设计任务。
三、课题研究进展计划
1、第七学期17周布置和明确设计任务，收集相关设计资料。
2、1~3周查阅相关资料，完成方案设计。
3、4~5周完成开题报告。
4、6~11周对设计任务进行设计实现。
5、12~15周撰写学位论文。
6、16周熟悉答辩流程，进行论文答辩。
四、主要参考文献
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