液压支架系统与立柱设计
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前连杆A2.dwg
外文翻译--掩护式液压支架.doc
液压支架系统与立柱设计论文.doc
液压系统图A3.dwg
立柱A1.dwg
装配图A0.dwg
顶梁A1.dwg
目录
1 绪论1
1.1 液压支架的用途1
1.2液压支架的工作原理1
1.3 设计事项2
1.3.1 设计目的2
1.3.2 对液压支架的基本要求3
1.3.3 设计液压支架必需的基本参数3
1.4 液压支架的分类4
1.5 液压支架的组成5
1.6 液压支架的主要结构件及其用途5
1.6.1 顶梁5
1.6.2 底座5
1.6.3 掩护梁5
1.6.4 活动侧护板6
1.6.5 连杆6
1.7 液压支架的液压系统6
1.7.1 液压支架传动系统的基本要求6
1.7.2 液压支架的液压传动特点7
1.8 液压支架的选型7
2 液压支架的结构设计9
2.1 液压支架的主要尺寸的确定9
2.1.1 支架高度和伸缩比9
2.1.2 支架间距9
2.1.3 底座长度10
2.1.4 顶梁长度的确定10
2.1.5 立柱布置12
2.2 各部件结构选择13
2.2.1 顶梁13
2.2.2 底座14
2.2.3 立柱15
2.2.4 推移装置16
推移装置的型式如表2.1所示17
2.2.5 护帮千斤顶19
2.2.6掩护梁19
2.2.7前、后连杆20
2.3 四连杆结构20
2.3.1 四连杆机构的作用20
2.3.2 四连杆机构设计的要求21
2.3.3 四连杆机构的设计21
2.4液压支架的主要技术参数30
3 液压系统33
3.1 立柱和千斤顶33
3.2 支架液压阀34
3.2.1 液控单向阀34
3.2.2 安全阀34
3.2.3 操纵阀35
3.2.4 液压支架液压阀的密封技术分析35
3.3 液压支架液压原理图36
3.4 液压支架的控制方式37
3.4.1 手动控制37
3.4.2 自动控制38
3.5 液压系统安装、调试、保养38
3.5.1 安装:38
3.5.2 调试:45
3.5.3 保养:46
4液压支架的立柱参数确定48
4.1 液压支架的支护性能与外载荷48
4.2 液压支架基本技术参数的确定49
4.2.1支护面积49
4.2.2支护强度49
4.2.3 确定立柱的技术参数49
4.2.4立柱的初撑力50
5液压支架的发展趋势52
结 论54
致 谢56
在采煤工作面的煤炭生产过程中,为了防止顶板冒落,维持一定的工作空间,保证工人安全和各项作业正常进行,必须对顶板进行支护。而液压支架是一高压液体作为动力,由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备,它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备,它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此,液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠,是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。
1.2液压支架的工作原理
液压支架在工作过程中,必须具备升、降、推、移四个基本动作,这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的几个液压缸来完成的。如图1.1所示
1.升柱
当需要支架上升支护顶板时,高压乳化液进入立柱的活塞腔,另一腔回来,推动活塞上升,使与活塞杆连接的顶梁紧紧接触顶板。
2.降柱
当需要降柱时,高压液进入立柱的活塞杆腔,另一腔回液,迫使活塞杆下降,于是顶梁脱离顶板。
3.支架和输送机前移
支架和输送机的前移,都是由于底座上的推移千斤顶来完成的。当需要支架前移时,先降柱卸载,然后高压液进入推移千斤顶的活塞杆腔,另一腔回液,以输送机为支点,缸体前移,把整个支架拉向煤壁;当需要输送机时,支架支撑顶板后,高压液体进入推移千斤顶活塞腔,另一腔回液,以支架为支点,使活塞杆伸出,把输送机推向煤壁。 采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必由之路。为了满足对煤炭日益增长的需求,必须大量生产综合机械化采煤设备,迅速增加综合机械化采煤工作面(简称综采工作面)。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架,可见对液压支架的需求量是很大的。
