机械毕业设计（论文）-自移式巷道临时超前支护装置设计【全套图纸】.doc

河南理工大学2012届毕业设计说明书（本科）摘 要为了解决工人在空顶状态进行支护带来的支护量大、工作效率低、工作环境不安全等问题，有必要设计一套超前支护装置来改善该状况。本课题设计了一种自移式巷道临时超前支护装置，包括前探梁、夹具装置和动力驱动装置等。运用科学的计算方法设计各部分的尺寸和机构，运用PRO/E、CAXA等绘图软件进行结构设计和优化设计。所述前探梁后端连接有动力驱动装置，动力驱动装置由液压缸和止推梁组成，前探梁和动力驱动装置上设有支撑固定装置。本设计可便捷实现巷道临时超前支护，且结构简单、成本低廉、安装和维修方便，可减轻工人劳动强度，保障人员和设备安全，能为矿山企业创造良好的生产效益和社会效益。关键词: 巷道、临时、超前支护 全套图纸，加153893706AbstractIn order to solve the problems of workers in the empty top state support the supporting capacity, low work efficiency, work in an unsafe environment and other issues, it is necessary to design a set of advance support device to improve the situation.This project designed a self-Portable roadway temporary advance support devices, including the former probe beam, fixtures and power-driven devices. Use the scientific method of calculating the design of various parts of the size and agencies, PRO / E, of CAXA mapping software for simulation and optimization of structural design. The probe beam back-end connections have an incentive to drive as described before, the power-driven devices push beam composed by a hydraulic cylinder and stop before the probe beam and power-driven devices with support fixtures. This design can be convenient to achieve the roadway temporary advance support, and a simple structure, low cost, convenient installation and maintenance, reduce labor intensity, to protect personnel and equipment safety for mining enterprises to create a good production and social benefits.Keywords: roadway, advance support目 录前 言- 1 -1 绪论- 2 -1.1 选择该题目的目的和意义- 2 -1.2 煤矿掘进巷道顶板事故的危害和特点- 2 -1.3临时支护的几种形式- 2 -1.4 顶板事故发生的主要原因与防治措施- 3 -1.4.1 顶板事故发生的主要原因- 3 -1.4.2顶板事故发生的预防措施- 3 -1.5 超前临时支护装置的研究现状- 4 -1.6 巷道临时超前支护装置的组成与工作原理- 5 -2 前探梁的设计- 7 -2.1 前探梁的尺寸选定与结构设计- 7 -2.2 前探梁的结构设计- 8 -3 支撑固定装置的设计- 9 -3.1 支撑固定装置的作用- 9 -3.2 