毕业设计（论文）-单体液压支柱设计.doc

设计任务书内容 1. 支柱设计专题部分 设计支柱总体结构，绘制支柱的总装配图1张； 支柱主要零件设计计算 校核支柱的稳定性； 校核中心加载、偏心加载时油缸、活柱的强度； 校核底座、挡环、限位台阶的强度； 完成复位弹簧的造型设计 2. 三用阀设计 设计三用阀结构、绘制三用阀装配图； 完成主要零件设计计算； 单向阀设计计算； 卸载阀弹簧的造型设计； 安全阀弹簧的设计； 强度校核 3. 其他 绘制部分零件的零件图； 编写毕业设计计算说明书1份；计算与说明结果1. 设计参数与设计规范1.1设计参数支柱使用乳化剂10%-20%的乳化液。设计参数如下：工作载荷：25T，工作液压：318kgf/，初撑力7.85T，最大高度：2540mm，最小高度：1700mm，泵站压力：100kgf/，三用阀距顶梁距离：537mm。1.2 设计规范 单体液压支柱： 支柱在最大高度时，中心加载为额定工荷的1.5倍时，支柱不得失稳; 支柱在最大高度时，两端铰接，中心加载为额定工作载荷的1.5倍时，其危险断面上最大广义应力满足; 支柱在最大高度时，两端铰接，同侧偏心50mm。加载为支柱的额定工作载荷时，其危险断面上的最大广义应力应小于材料许用应力； 强度校核时认为有初挠度，支柱压缩至最小高度，轴向加载为额定工作载荷的两倍时，油缸压力允许保持至安全阀关闭压力，加载5分钟，各个零件不得有任何破坏欲变形； 升柱速度大于60mm/s，降柱速度大于40mm/s三用阀：单向阀开启压力。安全阀最大流量3L/min，安全阀最大流量时允许压力增高值为额定工作压力的25%；支柱升柱时间，降柱时间20s；卸载手把作用力；在压力下，卸载阀不许渗漏。目 录第 1 章 概论11.1我国煤层贮存状况11.2用途11.3适用范围21.4单体液压支柱发展概况31.4.1国内外单体液压支柱的发展趋势31.4.2使用单体液压支柱的突出优点4第 2 章 总体与主要零件设计52.1单体液压支柱工作原理、结构与方案比较52.1.1外注式单体液压支柱52.1.2内注式单体液压支柱62.2 材料的确定92.3单体液压支柱主要零件尺寸计算102.3.1 液压缸尺寸的计算102.3.2 缸盖尺寸计算112.3.3 活塞杆尺寸计算122.4.4 活塞尺寸计算及加工要求132.3.5 柱头设计162.3.6 铰接顶盖的设计16第 3 章 主要零部件强度和稳定性验算173.1 缸筒及活塞杆中心加载强度校核173.1.1 支柱稳定性校验253.2 偏心加载缸筒及活塞杆校核263.2.1偏心加载时缸筒及活塞杆强度校核263.2.2 支柱稳定性校核33第 4 章 其他零件校核和复位弹簧设计344.1复位弹簧的设计计算344.2 其他零件强度校核374.2.1 手把体挡环与限位台阶强度校核374.2.2 校核底座与活塞接触时的强度38第 5 章 三用阀的设计395.1 单向阀的设计计算405.2 卸载阀设计计算465.3安全阀弹簧设计计算57第 6 章 支柱的拆装和试验616.1三用阀的组装616.2支柱组装626.3支柱的拆卸636.4试验636.5使用注意事项646.6支柱的故障与维修656.6.1常见支柱故障及排除方法656.6.2 维修注意事项69第 7 章 其他70经济分析73结 论74致 谢75参考文献76毕业设计计算说明书 计算与说明结果第 1 章 概论1.1我国煤层贮存状况我国是煤炭资源最为丰富的国家，煤炭的储量和产量占世界第一位。煤炭已经成为我国所依赖的重要能源。