由于不同采煤工作面的顶板条件、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。为了有效地支护和控制顶板,必须设计出不同类型和不同结构尺寸液压支架。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,因此其设计工作量也是大的,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。
1.3.2 对液压支架的基本要求
1.为了满足采煤工艺及地质条件的要求,液压支架要有足够的初撑力和工作阻力,以便有效的控制顶板,保证合理的下沉量。
2.液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为100kN左右;移架力按煤层厚度而定,薄煤层一般为100kN~150kN,中厚煤层一般为150kN至250kN,厚煤层一般为300kN~400kN。
3.防矸性能要好。
4.排矸性能要好。
5.要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面,从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。
6.为了操作和生产的需要,要有足够宽的人行道。
7.调高范围要大,照明和通讯方便。
8.支架的稳定性要好,底座最大比压要小于规定值。
9.要求支架有足够的刚度,能够承受一定的不均匀载荷。
10.在满足强度条件下,尽可能减轻支架的重量。
11.要易于拆卸,结构简单。
12.液压元件要可靠。
1.3.3 设计液压支架必需的基本参数
1.顶板条件
根据老顶和直接顶的分类,对支架进行选型。
2.最大和最小采高
根据最大和最小采高,确定支架的最大和最小高度,以及支架的支护强度。
3.瓦斯等级
根据瓦斯等级,按保安规程规定,验算通风断面。
4.底板岩性和小时涌水量
根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。
5.工作面煤壁条件
根据工作面煤壁条件,决定是否用护帮装置。
6.煤层倾角
根据煤层倾角,决定是够选用防滑防倒装置。
7.井筒罐笼尺寸
根据井筒罐笼尺寸,考虑支架的运输外形尺寸。
8.配套尺寸
根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。
1.4 液压支架的分类
液压支架按结构形式划分,可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。
1.支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是:立柱多,支撑力大,切顶性能好;顶梁长,通风断面大,适用于中等稳定以上的顶板。
支撑式支架有垛式和节式之分。
(1)节式
节式支架由2~4个框架组成,用导向机构互相联系,交替前进,
(2)垛式
整个支架为一整体结构,整体移动,通常有4~6根立柱,可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。
2.掩护式支架
掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板,利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是:立柱少,切顶能力弱;顶梁短,控顶距小;由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强,立柱不受横向力;而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线,梁端距变化小;架间通过侧护板密封,掩护性能好;调高范围大,适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。
3.支撑掩护式支架
支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁,它兼有切顶性能和防护作用,适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。
根据使用条件,支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾,倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。
1.5 液压支架的组成
液压支架由以下六个主要部分组成:
顶梁
立柱
掩护梁和挡矸帘
底座
推移机构
操纵控制系统
1.6 液压支架的主要结构件及其用途
1.6.1 顶梁
用途:
1.用于支撑维护控顶区的顶板。
2.承受顶板的压力。
3.将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。
1.6.2 底座
用途:
1.为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础。
2.与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构。
3.将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。
1.6.3 掩护梁
用途:
1.掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座。
2.掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩。
3.掩护梁和顶梁(包括活动侧护板)一起 ,构成了支架完善的支撑和掩护体,完善了支架的掩护和挡矸能力。 液压支架的液压传动,与其他机械的容积式液压传动有很大的区别,其特点如下:
工作液的压力高(管路内的压力达20~40MPa,立柱内的压力达30~70MPa),流量大(30~150l/min);
在液压系统中,采用粘度低和容量大的液体为工作介质;
液压缸、操纵阀,其他调节和控制装置等总的数量大(高压泵1~6台,液压缸300~1500个,安全阀150~300个,还有同样数量的液控单向阀);
很长的液压管路(200~300m刚性管,500~3000m高压软管);
泵——液压缸传动系统的换算弹性模数较低;
根据支架的数目改变液流的参数;
所有支架在结构上都有着相同的液压缸、液压装置以及他们之间都有相同的连接方式(相同的液压系统);
每节支架都重复着相同的工序,这些工序的总和构成液压支架的基本工序;
为了保证系统具有较高的容积效率,实现无故障作业以及工作人员的安全,液压系统的元件和部件要有好的密封性和可靠性。
这些基本特点决定了液压传动元件以及整个系统在结构上的特点,即:
液压支架是以单节支架为单元的,这就决定了液压系统的构成,即工作面支架和端头支架的液压系统成为液压支架的基本组成部分。此外,可以把泵站、中心控制台和支架的液压管路等部分作为支架的公用液压系统。其中每个部分都具有其独立的功能,在改善液压传动或者制定新的方案时,一般都可以单独的加以研究。
1.8 液压支架的选型
液压支架的选型原则:
液压支架的选型,其根本目的是使综采设备适应矿井和工作面条件,投产后能做到高产,高效、安全,并为矿井的集中生产、优化管理和最佳经济效益提供条件,因此必须根据矿井的煤层、地质、技术和设备条进行选择。
液压支架架型的选择首先要适合于顶板条件。
当煤层厚度超过1.5m,顶板有侧向推力或水平推力时,应选用抗扭能力强的支架,一般不宜选用支撑式支架。
当煤层厚度达到2.5~2.8m以上时,需要选择有护帮装置的掩护式或支撑掩护式支架。煤层厚度变化大时,应选择调高范围较大的掩护式或双伸缩立柱的支架。
应使支架对底板的比压不超过底板允许的抗压强度。在底板较软条件下,应选用有抬底装置的支架或插腿掩护式支架。
煤层倾角<10°时,支架可不设防倒防滑装置;15°~25°时,排头支架应设防滑装置,工作面中部输送机设防滑装置;>25°时,排头支架应设防倒防滑装置,工作面中部支架设底调千斤顶,工作面中部输送机设防滑装置。
对瓦斯涌出量大的工作面,应符合保安规程的要求,并优先选用通风断面大的支撑式或支撑掩护式支架。
当煤层为软煤时,支架最大采高一般≤2.5m;中硬煤时,支架最大采高一般≤3.5m;硬煤时,支架最大采高<5m。
在同时允许选用几种架型时,应优先选用价格便宜的支架。
断层十分发育,煤层变化大,顶板的允许暴露面积在5~8m2,时间在20min以上时,暂不宜采用综采。 三、安装前的技术准备工作
液压系统在安装前,应按照有关技术资料做好各项准备工作。
1、 技术资料的准备与熟悉
液压系统原理图、电气原理图、管道布置图、液压元件、辅件、管件清单和有关元件样本等,这些资料都应准备齐全,以便工程技术人员对具体内容和技术要求逐项熟悉和研究。
2、 物资准备
按照液压系统图和液压件清单,核对液压件的数量,确认所有液压元件的质量状况。尤其要严格检查压力表的质量,查明压力表交验日期,对检验时间过长的压力表要重新进行校验,确保准确可靠。
3、 质量检查
液压元件在运输或库存过程中极易被污染和锈蚀,库存时间过长会使液压元件中的密封件老化而丧失密封性,有些液压元件由于加工及装配质量不良使性能不可*,所以必须对元件进行严格的质量检查。
A) 液压元件质量检查
1、各类液压元件型号必须与元件清单一致