支撑固定装置的组成、结构设计与工作原理- 9 -3.3 支撑固定装置各组成件材料的选择和具体尺寸计算- 12 -3.3.1 卡具相关尺寸的计算- 13 -3.3.2 底板的相关尺寸的计算- 14 -3.3.3 斜楔的相关尺寸的计算- 15 -3.3.4 弹簧的选择- 15 -4 液压缸主要零部件的设计与计算- 19 -4.1 液压缸的作用与设计注意事项- 19 -4.2 液压缸的分类与选择- 20 -4.2.1 液压缸的分类- 20 -4.2.2液压缸类型的选择- 20 -4.3 缸筒的设计与计算- 21 -4.3.1 缸筒的结构- 21 -4.3.2 缸筒材料- 21 -4.3.3 对缸筒的要求- 22 -4.3.4 缸筒计算- 22 -4.3.5缸筒底部的厚度- 26 -4.3.6 缸筒头部法兰盘厚度与法兰盘的连接强度计算- 27 -4.3.7 液压缸工作行程的确定- 30 -4.3.8 液压缸最小导向长度的确定- 30 -4.3.9 缸体长度的确定- 31 -4.4 活塞- 31 -4.4.1 活塞结构型式- 31 -4.4.2 活塞与活塞杆的连接- 32 -4.4.3 活塞的密封- 32 -4.4.4 活塞材料- 33 -4.4.5 活塞尺寸及加工公差- 33 -4.5 活塞杆- 34 -4.5.1 活塞杆结构- 34 -4.5.2 活塞杆的材料和技术要求- 35 -4.5.3 活塞杆的计算- 36 -4.6 液压缸的缓冲装置- 42 -4.7 液压缸的排气装置- 43 -4.8 油口- 43 -5 止推梁的设计- 44 -总 结- 46 -致 谢- 47 -参考文献- 47 - 6 -前 言毕业设计是大学本科教育培养目标实现的重要阶段，是毕业前的综合学习阶段,是深化、拓宽、综合教和学的重要过程,是对大学期间所学专业知识的全面总结。我的毕业设计题目为自移式巷道临时超前支护装置设计，在毕业设计前期，我温习了结构力学、材料力学、实用机械图册、Pro/ENGINEER Wildfire等知识。在毕业设计中期，我们通过所学的基本理论、专业知识和基本技能，以及请教指导老师和同学进行结构设计。在毕业设计后期，主要进行设计手稿的电子排版整理，并得到老师的审批和指正，使我圆满地完成了设计任务，在此我表示衷心的感谢。毕业设计的两个月里，在指导老师的帮助下，经过资料查阅、设计计算、论文撰写以及外文的翻译，使我加深了对新规范、规程、手册等相关内容的理解，巩固了专业知识，提高了综合分析、解决问题的能力。在绘图时熟练掌握了多种机械制图软件，以及多种结构设计软件。以上所有这些从不同方面达到了毕业设计的目的与要求。由于自己水平有限，难免有不妥和疏漏之处，敬请各位老师批评指正。1 绪论1.1 选择该题目的目的和意义该装置是为了解决掘进过程后，工人对巷道进行支护前，巷道会有一部分时间处于空顶状态，给工人的人身安全造成一定的威胁，而且工人对其进行临时支护时的工作量很大，工作效率很低等问题，主要包括前探梁直径的选择与设计、支撑装夹设备的设计、液压缸的设计和止推梁的设计等。一方面，可便捷实现巷道临时超前支护，保障人员和设备安全，降低煤矿事故的发生率，使掘进工作面的临时支护更加科学化、先进化、实用化和规范化。；另一方面，设计的装备操作简便，结构简单，节省了空间又节省了制作成本，安装和维修方便，可减轻工人劳动强度，提高巷道的掘进速度和安全性，间接地提高了企业的生产效率能为矿山企业创造良好的生产效益和社会效益。1.2 煤矿掘进巷道顶板事故的危害和特点一、掘进巷道顶板事故的危害矿井生产过程中有许多矿自然灾害威胁着工的安全。这主要是指水、火、瓦斯、粉尘以及顶板事故，俗称“五大灾害”。据有关统计资料统计，在我国煤矿生产事故中，以死亡人数计算，顶板事故占37.11，无论发生的次数还是人数，均排在第一位。煤矿井下顶板事故频繁，危害是十分严重的。二、掘进巷道顶板事故的特点:1.锚杆支护具有隐蔽性, 无论顶板好坏, 都必须正常、正确使用临时支护, 绝不能抱以侥幸心里。很多煤矿在掘进区因没有使用临时支护,造成了一起起工伤事故的发生;2.顶板管理在掘进巷道中不安全因素很多, 往往稍一忽视都将造成不必要的事故发生;3. 顶板管理是掘进巷道重要管理内容之一, 需要重视的内容很多, 临时支护是其中的一项重要检查和监督对象;4.