DW16-300100X悬浮式单体液压支柱的设计【说明书+CAD+PROE】
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1 摘要 单体液压支柱是一种新环保型的支护装备， 广泛用在煤矿回 采用工作面 顶板支护、煤矿 综采工作面支护端头 。 是一种新型外部供液的恒阻式单体液压支柱 ， 采用柱塞悬浮式技术原理 ， 悬浮力达到工作阻力的五分之四，立柱受力仅为五分之一， 其 强度高、行程大、耐使用、重量轻、易维修，解决了传统支柱存在的一系列安全隐患问题，在煤层支撑防护上 的 应用 日益 广泛 ，发展前景广阔。 液时，三用阀不随支柱的活柱升高而升高，操作方便，安全可靠 。适用于煤矿回采工作面的顶板支护和端头顶板支护 ，多 应用于薄煤层、中厚煤层及较厚煤层工作面。 本课题是基于 计 00 本课题主要设计完成以下内容 : 1. 分析 00 具体参数和设计要求 根据 悬浮式单体液压支柱 型号 00X，确定缸径、 额定工作阻力、最大支撑高度。同时了解 封盖组件、手把体、三通阀、油缸、活柱体、复位弹簧、底座等主要零件。 设计要求 选择外部注液式，工作液体选择乳化液。降柱方式设计为靠活柱的自重和复位弹簧降柱。设计液压支柱的三用阀置于手把体处，注液时三用阀不随活柱升高。 2. 计算重要的结构尺寸 根据立柱的工作阻力、缸内压力、缸筒内径之间的关系，估算出缸壁的厚度。进而确定油缸的主要尺寸。而活柱体的限位台阶限制活柱体的升高到行程后不在升高，因此必须具有一定强度，使其承受初撑力时，不至于损坏，因此需要计算确定限位台阶尺寸 ,最终设计好整体的图纸尺寸 。 3. 体液压支柱的结构设计及三维建模 基于 根据其 悬 浮式柱塞的 特点 ， 设计完成零件的二维图纸。然后借助于 软件平台，设计出 00型。在此平台上实现 单体液压支柱 零部件的三维建模及装配。 4. 单体液压支柱 关键零件的 结构分析 对于关键零件油缸进行稳定性和强度的校核计算，验证其设计的可靠性 。 2 关键词 ： 单体液压支柱 ， 悬浮式， 第 1 章 绪 论 体液压支柱的简介 单体液压支柱是一种新环保型的支护装备， 广泛用在煤矿回 采用工作面 顶板支护、煤矿 综采工作面支护端头 。 既可与金属铰接顶梁配套，也可单独做点柱或其它临时性支 护用 。单体液压支柱可用于煤层倾斜角在 25 35以下的任何采煤工作面 ,它和金属铰接顶梁柱配合，可适用于煤层倾角在 35 以下的任何采煤工作面。 我国 的 煤炭资源分布地域广，煤层贮存状况各式各样， 这使得 我国是世界上煤层贮存条件最为复杂的国家。在开采的实践过程中，工程技术人员所遇到的困难和解决困难的方式是全世界绝无仅有的。近几年煤矿冒顶事故频繁发生， 为了 保障着国家财产和人员的生命安全 ， 单体液压支柱在采矿工业中 的地位 非常重要 ， 尤其在大倾角煤层中，更能体现它的重要性。在众多的煤矿井下支护产品中，单体液压支柱与铰接顶梁 配合使用，具有投资少、受地质条件限制少、使用和维护简单方便且操作灵活等 。单体液压支柱也是我国国家煤矿工作面的支护的主导设备。 体液压支柱的 用途 单体液压支柱 支柱是一种 以专用油或高含水液压液（含乳化液）为工作液 的恒阻式支柱。它可与金属顶梁配套使用，也可单独做点柱用，供煤矿一般机械化工作面支护顶板，或供综合机械化工作面作端头支护及其他临时性支护。 同时要求 煤层 顶板 落后不影响支柱的回收，底板不宜过软，支 柱压入底板深度不恶化底板的完整性，否则应加大底座。在煤质较松软的炮采工作面内使用时，对活柱体镀层表面采取保护措施，以防崩坏。支柱与木顶梁配合或做点柱使用时，应将顶盖换成柱帽，以免损坏木梁。 体液压支柱的类型 单体液压支柱的类型按型号分类为通用型支柱和重型支柱； 按供油方式和工作介质不同，支柱分成外供油式（简称 “ 外注式 ” ）和内供油式（简称 “ 内注式 ” ）两大类；按支柱工作行程不同，支柱可分成单伸缩和双伸缩支柱；按支柱使用材料不同，支柱可分为钢质支柱和轻合金支柱。结合实际使用情况，将其分为外注式单体液 压支柱、内注式单体液压支柱、其它类型支柱 。具体实际应用产品分类方式如下。 （ 1） 悬浮式单体液压支柱（ 3 悬浮式单体液压支柱是外注式单体液压支柱的一种，但是比外注式单体液压支柱又有一个很显著的优点，那就是 浮力达到工作阻力的五分之四，立柱受力仅为五分之一， 液时，三用阀不随支柱的活柱升高而升高，操作方便，安全可靠。 （ 2） 双伸缩悬浮单体液压支柱 双伸缩悬浮式单体液压支柱是中国矿业大学研制的一种新一代工作面单体支护产品，是高档机 械化普采工作面的配套设备，也是综采工作面的端头支护设备。其适用于煤矿回采工作面的顶板支护，综采工作面的端头顶板支护，巷道掘进的超前支护。悬浮式单体液压支柱是外注式单体液压支柱的一种，但是比外注式单体液压支柱又有一个很显著的优点，那就是 浮力达到工作阻力的五分之四，立柱受力仅为五分之一， 液时，三用阀不随支柱的活柱升高而升高，操作方便，安全可靠。 （ 3） 单体液压支柱一般分为外注式单体液压支柱，内注式单体液压支柱 ，悬浮式单体液压支柱，摩擦支柱。内注式单体液压支柱是自身带泵及同，支设时用手摇把摇动就能快速升柱，降柱时不排出工作液，可较好地保护工作环境，而且使用时方便，管理灵活，装备简单。目前主要使用的有直径 90 2个规格的内注式单体液压支柱。 一般的表示型号为 0， 18表示支柱最大高度为 1800250 表示支柱工作阻力为 25080表示支柱的缸径 80 （ 4）玻璃钢单体液压支柱 玻璃钢单体液压支柱通过液压站向与单体液压支柱连 接的三用阀注液，单体液压支柱开始升起，达到需要的高度，利用液压支柱内的密封圈的密封作用，完成支撑；如若下降则打开三用阀卸载阀，液压支柱开始下降，完成工作。 本次设计的就是悬浮式单体液压支柱的结构设计。 体液压支柱的 适用范围 单体液压 支柱使用于下列煤层条件： 1、煤层倾角大于 25 35的急倾斜回采工作面。 2、煤层顶、底板条件 （ 1）工作阻力为 300支柱，底板抗压入强度应为 28 上。如底板较软，支柱压入底板的深度以不恶化顶板的完整性及不影响支柱的回收为限，否则，应采取“ 穿鞋”或加大底座等措施。 4 （ 2）适用于一人工作时进行支护作业。 （ 3）顶板冒落情况较好，冒落后不影响支柱的回收。 （ 4）在分层开采人工假顶工作面或地质构造较复杂的条件下使用时，应采取安全措施。 （ 5）在煤质较软的爆破采煤工作面使用时，应对活柱体外表面采取保护措施，以防崩坏。且不能当贴帮柱用。 本支柱不宜使用在下列条件的工作面： 3、煤质较硬的炮采工作面，以及周期来压特别强烈或有冲击地压的工作面。 4、工作面采高太低，不能保证顶板下沉后支柱安全回收所需的最小高度 。 5、不同工作特征或不同工作阻力的支柱，均不能在同一工作面混用。 体液压支柱发展概况 内外 单体液压支柱的 发展趋势 目前，我国煤矿的回采工作面支护装备，除一部分整体自移式液压支架外，主要的仍使用六十年代初期发展的摩擦式金属支柱，用这种支柱装备的回采工作面的产煤量约占百分之七十以上。六十年代初期，回采工作面几乎全部使用木支架。当时开始了第一次支护技术改革，即摩擦式金属支柱配以铰接顶梁代替木支护，并经历了大约三年时间大量推广应用。其最突出的效果之一是大幅度的降低了木材消耗。与 此同时，也促使人们认识到矿山支护是一门综合的技术，与岩层控制及采掘工序紧密相关，对加强顶板管理促进安全生产起着举足轻重的作用。我国在六十年代已开始了液压支柱的研究，经过一度中断后，于七十年代初继续进行研究试制工作，至七十年代末完成了工业性试验，进行了技术鉴定，现已经投入成批生产，并正在有计划的逐步进行回采支护的更新换代工作。近几年国内的大量实践证明，使用单体液压支柱有着良好的技术经济效果，适合国情，适应煤矿的具体情况，是进行回采支护第二次技术改革的一个方向。但是在大倾角煤层的支护作业中，使用通用式顶盖还是具 有一定的缺陷。因此，本次设计主要针对这一问题进行解决与改进。国外主要产煤国家中，单体液压支柱曾经在回采工作面广泛采用，最早研制、使用的国家（如英国）在四十年代后期就已有产品问世。其后，联邦德国、日本、波兰、苏联等国家在五十年代相继采用，如联邦德国萨尔矿区大体经历十年左右的时间在条件适应的工作面基本上全部使用。从 1956年到 1963年，使用单体液压支柱的产量达 五年左右时间内使用量增长了 7 8倍。国外单体液压支柱的使用情况表明，在六十年代初期技术即达到成熟阶段。 体液压支柱的突出优点 5 1、 初撑力高 一般地，初撑力可以达到 7 10t，为摩擦式金属支柱的 3 10 倍（摩擦式金属支柱用液压升柱装置时初撑力 2 3t，不用液压升柱装置时初撑力仅 1t 左右）。 2、 恒阻的性能 在较小的顶板下沉量情况下，支柱即可达到额定的工作阻力，并保持恒阻的特点（摩擦式金属支柱在顶板下沉量大，支柱下缩到 100 400上时才能达到最大工作阻力）。