2、要查明液压元件保管时间是否过长,或保管环境不合要求,应注意液压元件内部密封件老化程度,必要时要进行拆洗、更换、并进行性能测试。
3、每个液压元件上的调整螺钉、调节手轮、锁紧螺母等都要完整无损。
4、液压元件所附带的密封件表面质量应符合要求、否则应予更换。
5、板式连接元件连接平面不准有缺陷。安装密封件的沟槽尺寸加工精度要符合有关标准。
6、管式连接元件的连接螺纹口不准有破损和活扣现象。
7、板式阀安装底板的连接平面不准有凹凸不平缺陷,连接螺纹不准有破损和活扣现象。
8、将通油口堵塞取下,检查元件内部是否清洁。
9、检查电磁阀中的电磁铁芯及外表质量,若有异常不准使用。
10、各液压元件上的附件必须齐全。
B) 液压辅件质量检查
1、油箱要达到规定的质量要求。油箱上附件必须齐全。箱内部不准有锈蚀,装油前油箱内部一定要清洗干净。
2、所领用的滤油器型号规格与设计要求必须一致,确认滤芯精度等级,滤芯不得有缺陷,连接螺口不准有破损,所带附件必须齐全。
3、各种密封件外观质量要符合要求,并查明所领密封件保管期限。有异常或保管期限过长的密封件不准使用。
4、蓄能器质量要符合要求,所带附件要齐全。查明保管期限,对存放过长的蓄能器要严格检查质量,不符合技术指标和使用要求的蓄能器不准使用。
5、空气滤清器用于过滤空气中的粉尘,通气阻力不能太大,保证箱内压力为大气压。所以空气滤清器要有足够大的通过空气的能力。
C) 管子和接头质量检查
a) 管子的材料、通径、壁厚和接头的型号规格及加工质量都要符合设计要求。
b) 所用管子不准有缺陷。有下列异常,不准使用:
1、管子内、外壁表面已腐蚀或有显著变色。
2、管子表面伤口裂痕深度为管子壁厚的10%以上。
3、管子壁内有小孔。
4、管子表面凹入程度达到管子直径的10%以上。
c) 使用弯曲的管子时,有下列异常不准使用:
1、管子弯曲部位内、外壁表面曲线不规则或有锯齿形。
2、管子弯曲部位其椭圆度大于10%以上。
3、扁平弯曲部位的最小外径为原管子外径的70%以下。
d) 所用接头不准有缺陷。若有下列异常,不准使用:
1、接头体或螺母的螺纹有伤痕、毛刺或断扣等现象。
2、接头体各结合面加工精度未达到技术要求。
3、接头体与螺母配合不良,有松动或卡涩现象。
4、安装密封圈的沟槽尺寸和加工精度未达到规定的技术要求。
e) 软管和接头有下列缺陷的不准使用:
1、软管表面有伤皮或老化现象。
2、接头体有锈蚀现象。
3、螺纹有伤痕、毛刺、断扣和配合有松动、卡涩现象。
f) 法兰件有下列缺陷不准使用:
1、法兰密封面有气孔、裂缝、毛刺、径向沟槽。
2、法兰密封沟槽尺寸、加工精度不符合设计要求。
3、法兰上的密封金属垫片不准有各种缺陷。材料硬度应低于法兰硬度。
四、液压管道的安装要求
液压管道安装是液压设备安装的一项主要工程。管道安装质量的好坏是关系到液压系统工作性能是否正常的关键之一。
1、布管设计和配管时都应先根据液压原理图,对所需连接的组件、液压元件、管接头、法兰作一个通盘的考虑。
2、管道的敷设排列和走向应整齐一致,层次分明。尽量采用水平或垂直布管,水平管道的不平行度应≤2/1000;垂直管道的不垂直度应≤2/400。用水平仪检测。
3、平行或交叉的管系之间,应有10mm以上的空隙。
4、管道的配置必须使管道、液压阀和其它元件装卸、维修方便。系统中任何一段管道或元件应尽量能自由拆装而不影响其它元件。
5、配管时必须使管道有一定的刚性和抗振动能力。应适当配置管道支架和管夹。弯曲的管子应在起弯点附近设支架或管夹。管道不得与支架或管夹直接焊接。
6、管道的重量不应由阀、泵及其它液压元件和辅件承受;也不应由管道支承较重的元件重量。
7、较长的管道必须考虑有效措施以防止温度变化使管子伸缩而引起的应力。
8、使用的管道材质必须有明确的原始依据材料,对于材质不明的管子不允许使用。
9、液压系统管子直径在50mm以下的可用砂轮切割机切割。直径50mm以上的管子一般应采用机械加工方法切割。如用气割,则必须用机械加工方法车去因气割形成的组织变化部分,同时可车出焊接坡口。除回油管外,压力由管道不允许用滚轮式挤压切割器切割。管子切割表面必须平整,去除毛刺、氧化皮、熔渣等。切口表面与管子轴线应垂直。
10、一条管路由多段管段与配套件组成时应依次逐段接管,完成一段,组装后,再配置其后一段,以避免一次焊完产生累积误差。
11、为了减少局部压力损失,管道各段应避免断面的局部急剧扩大或缩小以及急剧弯曲。
12、与管接头或法兰连接的管子必须是一段直管,即这段管子的轴心线应与管接头、法兰的轴心是平行、重合。此直线段长度要大于或等于2倍管径。
13、外径小于30mm的管子可采用冷弯法。管子外径在30~50mm时可采用冷弯或热弯法。管子外径大于50mm时,一般采用热弯法。
14、焊接液压管道的焊工应持有有效的高压管道焊接合格证。