我国的煤炭资源分布地域极广，煤层贮存状况也各式各样，主要有如下几个特点：1、从围岩和煤层贮存的关系上来说，我国不仅有贮存在软岩顶板下的煤层和一般顶板条件下的煤层，还有赋存在坚硬顶板条件下的煤层。坚硬顶板下煤层开采难度相当大，常常有几千平方米的悬顶出现，一旦垮落即可造成严重的事故。2、从煤层贮存的地质条件来说，由于地质条件复杂，由地壳运动而造成的被断层破坏的煤层较多。在一块煤田中，总有几条贯穿整个煤田的、大落差的断层，至于较小的断层更是层出不穷。3、从煤层自身的贮存条件上来说，在我国境内的煤层有近水平煤层，有倾斜煤层，有急倾斜煤层，还有直立倒转的煤层；不仅有相当稳定的大片煤层，也有像我国南方的“鸡窝”状贮存煤层。可以看出，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，因此，单体液压支柱在采矿工业中是非常重要的。它保障着国家财产和人员的生命安全，尤其在大倾角煤层中，更能体现它的重要性。但通用式单体液压支柱不能满足要求，所以对其顶盖进行改进采用防倒式顶盖。1.2用途外注式支柱是一种外部供液的恒阻式单体液压支柱。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。计算与说明结果1.3适用范围外注式支柱使用于下列煤层条件：1、煤层倾角大于的急倾斜回采工作面。2、煤层顶、底板条件 （1）工作阻力为245KN的支柱，底板抗压强度应为28MP以上。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。 （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。计算与说明结果1.4单体液压支柱发展概况1.4.1国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84.8%，五年左右时间内使用量增长了78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。计算与说明结果1.4.2使用单体液压支柱的突出优点 1、初撑力高一般地，初撑力可以达到710t，为摩擦式金属支柱的310倍（摩擦式金属支柱用液压升柱装置时初撑力23t，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100mm至400mm以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。计算与说明结果第 2 章 总体与主要零件设计2.1单体液压支柱工作原理、结构与方案比较2.1.1外注式单体液压支柱额定工作阻力为245294KN，目前投入生产的共12种规格。其主要特点为：工作介质乳化液由远距离的液压泵站通过橡胶管路，经专用的注液枪注入缸体。升柱靠乳化液泵站的压力供给，降柱利用活柱体的自重和复位弹簧进行。回柱时，柱内乳化液需排出柱体，每支设一根支柱需排出一次乳化液。外注式单体液压支柱的主要优点是，结构比较简单，零部件少，易于维修。支柱的关键部件是三用阀，组装于一体，拆装便利，井下一般可立即拆换。初撑力靠泵站压力获得，可靠性高。此外，由于以泵站压力来升柱，升柱速度高于手工作业的内注式液压支柱，一般要高34倍，所以能提高支柱的支设效率。外注式支柱由于靠外部供液以及零件少，使支柱自重减轻了5kg，大大降低了工人劳动强度。这种支柱的主要缺点是：工作液来自外部，要配备全套的乳化液泵站，并且从泵站到工作面一端要装设高压胶管干线，从管路干线到支柱的注液口要接通联接注液枪的高压胶管支线，形成了一套管路系统。