显然，单体液压支柱能很快达到较高的工作阻力，大大改善了顶板维护状况。 3、 支柱承载力均匀 初撑力大与恒阻的特点，使各支柱能较均匀的承受载荷，这是优 于摩擦式金属支柱的重要特点，对保持中等稳定以下工作面顶板的完整是十分有利的。 4、 支、撤速度快 单体液压支柱的升柱与降柱，靠液压系统来完成。内注式支柱只须扳动手柄、外注式支柱用注液枪从外部注液、扳动卸载阀排液等轻微操作即可完成回撤与支设作业，其速度一般比摩擦式支柱提高一倍左右。 5、 促进安全生产、降低辅助材料消耗 由于初撑力高与顶板接触严实，回撤与支设速度快，控制顶板效果好，提高了工作面推进速度，冒顶事故明显减少，促进了安全生产，相应地降低了木材消耗。 6 第 2章 单体液压支柱的结构和工作原理 压支柱的型号命名 液压 支柱型号主要由“产品类型代号”、“第一特征代号”、“第二特征代号”和“主参数代号”表示，如按此划分仍不能区分产品时，允许增加“补充特征代号”和“修改序号”以示区别。支柱型号组成和排列方式如下： 图 体液压支柱型号命名方式 类型及特征代号用汉语拼音大写字母表示： D 表示单体液压支柱，第一特征代号中 W 表示外注式支柱。第二特征代号中 S 代表双伸缩，无字母代表单伸缩 。 。主参数用阿拉伯数字表示 ，依次是 支柱最大支撑高度、额定工作阻力、油缸内径 ；补充特征代号 用于区分材质和结构的不同， Q 代表轻合金 ， 修改序号用加括号的大写拼音字母（ A）、（ B）、（ C）表示，用来区分类型、主参数、特征代号均相同的不同产品。 本次设计的型号为 00注式单体液压支柱，最大支撑高度 1600定工作阻力为 300缸内径为 100 单体液压 支柱的结构 缸、三用阀、 顶盖、底座、复位弹簧、 锁紧件、 手把体等主要零部件组成。如图 7 1 2 3 4 5 6 7 8图 单体液压 支柱的工作原理 （柱塞悬浮式）液压支柱的工作原理包括升柱、初撑、承载和回柱四个过程 。 （一）升柱、初撑过程 升柱时将管路系统中的注液枪插入三用阀注油阀体，挂号锁紧套，操作注液枪，泵站高压液经注液枪顶开三用阀中的球形单向阀，进入支柱，迫使活柱升高。 （二）承载、流溢过程 支柱支设以后便处于承载状态，随着支护时间的延长，支柱面顶板作用在支柱上的载荷增加，当支柱所承受的载荷超过额定工作阻力时，支柱内腔高压液体作用在安全阀垫上的力，超过安全阀弹簧预先调定给予六角导向套的压紧力时，压缩安全阀弹簧，安全阀垫和六角导向套一起运动，安全阀垫离开阀座，安全阀被打开，内腔液体外溢，活柱下缩，使支柱压力重新得到平衡。 （三）回柱过程 支柱回收时，将卸载手把插入三用阀右阀桶的卸载孔中，转动卸载手把，迫使阀套，连接螺杆、注油阀体等整体轴向移动，压缩卸载阀弹簧，卸载阀 垫离开左阀桶的密封面，卸载阀被打开，支柱内腔工作液经过阀桶喷开，活柱在自重和复位弹簧作用下回缩，完成支柱回收。 8 单体液压支柱的特点 柱塞悬浮式单体液压支柱是中国矿业大学研制的一种新一代工作面单体支护产品，是高档机械化普采工作面的配套设备，也是综采工作面的端头支护设备。其适用于煤矿回采工作面的顶板支护，综采工作面的端头顶板支护，巷道掘进的超前支护。由于其承载能力大，抗偏载能力强，工作行程大，使用范围广，因而其可应用于薄煤层，中厚煤层及厚煤层工作面，主要有以下优异的特点： （ 1） 具有较强的抗偏载能力和较大的稳定性。 支柱采用柱塞悬浮式技术原理，使液压悬浮力直接通过支柱活柱的内腔作用在顶盖上，使液压悬浮力分担了支柱工作阻力的五分之四左右，使活柱在轴向上的受力仅为工作阻力的五分之一，提高了支柱的稳定性和安全性，也大大提高了支柱的支撑高度和承载能力；而目前正在使用的国内外支柱产品均采用的是活塞式技术原理，不能充分利用液压的悬浮力来分担立柱的工作阻力，使立柱承受了工作阻力的全部，从而造成立柱常常被压弯，使支柱损坏，导致冒顶事故发生。 (2)可靠性高。 支柱在立柱上不再设有工艺难以保证的圆弧焊缝，也提高了立柱的强度和可靠性，避免了因焊缝断裂而造成的冒顶等事故隐患，保证了工作人员的安全。而国内外现用支柱的各支柱系列均是在立柱上焊接有装三用阀的柱头，使立柱的强度大打折扣。 （ 3） 重量轻。 根据支柱规格不同，整柱重量比国内外现用支柱减轻 1 5 30以上，但其工作阻力、工作行程及稳定性安全系数又高于铝合金支柱。 （ 4） 工作行程大，使用范围广。 支柱的工作行程大，扩大了使用范围，也可以减少支柱的规格品种，特别是顶板下沉较大 的工作面。 支柱仍能满足大的恒增阻降距，不仅回柱方便，而且提高了支柱的回收率，减少了支柱消耗，降低了生产成本。其每个规格可替代 5 个规格，减少了支柱的规格品种，也给支柱管理带来方便。降低了煤矿对支柱设备的资金投入和管理成本。 (5)强度大，稳定性高。 目前国内外支柱，因存在内泄漏而造成支柱虚顶，甚至造成支柱自动倒下而伤人的事故隐患。而 支柱的所有密封点均为外设，可用肉眼直观检查，一旦支柱泄漏，可随时注液或更换支柱，保证了采煤工作面顶板支护的安全性和可靠性。 支柱无柱头无活塞无圆弧焊缝，使支柱结构工艺简化，安全性提高。其活柱和油缸均为整体结构，强度大，稳定性好。 （ 6） 使用方便。 目前国内外单体液压支柱均是把装三用阀的柱头焊接在活柱上的，当活柱升高时，操作人员必须随其上升，特别是对于较高的工作面，操作人员很不方便也不安全；而系列支柱三用阀设于手把体上，当注液时，三用阀不会随活柱的升高而升高，操作方便，安全可靠。 (7)维修和维护费用低。 支柱的各密封点，均采用了专利密封补偿和密封胀紧技术原理。在密封有磨损的情况下板 来压的情况下，可保持密封胀紧状态，减少了密封的更换率，降低了维修和维护费用。 (8)使用中性水，运行成本低。 支柱采用先进的技术进行特殊表面处理工艺，使支柱具有防腐、耐磨和防泡崩的特点，工作介质使用煤矿的井下中性水，保证了工作环境和地下水不受污染，也保证了矿区饮用水的质量，更保证了矿区生活人群的健康，是一种理想的采煤工作面支护的环保型产品。 单体液压支柱与其他液压支柱的区别 单体支柱强度高、行程大、耐使用、重量轻、易维修，解决了传统支柱存在的一系列安全隐患问 题。从安全角度看， 浮式单体液压支柱较传统 柱或油缸的中部焊接了用于装三用阀的柱头，因焊缝强度差，致使在焊缝处易弯曲或脆断。 压密封面在油缸内，泄漏时现场操作人员无法发现，经常出现支柱虚顶、脱顶甚至倒柱现象，存在冒顶隐患。 柱承载时，巨大的内腔压力必然使油缸产生径内膨胀，使得油缸和活塞之间的配合间隙加大，密封性能下降，特别是使用一段时间后，由于油缸疲劳后的弹性恢复能力下降，致使密封能力大大降 低，威胁矿井安全。 生产工艺复杂，导致产品质量不稳定，检修次数频繁，检修工艺复杂。 单体液压支柱内部密封件的选择原则 单体液压支柱内部的密封件按照液压回路中的密封件进行选择。 10 （ 1）泄漏量小 要求 液压 密封件的泄漏量极小，具有良好的密封作用，并随 液压油 的压力增高而自动提 高其密封作用，即使在高压及高温等恶劣工作环境下，液压密封件的泄漏量也无明显的增加。 （ 2）良好的相容性 因液压密封件长期浸泡在液压油中，极易溶胀、溶解或脆化变硬等，使之丧失密封作用，因此要求液压密封件对液压油具有良好的相容性。 （ 3） 摩擦阻力小 为避免或减少液压设备产生低压爬行等不良现象，要求液压密封件具有较低的静摩擦阻力和动摩擦阻力，并且其摩擦系数应非常稳定。 （ 4） 使用寿命长 液压密封件应具有良好的弹性、耐热性、耐寒性、耐压性、耐磨性及一定的物理机械强度等，并且使用寿命长。 （ 5） 价格低廉 液压密 封件应易于制造和安装，其相应的密封槽又易于加工制造，对密封表面的加工精度等要求又较低，并且低格低廉。 常用的密封件有 O 型圈、 Y 型圈、防挤圈、防尘圈等等。 O 型圈压力 液体 挤压自封式压紧型液压密封件，使之进一步变形，并对密封表面产生较大的随 压力 液体的压力，严格地说应为 压强 。增高而增高的附加接触应力，并与初始接触应力一起共同阻止压力液体的泄漏。 O 型圈通常套在回转体的槽内进行密封。 所谓防挤圈是指防止 它在安装时应该放在 形密封圈的低压一侧。防尘圈的作用是紧抱单体液压支柱的活柱，在支柱升降时防止煤粉进入液压缸。 Y 形密封圈是单体液压支柱的活柱通过活塞和支柱油缸密封的关键零件 。 Y 形密封圈是依靠其张开的唇部紧贴于密封表面而保持密封的，通常可单独使用，其密封性能较好，摩擦阻力较小，耐压 性能好，工作稳定性好，使用寿命长。因此 Y 形密封圈适宜于高速变压、大缸径、大行程的液压缸采用。 章小结 本章介绍了单体液压支柱的 型号命名、 结构 组成 及工作原理 ，同时介绍了 通过型号命名可以收获很多数据条件，而结构组成和工作原理可以让你了解悬浮式单体液压支柱的工作过程和零件的作用，对之后的结构设计都可以起到指导作用 。 