摘 要
液压支架作为煤矿综采工作面上重要的支护装置，直接决定着矿井的安全生产，立柱作为液压支架的重要组成部分，主要作用是调整支架高度并支撑综采工作面上方的煤层，其质量决定了液压支架的可靠性。而综采工作面工作环境十分恶劣，会严重损坏立柱，影响液压支架的安全可靠性，缩短其使用寿命。为了保障安全生产，在完成一个工作面的开采后，需要对立柱进行拆装维护和保养。
立柱导向套拆卸是立柱拆卸中的一个难点问题，且常规卧式拆装立柱会产生导向套螺纹损坏、缸体损坏和密封件压坏等问题。因此 设计了一种立柱立式拆装机，实现拆装立柱方便，改善立柱的拆装质量和效率。完成了以下研究工作：
（1）针对立式拆装机需要实现的功能，进行了整体结构设计。根据立式拆装机各个机构的实现作用，详细介绍各个机构的组成、功能及关键部件结构设计。
（2）采用液压系统为立式拆装机的动力系统，对液压元件进行设计选型。对执行元件液压缸进行了设计，对执行元件液压马达和动力元件液压泵进行了计算选型，确定可靠的的液压回路并优选了相应的控制和辅助元件，最后确定液压原理图。
（3）运用有限元法对关键零部件进行静力学分析,以保证立式拆装机关键零部件的刚度和强度。静力分析结果表明，旋转盘和升降架的刚度和强度满足要求，棘轮盘在进行结构改进后满足要求。
（4）在满足刚度和强度的前提下，运用有限元法对旋转盘和升降架进行轻量化优化设计。根据拓扑优化的结果，对旋转盘和升降架进行轻量化设计，再对优化完成后的旋转盘和升降架进行静力学分析，分析结果表明，旋转盘和升降架在轻量化后不仅减轻了质量，节约了成本，同时还满足刚度和强度的要求。
通过设计该立式拆装机，能够顺利拆卸立柱导向套，即使遇到腐蚀锈死的导向套也能完美拆卸。立式拆装机使拆装立柱的效率和质量有很大的提高，同时能够降低劳动强度。
关键词： 立式拆装机；整体设计；液压系统设计；有限元分析及优化。
Abstract
As an important supporting device on the coal mining face, the hydraulic support directly 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 and support the coal seam above the fully mechanized mining face. The quality of columndetermines the reliability of the hydraulic support . The working environment of the fully mechanized 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 to ensure safe production, after the completion of mining of a working face, the column needs to be dismantled and maintained.
The column guide sleeve disassembly is a difficult problem in the column disassembly, and the conventional horizontal disassembly column will cause problems such as guide sleeve thread damage, cylinder damage and seal crushing. A column vertical disassembling and installing machine is designed to facilitate the disassembly and assembly of the column and improve the disassembly and assembly quality and efficiency of the column. Completed the following research work:
(1) The overall structural design was carried out for the functions that the vertical disassembling and installing machine needs to implement. According to the realizationof the various mechanisms of the vertical disassembling and installing machine, the composition, function and key component structure design of each mechanism areintroduced in detail.
(2) The hydraulic system is the power system of the vertical disassembling and installing machine, and the hydraulic components are designed and selected. The hydraulic cylinder of the actuator is designed, the actuator hydraulic motor and the hydraulic pump of the power component are calculated and selected, the reliable hydraulic circuit is determined and the corresponding control and auxiliary components 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 installing machine. The static analysis results show that the stiffness and strength of the rotating disc and the lifting frame meet the requirements, and the ratchet disc meets the requirements after structural improvement.
(4) Under the premise of satisfying the rigidity and strength, the finite element method 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 lifting frame are lightly designed, and then the static analysis of the rotating disc and the lifting frame after optimization is carried out. The analysis results show that the rotating 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 guide sleeve can be successfully disassembled, and the guide sleeve can be perfectly disassembled even if it encounters corrosion. The vertical disassembling and installing machine greatly improves the efficiency and quality of the disassembly and assembly column, and at the same time reduces the labor intensity.