离开了泵站和管路系统外注式液压支柱就不能单独使用。外注式液压支柱回柱时，由于必须将内腔的乳化液排放到外面，每一棵支柱回撤一次必须从柱内排放12kg的乳化液，并且不能回收复用，因而增加了成本。排出的乳化液流失在工作面底板上，还会使底板岩面（特别是泥质页岩）膨胀变软，支柱底座易插入，不能很好地发挥支护效果。计算与说明结果2.1.2内注式单体液压支柱额定工作阻力为245KN，目前投入生产的共9种规格，工作介质为乳化液。回撤支柱靠油缸中的液压油流向活柱内腔形成闭路循环。由内柱式支柱本身的手摇泵进行升柱，初撑力大小由人力操作手柄来决定。降柱则靠支柱的活柱自重进行。柱体内腔的液压是闭路循环系统，不需要外部供液。支柱活柱上升高度由柱体内贮油量的多少来决定。支柱的安全阀、单向阀、卸载阀分别装设于不同位置，不能在井下随时调换。内柱式支柱的主要优点是：由于支柱本身进行液压油循环，不需从外部供液，节省了全套的泵站及管道系统，支柱本身可以独自使用。内注式支柱的三用阀是分别装设在支柱内腔的，可以防止煤粉等外界赃物的污染，阀类的性能不易受损；内注式支柱液压系统形成闭路循环，仅需补充微量油耗，不会向柱体外部排出油液，既节约了油液，也不会浸湿底板，劳动条件也有所改善。内注式单体液压支柱的主要缺点是：支柱结构比较复杂，内腔中的零部件多，加工量与加工难度较大，维护与检修工作量大，内部零件损坏时，必须运至地面进行检修；靠手摇泵升柱，初撑力大小差异很大，不容易保证有较均匀的初撑力；人力摇动手柄的升柱速度较慢，一般地每摇一次手柄升柱形程约2030mm；自重也较大，比同类型的外注式液压支柱自重增多了35kg。两种类型支柱有不同的特点，也各有不同的优缺点，各矿区应根据自己的具体条件并结合积累的经验综合分析，根据矿井地质条件和生产工艺选用外注式单体液压支柱。计算与说明结果外注式单体液压支柱有活柱体、油缸、三用阀、顶盖、底座体、复位弹簧、手把体、活塞等主要零部件组成，其特性曲线如图2-1所示： 图2-1-11、工作介质外柱式单体液压支柱工作介质为乳化液，回柱时乳化液排至工作面采空区。2、动力来源外注式的工作介质是由设在巷道中的泵站经高压软管、注液枪等组成的管路系统供给，并由泵站保证支柱一定的初撑力。3、降柱方式 一般靠活柱的自重和复位弹簧降柱。4.缸筒结构分析缸筒结构多样通常根据缸筒与端盖的链接型式选用，而连接形式又取决于额定压力、用途和使用环境等因素。1） 法兰连接 结构简单已加工，易装卸。但质量比螺纹连接的大，但比拉杆连接的小，外径较大。计算与说明结果2） 内、外螺纹连接 重量较轻，外径较小。但端部结构复杂，装卸时要用专门的工具，拧端部时有可能把密封圈拧扭。3） 外半环连接 重量比拉杆连接轻但缸体外径要加工，半环槽消弱了缸体相应地要加厚缸壁厚度。4） 内半环连接 结构紧凑、重量轻但是安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油孔边缘擦伤。5） 拉杆连接 缸体最易加工、安装拆卸、结构通用性大但重量较重外形尺寸较大。6） 焊接 结构简单尺寸小但缸体有可能变形。7) 钢丝连接 结构简单、重量轻、尺寸小。根据以上分析并结合实际工作环境和要求单体液压支柱底部采用钢丝连接。计算与说明结果2.2 材料的确定矿用单体液压支柱对缸筒性能要求具有1.足够的强度，能长期承受最高工作压力里短期动态试验压力而不致产生永久变形。2.有足够的刚度，能承受活塞侧向力和安装的反作用力而不致产生弯曲。3.