11 第 3章 液压支柱的结构设计 单体液压支柱的总体设计要求 根据型号为 00X 的 悬浮式单体液压支柱 ，属于 外注式单体液压支柱，最大支撑高度 1600定工作阻力为 300缸内径为 100 根据要求 最大支撑高度 1600设定的 工作行程 为 680可以确定出 最小高度920表得出此型号液压支柱的 泵站压力 15撑力 108作液体乳化液 。 注液方式 选择为 外注式 。 液压支柱三用阀置于手把体，注液时三用阀不随活柱升高。 单体液压支柱的具体设计 缸与活柱体 1、 油缸 油缸是支柱下部承载杆件。 （ 1）主要技术要求 有足够的强度，能长期承受最高工作压力以及短期 动态试验压力而不会产生永久变形。 有足够的刚度，能承受活柱侧向力，而不至于产生弯曲。 内表面在密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作，且磨损少，几何精度高，确保活塞密封。 （ 2）材料 缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，根据油缸的参数、用途和毛坯，可选用的材料是 27 （ 3）缸筒的计算 立柱的工作阻力，缸内压力，缸筒内径之间的关系为 P=4 （ 式中 p 缸筒内压力， N/ 缸筒内径 ， P 立柱工作阻力， 初 撑 力工 作 阻 力则 p= （ 式中 乳化液泵的工作压力； 12 一般在 （ 初撑力 = 作阻力 =00=157 （ 预算缸径尺寸和缸壁厚度 缸筒内压力为 p=224= 324 300 1010 = （ 式中 P 立柱工作阻力 300 缸筒内径 100 缸筒材料为 27缝钢管， s= （ = （ 缸壁厚度为 = 22D 0 . 4( 1 1 )1 . 3 = 1 0 0 5 5 5 . 9 0 . 4 3 8 . 2( 1 1 )2 5 5 5 . 9 1 . 3 3 8 . 2 = （ 考虑到缸口要车槽口和台阶，所以选用缸壁厚度为 7 根据型号确定油缸的直径（即内径）为 100据工作阻力和内径估算出壁厚，考虑到台阶因素，选定为 7外径为 114缸的两端应该可以与底座、手把体固定在一起，因此油缸两端设计为阶梯状，同时通过 O 型圈、连接钢丝进行密封和锁紧。 （ 4）缸筒的加工要求 缸筒内径 采用 合； 缸筒内径 D 的圆度公差值可按 9、 10、 11 级精度选取，圆柱度公差值可按 8级选取； 缸筒端面 级精度选取。 13 图 缸三维实体造型图 2、 活柱体尺寸的确定 活柱体是可以沿着油缸做轴向自由移动，行程为 680此，设计时需要设定限位凸台或限位钢丝来设计行程限位。为了方便活柱体沿着油缸移动，在活柱体和油缸之间设计导向环来引导活柱体轴向移动。 活柱体是支柱上部承载杆件。根据油缸的 内 径 及厚度选择 确定出活柱的内外径分别为 78 5 在外注式单体液压支柱的活柱外侧还装有限位装置，其是限制活柱升高，保证油缸与活柱具有一定重合长度，防止活柱拔出和损坏的装置。限位装置有限位套、限位环、钢丝挡圈和限位台阶等多种形式。缸径为 100 支柱采用活柱上限位台阶限位。 支柱升高，活柱上限位装置与手把体接触后，如果继续供液，活柱也不再升高。因此，限位装置必须具有一定强度，使其承受初撑力时，不至于损坏。 限位台阶高度尺寸计算过程如下 H=760 0 1 0 010 51 （ 式中 L 立柱最大工作行程， 缸筒内径， 14 图 柱体三维实体造 型图 体液压支柱三用阀和复位弹簧 1、 外注式单体液压支柱三用阀的选择 三用阀顾名思义，即有三种用处的阀。它是外注式单体液压支柱的心脏，支柱靠它的单向阀完成开柱和支撑；靠它的卸载阀完成支柱的回收；靠它的安全阀在支柱过载时使支柱缓慢下缩，保护支柱不致受损。外注式支柱将三个阀组装在一起，便于更换和维修。三用阀利用左右阀筒上的螺纹装在支柱柱头上，并用阀筒上的 图 维造型 15 图 用阀 二维装配图 1 左阀筒； 2 注油阀体； 3 限位套； 4 单向阀阀座； 5 压紧螺套； 6 钢球 8；7 锥形弹簧； 8 卸载阀垫； 9 卸载阀弹簧； 10 连接螺杆； 11 阀套； 12 阀座；13 O 形圈 1314 O 形圈 2815 安全阀针； 16 安全阀垫； 17 六角导向套； 18 O 形圈 4219 弹簧座； 20 安全阀弹簧； 21 调压螺丝； 22右阀筒 2、 复位弹簧 采用复 位弹簧降柱可加速支柱下降速度。