Key words: vertical disassembling and installing machine; overall design; hydraulic system design; finite element analysis and optimization。
1、绪论。
1.1、课题来源。
本课题来源于企业项目：液压支架立柱立式拆装机的研发。
1.2、课题研究背景。
我国经济发展的主要能源为煤炭，其极大地促进了我国的经济发展。煤炭占一次能源生产量的65%和消费总量的67%。因此，煤炭在未来一段时期内仍在我国能源结构中处主导地位[1-2]。然而，我国煤炭总储量的53%埋藏在地表下。近来资源和能源的日益紧缺，国民经济和社会发展对矿物资源的需求不断增加，开采地表下的煤炭已成为我国发展的重要战略选择，煤矿综合机械化采煤应运而生[3-5]。目前我国大部分使用煤矿综合机械化的方式进行采煤，简称为煤矿综采。煤矿综采能够减少采煤时的劳动力，与此同时增加采煤时的安全性，从而提高采煤的效率、增加煤矿产量，降低能源的消耗。煤矿综采由三个主要装置组成，分别是采煤机、液压支架及刮板输送机[6]。
采煤机作为煤矿综采的主要装置之一，如下图1-1中（1）所示，分别为截割部分、装载部分、行走部分、操控部分和辅助部分组成。采煤机要有高的生产能力，需要有充分的功率来产生充足的动力用于切割坚硬的煤层，并且能够适应地质的变化切割不同硬度的煤层。刮板输送机是煤矿综采中重要的输送装备，由刮板链牵引的输送机，主要用来输送槽内的散料，图1-1中（2）所示。刮板输送机由机头部分、中间部分和机尾部分构成。刮板输送机在工作运行时，要根据采煤机和液压支架的要求选取其输送工作面。为了满足综采工艺的需求，输送机的工作面一定要沿水平或者垂直方向弯曲，工作面水平弯曲可以简化回采工艺，垂直弯曲可以提高底板不平时工作面的适应性。工作面及输送机踩空区侧要匹配于液压支架。当液压支架的中心距于输送机中部槽的长度不相等时，要根其采煤机的要求选择输送机的相关结构尺寸。选择输送机时其长度要多于综采工作面所需的实际长度。因为输送机的工作环境相当恶劣，所以输送机需要有充足的电机功率和较大的过载能力。液压支架是煤矿综采中重要的保护安全支护装置，如图1-1中（3）所示，由护帮、顶梁、立柱、平衡缸、掩护梁、连杆、底座、推移和抬底等部件构成[7-8]。液压支架的功能主要是支撑并控制着综采工作面的顶板，安全可靠的隔离采空区，保证地下工作空间的安全，并且可以实现回采工作面和完成有关装置的机械化移动。采煤机、刮板输送机和液压支架三个装置协同工作实现机械化采煤，增强并改进了采煤和运输的效能，减缓矿工的工作强度并最大限度的保障了他们的生命安全。
1.3、液压支架国内外研究现状。
1.3.1、液压支架国外研究现状。
自从上世纪中后期开始,全球范围内以煤炭开采为主的国家一直在减少矿井面积、削减煤矿工人数量和降低成本，努力达成矿井集中生产提高煤炭产量及效率的目的。他们致力于研发和运用新技术，对新一代重型液压支架的研制成功作出了重要的贡献。新一代重型液压支架相对于老式的液压支架，安装了电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顶配备有位移传感器，立柱的缸径已经超过400mm，因此，具有更高的性能和可靠性。同时，新型液压支架的材料也更换为屈服强度800-1000MPa的钢板，这种钢板具有较强的刚度和硬度，同时也拥有优异的冷焊性能。伴随着综采工作面长度的递增，为了能够快速移架，普遍运用高压大流量的 液 压 泵 站 。 液 压 泵 站 的 额 定 工 作 压 力 为40-50MPa,额 定 工 作 流 量 为400-500L/min，其可以满足综采工作面成组或成排快速移架的要求，达到68s/架[9-14]。