内表面在活塞密封件及导向环的摩擦力作用下能长期工作而磨损小，尺寸公差等级和形位公差等级足以保证活塞密封件的密封性。4.需要焊接的缸筒还要要求具有良好的可焊性，以便在焊接不产生裂纹和过大变形。根据以上要求可选用27SiMn作为缸筒和活塞杆材料，材料处理工艺如下：活柱：水淬，回火，HB260290。油缸：水淬，回火，HB280320。查机械零件设计手册表3-11得：27SiMn具体参数， 。材料-27SiMn计算与说明结果2.3单体液压支柱主要零件尺寸计算2.3.1 液压缸尺寸的计算根据公式取D=maxD，圆整使其符合标准值，查机械设计手册-液压传动表21-6-2，取D=100mm。由于单体液压支柱受交变载荷根据机械设计手册-液压传动表21-6-8选取安全系数n=1.5，则许用应力。根据液压工程师技术手册表3.3-42，按重载型液压缸设计得壁厚。故液压缸外径。缸筒惯性矩缸筒制造加工要求：缸筒内径D采用H8级配合，根据机械零件设计手册表2-73查得；缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度公差不大于内径公差一半；缸筒直线度公差在500mm长度上不大于0.03mm；为便于安装和不损坏密封元件缸筒内孔口应倒角。缸筒内径D=100mm壁厚缸筒外径缸筒惯性矩计算与说明结果2.3.2 缸盖尺寸计算由于缸盖受压较小可选用45号钢锻造。45号钢参数如下：、a 缸筒底盖设计 为获取较大底部表面积，采用拱形底部。其厚度设计公式如下：设底盖高度H/缸底外径=(0.20.3)，得H=（2537.5）取H=35mm。，考虑加工复位弹簧挂钩取。其中：-系数，当时，。考虑底部受压较大取2。底部圆半径。过度圆半径。初选缸筒长度b 支柱手把设计 手把是缸筒的上端盖，有对活塞杆导向的功能和安装密封件的承载体。由于手把体手侧压且受力较底盖较小。可类比设计选取壁厚为5mm。缸筒底盖与缸筒配合处的表面粗糙度及加工工艺：缸盖内孔尺寸公差一半取H8，粗糙度不低于0.8；缸盖内孔与止口外径D的圆柱度的误差不大于直径公差的一半，轴线圆跳动在直径100mm上不大于0.04mm。最大行程S=840mm。导向长度。底盖高度活塞行程导向长度计算与说明结果2.3.3 活塞杆尺寸计算矿用单体液压支柱因为搬动性强、承受压力大故在强度允许下尽可能减少重量。所以，活塞杆采用空心活塞杆设计。设计如下：因该单体液压支柱为高压设备，工作液压又不考虑单独设计导向环，故可选取活塞杆外径接近缸筒内径并且同时考虑密封元件尺寸选活塞杆外径=0.095m。考虑缸口要留限位台阶，台阶长度活塞杆内径尺寸计算：根据抗压强度设计，空心活塞杆内径。，暂取75mm。活塞杆惯性矩活塞杆制造加工要求：1.缸筒内径D采用H8级配合，表面粗糙度Ra值一般为0.160.32um，需进行研磨。2.热处理：调质，硬度241-285HB。3.缸筒内径D的圆度、锥度、圆柱度公差不大于内径公差之半（在图上注出数字）。4.缸筒直线度公差在500mm长度上不大于0.03mm。5.缸筒端面对内径的垂直度公差在直径100mm上不大于0.04mm。 尺寸和装配方式初选活塞杆长度。活塞杆内径尺寸计算：根据抗压强度设计，空心活塞杆内径。，暂取54.mm。根据已知条件验算活塞杆的弯曲稳定性，由于液压缸支撑长度大于（1015）d且受力全在轴线上，验算如下：(1)活塞杆横截面惯性矩：活塞杆制造加工要求：1.缸筒内径D采用H8级配合，表面粗糙度Ra值一般为0.160.32um，需进行研磨。2.热处理：调质，硬度241-285HB。3.缸筒内径D的圆度、圆柱度公差不大于内径公差之半（在图上注出数字）。