复位弹簧一头挂在柱头上，另一头挂在底座上，并使它具有一定的预紧力。并且使用复位弹簧支柱的底座不能焊在油缸上，而必须活接，且采用连接钢丝与油缸连接。 复位弹簧是单体液压支柱在进行回收时，使活柱筒快速回缩的重要零件。检验复位弹簧时，应根据支柱实际支设状况，将其拉伸到最大使用高度后保持 24 小时，最多允许弹簧有 4残余变形，这样的复位弹簧才算合格。 体液压支柱用锻件 外注式单体液压支柱中有 4个零件是用模锻加工而成。它们分别是顶盖、手把体、底座、 密封组件 。 1、顶 盖 本次单体液压支柱主要针对大倾角煤层的工作状况而设计的，在大倾角工作面中单体支柱的倾倒与下滑问题一直都很严重 ,顶板冒落甚至大面积垮落事故时有发生 ,严重威胁着工作面的安全生产。 因此顶盖必须可以支持煤层，同时防止倾倒和下滑。结构设计如图 16 图 盖三维实体造型 2、手把体 手把体是单体液压支柱上唯一的一个可用手抓住的零件，对搬运、支设、移动支柱非常重要。手把体内装有防尘圈、导向环。它通过手把体连接钢丝与油缸相连接，能绕油缸自由转动便于操作和搬运。 手把体内孔的尺寸根据油缸外径、活 柱外径、手把体连接钢丝、防尘圈和导向环的尺寸确定，防尘圈和导向环的尺寸根据活柱外径选取。 由于三用阀置于手把体上，因此手把体上应该有安装三用阀的设计。 图 把体三维造型 3、底座 底座体由底座、弹簧挂环、 O 形密封圈、防挤圈等组成。它是支柱底部密封和承载的零件。它通过底座连接钢丝与油缸相连接。 17 底座体外径由油缸内径而定，各凹槽部分分别由安放在此处的标准件的尺寸决定，而各标准件的尺寸是根据油缸内径值查表而得。 结构形式如图 示。 图 底座体三维实体造型图 4、 密封组件 密封组件连接活柱体和顶盖，密封内部结构和油路。密封组件与活柱体的固定是选用弹簧销来固定，而密封组件与顶盖的固定是选用蝶形螺栓螺母进行锁紧固定。为了固定更加稳定，与活柱体直接还应用了 O 型圈密封。密封组件的尺寸根据活柱体的内径来确定，密封组件的形状由顶盖的内腔形状来确定。 图 封组件三维实体造型图 设计好所有的零件后，进行总装配。 中的装配是以组件的形式来装配。装配时，首先需要一个零件进行缺省，确定第一个零件的位置，这里是默认位置，选择18 用底座进行缺省。之后的零件通过条件约束来进行 确定各个零件相对于缺省零件的相对位置，一般应用的轴对齐、端面匹配较多。对齐和匹配不仅可以进行进行重合的设定，还可以用来定向和偏移。最终，总的装配就完成了，装配后的模型如图 果想更加清楚的看清装配的各个零件的位置， 中有分解功能进行自动分解，同时也可以自己编辑分解的位置。 图 配后的三维实体造型图 19 体液压支柱的 密封 件和 导向 件 单体液压支柱及三用阀中所使用的各种橡胶件和塑料件共 14件，详见下表 表 体液压支柱的 密封 件和 导向 件 项目 类别 名 称 规 格 材 料 数量 备 注 单 体 液 压 支 柱 Y 形密封圈 防尘圈 O 形密封圈 活柱 体 导向环 油缸 导向环 皮碗防掎圈 底座防掎圈 100 80 97 10 10 2 80 228 丁腈橡胶 腈橡胶 229 聚甲醛 聚甲醛 聚甲醛 聚甲醛 1 1 1 1 1 1 1 外径 高 厚 外径 高 厚 外径 高 厚（不切口） 外径 高 厚 三 用 阀 O 形密封圈 安全阀垫 卸载阀垫 单向阀阀垫 42 28 13 6 2 27 14 3 229 S 520 1 520 1 1 1 1 1 1 其中大流量三用阀的安全阀部分，有一特制密封圈 导向环是导向环，也叫支撑环，是一种用于液压缸或气缸的活塞或 活塞杆上的、支撑活塞或活塞杆运动的零件，它能防止活塞或活塞杆在运动过程中与缸体发生直接接触和摩擦，起到保护缸体与活柱体杆不被损坏的作用。导向环常用的材料为聚甲醛（ 可以 孔、轴两用，对活塞杆 、活柱体 起支承与导向作用。 防挤圈是指防止 O 形密封圈受挤的一个圈，故它在安装时应该放在 O 形密封圈或Y 形密封圈的低压一侧。 防尘圈的作用是紧抱单体液压支柱的活柱，在支柱升降时防止煤粉进入液压缸。 Y 形密封圈是单体液压支柱的活柱通过活塞和支柱油缸密封的关键零件，又是支柱在承载时的承压件。同时在支柱回柱时，它又能使支柱的 活柱快速回缩而达到回收的目的。 20 章小结 本章 主要根据已知的条件计算出各个零件主要的尺寸，按照设计要求对各个零件进行总体设计，同时用 件画出 设计的各种零件的二维图纸。