15、焊接工艺的选择:乙炔气焊主要用于一般碳钢管壁厚度小于等于2mm的管子。电弧焊主要用于碳钢管壁厚大于2mm的管子。管子的焊接最好用氩弧焊。对壁厚大于5mm的管子应采用氩弧焊打底,电弧焊填充。必要的场合应采用管孔内充保护气体方法焊接。
16、焊条、焊剂应与所焊管材相匹配,其牌号必须有明确的依据资料,有产品合格证,且在有效使用期内。焊条、焊剂在使用前应按其产品说明书规定烘干,并在使用过程中保持干燥,在当天使用。焊条药皮应无脱落和显著裂纹。
17、液压管道焊接都应采用对接焊。焊接前应将坡口及其附近宽10~20mm处表面脏物、油迹、水份和锈斑等清除干净。
18、管道与法兰的焊接应采用对接焊法兰,不可采用插入式法兰。
19、管道与管接头的焊接应采用对接焊,不可采用插入式的形式。
20、管道与管道的焊接应采用对接焊,不允许用插入式的焊接形式。
21、液压管道采用对接焊时,焊缝内壁必须比管道高出0.3~0.5mm。不允许出现凹入内壁的现象。在焊完后,再用锉或手提砂轮把内壁中高出的焊缝修平。去除焊渣、毛刺,达到光洁程度。
22、对接焊焊缝的截面应与管子中心线垂直。
23、焊缝截面不允许在转角处,也应避免在管道的两个弯管之间。
24、在焊接配管时,必须先按安装位置点焊定位,再拆下来焊接,焊后再组装上整形。
25、在焊接全过程中,应防止风、雨、雪的侵袭。管道焊接后,对壁厚小于等于5mm的焊缝,应在室温下自然冷却,不得用强风或淋水强迫冷却。
26、焊缝应焊透,外表应均匀平整。压力管道的焊缝应抽样探伤检查。
27、管道配管焊接以后,所有管道都应按所处位置预安装一次。将各液压元件、阀块、阀架、泵站连接起来。各接口应自然贴和、对中,不能强扭连接。当松开管接头或法兰螺钉时,相对结合面中心线不许有较大的错位、离缝或跷角。如发生此种情况可用火烤整形消除。
28、可以在全部配管完毕后将管夹与机架焊牢,也可以按需求进行。
29、管道在配管、焊接、预安装后,再次拆开进行酸洗磷化处理。经酸洗磷化后的管道,向管道内通入热空气进行快速干燥。干燥后,如在几日就复装成系统、管内通入液压油,一般可不作防锈处理,但应妥善保管。如须长期搁置,需要涂防锈涂料,则必须在磷化处理48小时后才能涂装。应注意,防锈涂料必须能与以后管道清洗时的清洗液或使用的液压油相容。
30、管道在酸洗、磷化、干燥后再次安装起来以前,需对每一根管道内壁先进行一次预清洗。预清洗完毕后应尽早复装成系统,进行系统的整体循环净化处理,直至达到系统设计要求的清洁度等级。
31、软管的应用只限于以下场合:
――设备可动元件之间
――便于替换件的更换处
――抑制机械振动或噪声的传递处
32、软管的安装一定要注意不药使软管和接头造成附加的受力、扭曲、急剧弯曲、磨擦等不良工况。
33、软管在装入系统前,也应将内腔及接头清洗干净。
五、液压件安装要求
1、 泵的安装
1)在安装时,油泵、电动机、支架、底座各元件相互结合面上必须无锈、无凸出斑点和油漆层。在这些结合面上应涂一薄层防锈油。
2)安装液压泵、支架和电动机时,泵与电动机两轴之间的同轴度允差,平行度允差应符合规定,或者不大于泵与电动机之间联轴器制造商推荐的同轴度、平行度要求。
3)直角支架安装时,泵支架的支口中心高,允许比电动机的中心高略高0~0.8mm,这样在安装时,调整泵与电动机的同轴度时,可只垫高电动机的底面。允许在电动机与底座的接触面之间垫入图样未规定的金属垫片(垫片数量不得超过3个,总厚度不大于0.8mm)。一旦调整好后,电动机一般不再拆动。必要时只拆动泵支架,而泵支架应有定位销定位。
4)调整完毕后,在泵支架与底板之间钻、铰定位销孔。再装入联轴器的弹性耦合件。然后用手转动联轴器,此时,电动机、泵和联轴器都应能轻松、平滑地转动,无异常声响。
2、 集成块的安装
1)阀块所有各油流通道内,尤其是空与孔贯穿交叉处,都必须仔细去净毛刺,用探灯伸入到孔中仔细清除、检查。阀块外周及各周棱边必须倒角去毛刺。加工完毕的阀块与液压阀、管接头、法兰相贴合的平面上不得留有伤痕,也不得留有划线的痕迹。
2)阀块加工完毕后必须用防锈清洗液反复用加压清洗。各孔流道,尤其是对盲孔应特别注意洗净。清洗槽应分粗洗和精洗。清洗后的阀块,如暂不装配,应立即将各孔口盖住,可用大幅的胶纸封在孔口上。
3)往阀块上安装液压阀时,要核对它们的型号、规格。各阀都必须有产品合格证,并确认其清洁度合格。
4)核对所有密封件的规格、型号、材质及出厂日期(应在使用期内)。
5)装配前再一次检查阀块上所有的孔道是否与设计图一致、正确。
6)检查所用的连接螺栓的材质及强度是否达到设计要求以及液压件生产厂规定的要求。阀块上各液压阀的连接螺栓都必须用测力扳手拧紧。拧紧力矩应符合液压阀制造厂的规定。
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