4.缸筒直线度公差在500mm长度上不大于0.03mm。5.缸筒端面对内径的垂直度公差在直径100mm上不大于0.04mm。活塞杆外径内径活塞杆惯性矩计算与说明结果2.4.4 活塞尺寸计算及加工要求活塞是支柱的活柱体和液压缸之间密封的零件，当支柱受力时承受一定的载荷和弯矩。活塞上装有Y形密封圈、皮碗防挤圈、活塞导向环、O形密封圈、活塞防挤圈等。它通过活塞连接钢丝与活柱体相连接。活塞起活柱导向和油缸密封作用。活塞根据密封装置形式来选用其结构形式，而密封装置则按工作压力、环境、介质等条件来选定。（1）材料 活塞材料一般不同于缸筒的材料，选用45钢。（2）加工要求活塞最大的外径根据油缸内径所得，但不能完全等同与油缸内径，因为活塞要延着油缸内径进行上下往复运动，所以要小于油缸内径。活塞与活柱接触的尺寸根据活柱内径所得，其它凹槽尺寸的计算原理同手把体一样，都是根据密封结构形式来确定。活塞通常分整体式活塞和组合式活塞两类，整体式活塞在活塞圆周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞的加工带来困难，密封圈安装时也容易拉伤和扭曲。组合活塞结构多样，主要由密封形式决定。组合活塞大多数可以多次拆装密封件使用寿命长。随着耐磨的导向环的大量使用，多数密封圈与导向环联合使用，大大降低了活塞的加工成本。故，选取组合式活塞。由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此他与缸筒的配合应适当，既不能过紧也不能间隙过大。配合过紧，不仅是最低启动压力增大，降低机械效率，而且容易损坏缸筒和活塞滑动配合表面，间隙过大会引起液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求的设计性能。因此活塞外径的配合一般采用f9，外径对内孔的同轴度公差不大于0.02mm，断面与轴线的垂直度公差不大于0.04/100mm，外表面的圆度和圆柱度公差一般不大于外径公差一半，表面粗糙度视结构形式不同而异。活塞的宽度B由经验公式取，考虑活塞导向长度选B=70mm。活塞宽度计算与说明结果活塞密封沟槽设计：根据液压缸内径及资料臧克江液压缸表3-19选用Yx和O型密封圈密封具体沟槽尺寸如下图：查表得：d1=88mm，B1=18mm ，n=5，沟槽深度b=6mm,倒角C=45度。挡环厚度T=B1-H1=18-12.5=5.5mm。查机械零件设计手册表有关活塞O型密封的沟槽：一般情况下，沟槽宽度是密封圈截面直径的1.31.5倍，选择密封圈截面直径为2.65mm。由于该密封是静密封需要较大的压缩量故取大值，取4mm。深度由查资料臧克江液压缸表3-17得沟槽深度l=2.07mm。活塞设置尼龙耐磨环，具体参数如下：查耐磨环规格表得耐磨环沟槽尺寸如下：B1=105mm，W1=2.5mm，F1=8.1mm，T=7.9mm，Z=2mm，S=0.3。计算与说明结果则有缸筒和活塞杆长度： 其中：h限位台阶长度 -活塞与缸筒有效接触宽度 -底盖突台到底盖上端口距离活塞杆长度缸筒长度计算与说明结果2.3.5 柱头设计 柱头上承接顶盖下接活塞柱中部安放三用阀，柱头和活塞杆一样具有受压作用，柱头不允许用铸造方式生产的零件代替，则可根据类比设计出柱头厚度=10mm，具体尺寸见图。2.3.6 铰接顶盖的设计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。改进单体液压支柱顶盖的结构将有助于改善以上几种情况，因此，我采用了防倒式顶盖。