对于设计好的零件，用 进行三维实体造型，同时将各个零件有次序的装配起来，同时发现画出的零件与预想的设计存在的不合理处，然后进行及时修改。 21 第 4 章 单体液压支柱结构及尺寸的验算 知设计参数 立柱初撑力： 57柱工作阻力 ： P=300缸外径： 14缸内径： D=100柱外径： 5柱内径： 8柱最大高度： 1680柱最小高度： 920压行程： 680缸稳定性的验算 验算活塞杆全部伸出并受最大同心纵向载荷的稳定性。 油缸稳定性条件为 即 211 0 . 6J J M N 211（ 式中 稳定的极限力； P 最大工作阻力； 活塞杆断面惯性矩， 411 64 =06 （ 缸体断面惯性矩， 4402 64 =06 （ 根据 21 21极限计算图得： 立柱稳定性的极限力为 2110 . 6 M =600 （ 立柱的最大工作阻力 P=300满足稳定条件上述 仅当活塞杆头部距离在载荷下发生最大挠度处的距 x l 时才适用 22 x=2280 1280 0300 10=6555mm l （ 所以适用。 缸的最大挠度 油缸的最大挠度 当 5d， 12 1121212 （ 式中 110 （ 220 （ 1 1 15 7 . 3t t g k l （ 2 2 25 7 . 3t t g k l （ E 钢的弹性模量， E=05 体强度验算 油缸壁厚验算 100 4 . 4 3 . 22 2 . 5 时，按中等壁厚缸体公式计算 （ 2 . 3s PD （ 式中 P 油缸内工作压力， P= c 计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般取 c=2 强度系数，当无缝钢管时， =1； 缸壁厚，取 22.5 23 b 缸体材料， 27缝钢管 b=980 n 许用安全系数，一般在 5 范围内选取。 把上列公式化为： () 3 8 . 2 (1 0 2 2 . 5 0 . 2 ) 9 7 . 62 . 3 ( ) 2 . 3 ( 2 2 . 5 0 . 2 ) c M P （ 1 0 . 0 4 1 0 . 0 4 （ 所以可以安全使用。 章小结 本章主要是进行支柱部分结构的尺寸验算。 结构设计的合理与否需要对尺寸进行结构安全性的验证，这里选取单体液压支柱的支撑件油缸进行稳定性的验证和强度的验算，保证支撑件的安全性。 这些验算确定了各零件的安全尺寸，以便使支柱安 全的使用。 24 第 5 章 单体液压支柱的使用与维护 柱的拆装和试验 用阀的组装 1、组装前的装备 （ 1）合格的三用阀零件在组装前必须用压力油冲洗干净，任何有毛刺、铁屑或生锈的零件均不得组装。 （ 2）装好全部 O 形密封圈。 （ 3）六角导向套的组装 把安 全阀垫装入六角导向套中，要装到底，并检查安全阀垫工作面是否平整。在阀座和六角导向套接触时，阀垫压缩量应控制在 （ 4）注油阀体的组装 将单向阀座连同限位套一起装入注油阀体中，并装入 8 钢球，再用一字型螺丝刀拧紧螺套（拧紧程度要适当，以防单向阀座变形），并把卸载阀垫装入注油阀体。 2、组装 将阀针装入阀座中，阀针端面不应露出阀座端面，并检查运动是否灵活，再转入阀套内，然后将连接螺杆拧入阀套并拧紧。用镊子将六角导向套装入阀 套内，检查六角导向套轴向运动是否灵活，应无卡阻，然后装入 8 钢球、弹簧座、安全阀弹簧，用调压工具拧紧调压螺丝。 安全阀部分装好以后，将阀套装入装配套筒中。单向阀锥型弹簧装在连接螺杆上，套上左阀筒并与装配套筒拧紧，用套筒扳手将注油阀体拧入螺杆。然后拧下装配套筒，换上右阀筒。三用阀组装完毕之后，需根据矿用单体液压支柱（ 93）中的有关规定对其进行调压和试验。安全阀的开启压力调定是用调压工具调整调压螺丝的进退来实现的。 调好安全阀应涂上 化剂 封存。 柱组装 1、组装前的准备 （ 1）用压力油洗净活柱、油缸、活塞、底座、手把体等零件，不允许零件上有铁屑和污物。 （ 2）在手把体的内表面、顶盖与柱头配合面、底座与液压缸配合面及活塞与活柱配合面涂防锈油。 （ 3）在 手把体 、底座上装入 O 型密封圈和防挤圈，注意防挤圈的位置应紧靠 密封圈的低压侧。 （ 4）把 Y 形密封圈、防挤圈和导向环安装在 油缸 上，注意导向环外径应大于 油缸 的最大外径。 2、活柱体的组装顺序 （ 1）将防尘圈和活塞导向环按次序（ 注意方向）装在手把体上。 （ 2）将手把体套入活柱体。