以煤炭开采为主的国家中，美国的采煤技术最为先进。在20世纪末就已经开始应用额定工作压力为50MPa、额定工作流量为478L/min的液压泵站,从而达成了液压支架快速推移的目标,且移架速度达到6-8s/架。美国的综采工作面既高效又高产，且使用了两柱掩护式液压支架。这种型式的液压支架能够长时间使用，使用年限长达十年。液压支架的最大工作阻力为9800k N，且支架的宽度不断增大，中心距从1.75m逐渐增大到2m。伴随着架宽的不断增加，减少了工作面的支架数、缩短了移架的时间、提高了采煤的工作效率和单位面积的产量。例如洛斯公司将电液控制的两柱掩护式液压支架应用在煤矿综采工作面上，其工作阻力达到8565k N。这个工作面一个月产煤90.43万吨，成为全球第一个月产煤达百万吨的工作面；此后还将电流控制的两柱掩护式液压支架应用在工作面上，其工作阻力达到8900k N，工作面月产煤量为60.11万吨。伴随着两柱掩护式液压支架的广泛应用，美国的综采工作面日产量和工作效率得到很大的提升，日产量最高超过7万吨，工作效率最高为1336吨/工[15]。
澳大利亚同样作为以煤炭开采为主的国家之一，其采煤技术也相当先进。澳大利亚的煤炭开采普遍采取一个矿井一个工作面的高度集中化方式进行开采，其综采工作面同样应用两柱掩护式液压支架，液压支架的工作阻力达到7640k N。例如尤兰矿在其综采工作面应用电流控制的两柱掩护式液压支架后，达到澳大利亚自古以来日均产量的最高值为3.41万吨,且班产量也维持在5000-6000吨[16]。
1.3.2、液压支架国内研究现状。
煤炭是我国的基础能源。20世纪以来，我国的煤炭工业处于快速发展的过程中，其间我国综采工作面的生产力得到很大的提升。伴随着我国煤炭工业的高速发展，煤炭综采工艺装备的需求量越来越大，因此给我国综采工艺装备制造业带来了可贵的机遇和广阔的市场空间。我国煤炭综采工业发展的关键方向一直是煤炭安全高效的开采。液压支架是关乎综采工作面能否安全高效开采的关键装置，其技术标志着煤炭综采装置的水平。为了提高我国煤炭综采装置的水平，太原分院和郑州煤机厂于1964年自主研制设计了一种70型迈步式自移支架，从此我国开始自主生产制造液压支架。北京及沈阳开采所联合郑州煤机厂于1984年进行了一项工业试验，把我国研制的第一套放顶煤液压支架应用在沈阳蒲河矿的综采工作面进行试验，从而研制出多种型号的放顶液压支架，可以分别应用在缓倾或急倾斜厚煤层和水平分层的工作面中。自从1990年开始，我国开始全面生产液压支架，国产液压支架的数量越来越多。截止到1998年，随着国产液压支架数量的增加，国内已经建立88处高产量高效率的矿井，且在这些矿井中部分矿井的一个工作面的产煤量已经达到15.72万吨/月，人工生产效率达到9.16吨/工。我国煤炭工业发展至今，煤矿综采工作面的机械化水平已经达到了世界一流水平，并且不再依赖进口的机械装置，开始出口国产的综采机械化装置[17-25]。
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1.4 课题研究的内容及意义
1.4.1 课题研究的目的
1.4.2 课题研究的主要内容
1.4.3 课题研究意义
1.5 本章小结
2 立式拆装机的整体设计
2.1 立式拆装机整体结构.
2.2 立式拆装机各机构的设计
2.2.1 底座的设计
2.2.2 摆动架及大扭矩增力机构的设计
2.2.3 固定夹紧机构的设计.
2.2.4 滑动夹紧机构及翻转机构的设计
2.2.5 升降托架机构的设计
2.3 立式拆装机的工作原理及过程.