防倒顶盖的基本结构如图所示,它由顶盖底板、楔卡、挡板组成。楔卡安装在顶盖底板导槽内。楔卡为“L”形。每只防倒顶盖内安装两只楔卡,每只楔卡有一个侧面带有斜度。防倒顶盖取代普通顶盖后,通过楔卡卡住顶梁底部的型扁钢,实现支柱与顶梁的相互联接。由于两只楔卡均带有斜度,因而安装时可以相互砸紧。回柱时,只须锤击楔卡的小端,使楔卡张开,脱离顶梁,便可按正常程序回拆支柱。防倒顶盖与顶梁联接后,限定了支柱与顶梁的支设状态。顶盖是可更换件。它通过三个弹性圆柱销与活柱体的柱头（或接长柱筒）连接在一起，将顶板岩石的压力传递到支柱上，并利用四爪与楔卡防止顶板来压时支柱滑倒失效。尺寸的计算楔卡的高度是由顶梁的厚度、宽度和煤层的角度所决定的； h=a+c+btan 式中 h楔卡的高度； a楔卡厚度； c顶梁厚度； b顶梁宽度； 煤层倾角。 其余尺寸均由自行设计而定。计算与说明结果第 3 章 主要零部件强度和稳定性验算3.1 缸筒及活塞杆中心加载强度校核根据受力状态确定油缸和活塞柱的最危险断面，画出最危险断面的断面图并确定最危险点。显然，同一加载状态下油缸和活塞的最危险断面就是最大弯矩作用面，如下图： 图3-1-1 (1) 计算系数计算初折角 其中：-活塞杆与把手配合间隙；活塞与缸筒配合间隙。 -导向长度。计算系数 初折角计算与说明结果实际弹性模量：其中：a材料组织缺陷系数；b活塞杆截面不均匀系数则有：其中-缸筒长度和活塞杆长度L最大高度；-中心载荷；材料弹性模量，查有关资料MPa。I-惯性矩中心加载所以有=0.092则有：；=0.452=0.617；=0.892则有：； 实际弹性模量计算与说明结果结果如下表3-1：表3-1项目数据0.44/m0.56/m0.4520.6170.7870.892项目gAC数据0.0920.0720.04160.4640.1550.09（2）缸筒及活塞杆弯矩活塞杆最大弯矩处为所以，最大弯矩油缸最大弯矩处为：所以，最大弯矩（3）油缸、活塞杆最危险断面上危险点诸应力计算校核a.缸筒危险断面点应力计算断面系数活塞杆弯矩缸筒弯矩计算与说明结果 图3-1-2如图3-1，假设5、7受拉，6、8受压，则有：计算与说明结果c 活塞杆危险断面应力计算断面系数如图3-1，假设1、3受拉，2、4受压，则有：计算与说明结果计算结果见下表表3-2 单位 MPa应力项危险点编号12345678-306.3226.1-65.4-14.8-12.112.08-151151-31.164-31.16400-31.164-31.16400134.3134.3103.1103.1142142110.8110.8计算缸筒和活塞杆各点的广义应力：1点广义应力2点广义应力3点广义应力4点广义应力计算与说明结果5点广义应力6点广义应力7点广义应力8点广义应力按危险点求各点比值，分别求得比值为：K； ，分别算出各点的比值如下，并填入下表=2.2、3.76、5.8、7.6、5.2、5.4、3.7、6.3中心加载油缸活塞杆各危险点广义应力与比值K的数据列表 项目编号K1385.52.22225.823.763147.055.84111.247.65164.55.2计算与说明结果6156.15.47227.63.78135.456.3c 缸筒和活塞杆强度校核根据公式校核缸筒强度。其中：-相应壁厚 k强度系数（无缝钢管k=1） -工作介质压力 c加工误差及侵蚀附加厚度，常取c=1.5mm。缸筒应力为：活塞杆应力计算如下：安全系数大于1则符合强度要求，则：，。所以，缸筒和活塞杆强度符合要求。