在限位钢丝圈槽中先装上一个 O 形密封圈（作为装配工具），这样手把体上的防尘圈就能顺利通过，然后取下 O 形密封圈，将限位钢丝圈涂油装在活柱上，并测量限位钢丝圈的外径（应比油缸的外径小 上）。 （ 3）将 密封组件 装入活柱。 （ 4）把复位弹簧挂在活柱体中。 3、支柱整体组装 （ 1）将装好的活柱体装入油缸，并将手把体装好，穿上连接钢丝。 （ 2）将顶盖装入活柱体，用弹性圆柱销连接好，所有弹性圆柱销均不允许露出，其开 口应垂直于支柱的轴向方向。注意使顶盖方体轴线与柱头阀孔轴线平行。 （ 3）将复位弹簧挂在底座弹簧环上，并将底座装入油缸，穿好底座连接钢丝。 （ 4）装上三用阀，并使三用阀卸载孔轴线垂直于支柱轴线。 4、组装注意事项 （ 1）除油缸、底座等裸露表面电镀外，所有连接配合部分及活柱外圆均应涂防锈油。 （ 2）装配底座时应将防挤圈切口背向穿钢丝槽口，在打入底座时应注意避免穿钢丝槽口碰坏防挤圈。 （ 3）所有连接钢丝均打入槽口，不允许外露，并将手把体和底座的连接钢丝口用火漆或油漆 腻子封死。 （ 4）支柱组装时，不允许用铁锤敲打油缸、活塞、活柱等零件。 （ 5）组装完毕的支柱在运输过程中不允许随意摔砸。 柱的拆卸 支柱的拆卸可按装配相反的工序进行，但应注意； 1、底座的拆卸应用活柱顶出。 2、先将活柱体抽出到最大高度，再拆卸手把体，以免活塞刮坏油缸。 3、拆卸活塞时应使用卸活塞工具，用撞块冲击数次剪断 O 形密封圈可取出活塞 。 验 支柱及三用阀组装完毕后，应按 照矿用单体液压支柱（ 93）中 的有关26 规定进行试验 ，合格后方可下井。 用注意事项 1、首先 ,应根据工作面采高，选择合适的支柱规格；根据工作面顶板压力大小，确定合理的支护密度。 2、支柱必须达到出厂试验要求或维修质量标准，方可下井使用 必须经过检查复试合格 ,才能下井使用。 3、检查乳化液泵机械电气部分是否正常 ,油箱乳化液是否够用，浓度是够合适。启动乳化液泵，待泵各部运转正常，供液压力达到泵站额定工作压力时方可向工作面供液。 4、将支柱移至预定支设地点后，先用注液枪冲洗注油阀体，然后将注液枪插入三用阀中并 用锁紧套连接好。 5、支柱第一次使用前，应先升、降柱一次（最大行程），以排净缸体内空气，之后才能正常使用。 6、支设支柱时，应注意下列四点： （ 1）支柱应垂直于顶、底板，支设在金属铰接顶梁下面，并有一定的迎山角，使支柱处于垂直受力状态且不易推倒。 （ 2）三用阀的单向阀应朝采空区方向或下顺槽，以利安全回柱。 （ 3）支柱与工作面运输机械应有适当的距离，避免采煤机撞倒支柱或撞坏油缸、手把体和三用阀。 （ 4）支柱顶盖的四爪应卡在顶梁花边槽上，不允许将四爪顶在顶梁上或顶 梁接头处。支柱配合木顶梁使用或做点柱用时，应更换顶盖（换成不带爪子的柱帽）。 7、操纵注液枪向支柱内腔供液，并使支柱顶盖与金属顶梁接触，待支柱达到初撑力后，松开注液枪手把。注液枪卸载。摘下锁紧套后，轻轻敲打注液枪手把，在高压液体的作用下，注液枪便会自动推出。 8、使用中的支柱，活柱升高量已接近最小安全回柱高度时，应及时回撤，以免压死。 9、绝对禁止用锤、镐等金属物体猛力敲砸支柱任何部位，以免损坏支柱。若支柱被压成“死柱”，只能采取挑顶或卧底的方法取出，不允许爆破、锤砸或绞车拉拽。 10、支护过程中，不准以支柱手把体作为推移装置的支点，以免损坏支柱。 11、回柱时应严格遵守有关回柱安全操作规程，确保安全生产。 将卸载手把插入三用阀卸载孔中。顶板状况较好时采取近距离卸载，工作人员转动卸载手把使卸载手把呈水平位置。此时卸载阀打开，活柱下缩到可以撤出为止。 27 顶板条件较差时应采用远距离卸载，即工作人员离开支柱至安全位置，拉动卸载手把上的牵引绳使卸载手把呈水平位置，卸载阀打开，活柱下缩到可以撤出为止。 12、回撤下来的支柱，应顶盖朝上竖直靠放，不准随意横放，以免水和煤粉进入支柱内腔和腐蚀表面。井下不允许存在无三用阀的支柱。若三用阀损坏，应及时更换三用阀。 13、因工作面粉尘大，故除了替换顶盖、三用阀外，其他零部件不允许在工作面拆装。 14、支柱在运输过程中应轻装轻卸，不准随意摔砸。需要使用工作面运输机时，应先在运输机上装满煤，然后将支柱放在煤层上。机头尾应有专人护送，以免损坏支柱。 15、注液枪使用后，应挂在支柱上，不允许随意乱仍，更不允许用注液枪敲打硬物
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