2.3.1 立式拆装机工作原理
2.3.2 立式拆装机工作过程
2.4 本章小结
3 立式拆装机液压系统的设计.
3.1 液压缸的设计计算
3.1.1 工作压力的选择和缸内径及杆直径的计算.
3.1.2 活塞杆输出速度和供液流量的计算
3.1.3 总体结构设计.
3.2 液压马达及液压泵的计算选型.
3.2.1 液压马达的计算选型.
3.2.2 液压泵的计算选型
3.3 控制及辅助元件的选择和液压原理图的绘制
3.4 本章小结.
4 关键零部件的有限元分析及优化
4.1 有限元方法及ANSYS Workbench的概述
4.1.1 有限元方法的概述
4.1.2 ANSYS Workbench 的概述.
4.2 立式拆装机的三维模型建立
4.3 关键零部件的静力学分析
4.3.1 旋转盘的静力学分析
4.3.2 棘轮盘的静力学分析
4.3.3 升降架的静力学分析
4.4 关键零部件的优化设计
4.4.1 旋转盘的优化设计
4.4.2 升降架的优化.设计
4.5 本章小结
5 总结
通过以拆装液压支架立柱为研究对象，研究设计出此立式拆装机。针对立式拆装机需要实现的功能，进行了各个机构的设计。机构设计完后，根据液压传动的优点，采用液压系统作为立式拆装机的动力系统，对液压系统内的液压元件进行设计选型。对各个机构中的液压缸进行了设计，对液压马达和液压泵进行了计算选型，确定了液压系统的液压原理。立式拆装机整体结构设计和液压系统设计完成后，运用有限元法对立式拆装机内关键零部件进行了分析及优化。在研究设计的过程中主要完成了以下的工作：
（1）对液压支架及其立柱进行了简单的了解和说明，并对立柱的损坏形式进行了详细的了解。立柱的拆卸主要是对其导向套进行拆卸，常规卧式方式拆卸会损坏立柱，因此研究立式拆装机，解决卧式拆装时产生的问题，实现拆装立柱方便。
（2）针对立式拆装机要实现的功能，进行了整体的结构设计。依次设计立式拆装机的各个机构，并展示各个机构的二维图，介绍各个机构的组成、功能及其关键部件的设计。介绍立式拆装机各个机构的工作原理及拆装立柱的工作过程。
（3）立式拆装机整体结构设计完成后，设计采用液压系统作为立式拆装机的动力系统。介绍液压传动的优点，并根据液压系统中的组成部分：执行元件、动力元件、控制元件和辅助元件，对液压系统进行设计。先设计液压系统的执行元件液压缸，立式拆装机中有多种液压缸，设计负载力最大的摆动液压缸，计算出其尺寸及所需流量，其余的液压缸根据摆动液压缸尺寸的进行设计。接着对执行元件液压马达和动力元件液压泵进行计算选型。在执行元件和动力元件设计选型后，确定可靠的液压回路并优选相应的控制和辅助元件，最后确定液压原理图。
（4）确定完立式拆装机的整体结构和液压系统后，运用有限元法对立式拆装机的关键零部件进行刚度和强度的校核，以确保关键零部件满足工作要求。介绍了有限元方法和有限元软件ANSYS Workbench的历史、基本原理和分析步骤。
用三维软件将立式拆装机的三维模型构建出来，再将其关键零部件的模型导入有限元分析软件，进行静力学分析。分析结果表明，旋转盘和升降架的刚度和强度满足要求，棘轮盘在结构改进后满足要求。在满足刚度和强度的要求后，对旋转盘和升降架进行轻量化优化设计。根据拓扑优化的结果，对旋转盘和升降架进行轻量化设计，再对优化完成后的旋转盘和升降架进行静力学分析，结果表明仍符合要求。最后将优化完成后的旋转盘和升降架装配到立式拆装机的三维图中。
设计完成的立式拆装机实物图如下图5-1所示。
参考文献