计算与说明结果3.1.1 支柱稳定性校验计算临界力按设计手册公式：K末端系数查液压工程师技术手册表3.3-40得K=1。则缸筒 活塞杆 故：单体液压支柱不会失稳，符合设计要求。缸筒临界力活塞杆临界力力计算与说明结果3.2 偏心加载缸筒及活塞杆校核3.2.1偏心加载时缸筒及活塞杆强度校核偏心距则有：；结果如下表3-1： 表3-1项目数据0.5570.4520.6170.7870.892项目gAC数据0.1190.0890.0590.460.190.128（2）缸筒及活塞杆弯矩活塞杆最大弯矩处为计算与说明结果所以，最大弯矩油缸最大弯矩处为：所以，最大弯矩弯矩图如下图：图3-2-1计算与说明结果（3）油缸、活塞杆最危险断面上危险点诸应力计算校核a.缸筒危险断面点应力计算断面系数如图3-1，假设5、7受拉，6、8受压，则有：b.活塞杆危险断面应力计算断面系数如图3-1，假设1、3受拉，2、4受压，则有：缸筒断面系数活塞杆断面系数计算与说明结果计算结果见下表表3-2 单位 MPa应力项危险点编号12345678-718.2638-104.52-24.32-16.6816.68-221221-31.164-31.16400-31.164-31.16400134.28134.28103.12103.12141.97141.97110.81110.81计算缸筒和活塞杆各点的广义应力：1点广义应力计算与说明结果2点广义应力3点广义应力4点广义应力5点广义应力6点广义应力7点广义应力计算与说明结果8点广义应力按危险点求各点比值，分别求得比值为：K； ，分别算出各点的比值如下，并填入下表=1.08、1.41、4.72、7.25、5.11、5.5、3.25、6.1中心加载油缸活塞杆各危险点广义应力与比值K的数据列表 项目编号K1782.841.082603.71.413179.84.724117.27.255166.45.116154.86 5.57261.743.258139.756.1c 缸筒和活塞杆强度校核根据公式校核缸筒强度。其中：-相应壁厚 k强度系数（无缝钢管k=1） -工作介质压力 c加工误差及侵蚀附加厚度，常取c=1.5mm。计算与说明结果缸筒应力为：活塞杆应力计算如下：安全系数大于1则符合强度要求，则：，。所以，缸筒和活塞杆强度符合要求。计算与说明结果3.2.2 支柱稳定性校核计算临界力按设计手册公式：K末端系数查液压工程师技术手册表3.3-40得K=1。则缸筒 活塞杆 故：单体液压支柱不会失稳，符合设计要求。缸筒临界力活塞杆临界力计算与说明结果第 4 章 其他零件校核和复位弹簧设计4.1复位弹簧的设计计算根据弹簧的作用确定弹簧的基本参数：弹簧的类型：选用三类弹簧弹簧的安装高度：根据结构尺寸安装高度是1150mm。弹簧的行程：s=840mm；预拉伸量为30mm。负荷类型：三类制造精度：2级无初应力弹簧最大工作负荷：预定580N材料：弹簧钢丝组。根据最大负荷查机械设计手册可选用弹簧有三种，见下表表4-1序号参数备注dDq142566.72.4127.7660.0065为无初应力弹簧242860.63.2718.675.40.0074355061.28.926.881410.022（1）根据最大载荷与弹簧的最大变形量计算弹簧刚度1号：2号：3号：计算与说明结果（2）根据计算所得的弹簧刚度与查表所得刚度计算出弹簧工作圈数，圆整取360圈。，圆整取267圈。，圆整取99圈。当n=351时，弹簧自由高度，所以，该弹簧不符合要求。当n=258时，弹簧自由高度；所以，该弹簧符合要求，可用。当n=94时，弹簧自由高度；所以，该弹簧不符合要求。通过对三种弹簧的对比，选用2号弹簧。（3）根据机械设计手册确定该弹簧其他尺寸。钢丝直径：d=4mm弹簧中径：弹簧内径：有效工作圈数：n=267节距：t=d=4mm复位弹簧钢丝直径内径有效工作圈数计算与说明结果自由高度： 工作高度：最大负荷下的高度：最大负荷：最小负荷下高度：最小负荷：弹簧的展开长度：自由高度计算与说明结果4.2 其他零件强度校核4.2.1 手把体挡环与限位台阶强度校核限位台阶与挡环接触面积A计算接触应力计算安全系数所以，手把体强度满足要求。限位台阶与挡环接触应力计算与说明结果4.2.2 校核底座与活塞接触时的强度活塞与底座接触面积油缸内孔总面积确定液体反力其中：-安全阀的关闭压力；-工作液压活塞与底座的接触应力-为工作载荷的2倍计算接触应力安全系数所以，底座与活塞接触强度满足要求。由以上验算可得以下结论：整个支柱的稳定性强度以及该单体液压支柱附属零件强度满足设计要求。接触应力计算与说明结果第 5 章 三用阀的设计三用阀是单体液压支柱的核心部分，支柱的升柱降柱及安全阀的保护都是有三用阀来实现的。所以，对于三用阀的设计尤其重要。三用阀的设计包括两部分的内容：一为结构设计；一为主要零件设计计算。结构设计可参照目前单体液压支柱使用的三用阀设计。设计依据：单向阀开启压力；安全阀最大流量3L/min，安全阀最大流量时允许压力增高值为额定工作压力的25%；支柱升柱时间；降柱时间20s；卸载手把作用力；卸载手把作用力20kg,在压力下，卸载阀不许渗漏。计算与说明结果5.1 单向阀的设计计算单向阀可选锥阀也可选球阀，由于球阀结构简单。下图为单向阀简图，其主要有阀座、钢球和弹簧组成。图5-11、左阀筒 2、注油体 3、钢球 4、单向阀垫 5、连接螺杆阀前孔直径由设计参数知泵站工作压力为,由此可估算流速，取。支柱升到最大高度时所需要的液体体积注液时的流量圆整取5mm。其中：-流速 -升柱时间单向阀直径计算与说明结果钢球直径钢球直径可按经验公式计算得。查机械手册选取标准钢球直径。钢球的位移量为满足升柱时间的要求，阀缝通流面积应与阀前孔面积相等则有：其中：-钢球离开阀座环形间隙直径 -环形间隙宽度由上式可得：设阀座锥角为，则钢球位移量钢球移动最大的位移量故：钢球设计符合要求。钢珠直径钢球最大位移量计算与说明结果为了保证钢球最大位移量，对压紧螺帽限位孔径的确定，如下图所示：图5-2在中 计算与说明结果在与因为所以 所以: 所以：出液孔直径，圆整取5mm。（4）单向阀弹簧可用圆柱形弹簧，也可用圆锥形弹簧的稳定性较好，灵敏度高，所以该单体液压支柱选用圆锥形弹簧已知条件：钢球最大位移量=2.5mm 单向阀开启压力实际上单向阀弹簧仅起支撑和度位作用，在满足上述条件下，可根据阀的具体结构进行选型计算。（1） 根据具体结构确定锥形弹簧的最大半径，最小中选用碳素弹簧钢丝，钢丝直径（弹簧素材在0.8-1.5中选取，根据弹簧算直径，弹簧强度极限，切弹簧模量 ，有效工作圈数可在4.5.6.7中选取）钢球最大位移量锥形弹簧最大半径最小半径计算与说明结果（3）校核计算弹簧的压缩量阀开启时作用在钢球上的总压力P P= = =3.18kg = = =2.49安装时压缩量不得大于2.49mm即：取压缩量为2mm1.弹簧最大位移时所受力p p= 其中 p= =5.8kg弹簧不发生触合时承受的最大作用力p及相应的变形量。 p= = =6.224kg弹簧压缩量弹簧最大位移时受力最大作用力计算与说明结果 =（ = =4.8mm由上可知：p p 即所以：压紧螺帽起到了防止弹簧压叠的作用。弹簧的最小载荷 = = =2