好多顶板事故的发生, 都是因为我们的粗细大意和没按措施要求施工所致。1.3临时支护的几种形式巷道临时支护就是在井巷施工中, 在掘进工作面架设永久支护之前架设的维护巷道安全和工作空间的一种临时支架, 以保护掘进施工人员的安全, 在适当时机可改为永久支护。巷道临时支护的特点是, 服务期限短, 并紧跟工作面; 除锚喷支护外, 临时支架均可回收复用; 若用锚喷作临时支护, 则其可以作为永久支护的一部分。井巷临时支护有锚喷支护、锚杆支护、金属拱形支护、金属拱形无腿支护、梯形支护、无腿支护、前探支护、盘式支护等。1.4 顶板事故发生的主要原因与防治措施1.4.1 顶板事故发生的主要原因矿井生产过程中有许多自然灾害威胁着矿工的安全。这主要是指水、火、瓦斯、粉尘以及顶板事故，俗称“五大灾害”。据有关统计资料统计，在我国煤矿生产事故中，以死亡人数计算，顶板事故占37.11，无论发生的次数还是人数，均排在第一位。煤矿井下顶板事故频繁，危害是十分严重的。矿井顶板事故发生的主要原因：煤矿生产，我国的露天开采仅占4.8，95以上是地下开采。在矿井里，我们头顶上是百尺岩层，煤层采空以后岩层要往下落、掘进过程中由于缺少临时支护等就有可能造成顶板事故。从地质条件来看，我国大多数矿井地质构造复杂，有36的矿井顶板破碎很容易在掘进和采煤过程中冒落；又有15的矿井顶板特别坚硬，采煤以后悬空，可是到了一定的时候它又会大面积垮落，来势凶猛造成很大危害。还有的矿井由于冲击地压重，也会造成严重的顶板事故。再从生产技术条件来看，煤矿总体技术装备水平不高，支护改革力度不够，大多数回采工作面还在使用摩擦支柱和木支柱，回柱基本上是人工作业；巷道掘进主要用爆破方法，机械化掘进所占比重小。除此之外，还有许多是管理落后和工程质量低劣的问题，如支护不及时、支护质量差、管理不善等。1.4.2顶板事故发生的预防措施在井下顶板事故中，顶板事故发生发生在采煤工作面、掘进工作面。为了贯彻安全第一的方针，保护矿工的安全，我们要积极采取措施，加强顶板管理防治顶板事故。(1)掘进工作面严禁空顶作业，作业过程中必须制定使用金属前探梁的相关措施。在爆破前必须加固靠近工作面10米范围内的支护，爆破中破坏的支架必须及时修复，必须检查帮顶，并由外向里逐架进行，爆破后严格执行敲帮向顶制度，必须进行前探梁支护后方可进入工作面作业。在松软的煤、岩层或地质构造破碎带、断层等掘进巷道时必须采取前探支护或其他措施。(2)根据掘进头性质，选择巷道支护方式，严格控制空顶距。当掘进头遇到断层 曲等地质构造破坏带，或层理裂纹发育的岩层时，棚子应紧靠掘进头并缩小棚距，必要时还要打重柱以抗突然来压。(3)巷道支护应有足够的支护强度以抗衡围岩上的压力。巷道支架所能承受的变形量，应与巷道使用期问围岩可能的变形量相适应，尽可能做到支架与围岩共同承载。凡因支护失效而空顶的地点，重新支护时应先护顶，再施工。巷道替换支架时，必须先支新支架，再拆老支架。(4)在易发生推垮型冒顶的巷道中，要提高巷道支架的稳定性，可以在巷道的支架间用拉撑件连接固定，增加架棚的稳定性，以防推到。倾斜巷道中支架被推倒的可能性更大，其支架间拉撑件的强度、密度要适当加大。(5)掘进巷道交岔点施工前，开岔口应避开原来冒顶的范围，必须在开El抬棚支设稳定后再拆除原巷道棚腿，不得过早拆除，切忌先拆栅后支架棚。当开口处围岩尖角被压坏时，就及时加强抬棚稳定性的措施。注意选用抬棚材料的质量与规格，保证抬棚有足够的强度。(6)锚杆巷道掘进时，严格执行敲帮问顶制度，打眼前应将顶上的险矸活石清理后，方可作业，锚网巷道掘进时，必须严格执行前探梁制度，严禁空顶作业，锚杆的长度、空顶距、锚固力、锚索间距等质量要求都必须在作业规程中明确规定；遇断层及构造、顶板破碎时，要及时改变支护，予以加固。锚喷巷道初喷要紧跟工作面，空顶距要符合作业规程的要求；采用锚喷支护的巷道必须采用光面爆破。(7)有水患威胁的巷道掘进必须坚持。有疑必探、先探后掘”的探放水原则。发现透水预兆时，必须立即停止作业，撤出人员，并报告矿领导处理。(8)掘进工作面临时停工时，巷道支架必须架设到掌子面，保持正常通风，并随时对巷道支护变化情况进行检查。临时封闭时，必须对巷道支护进行加固。恢复开工时，必须严格执行开工检查制度，并根据支护变化情况采取相应的措施。1.5 超前临时支护装置的研究现状目前煤矿采用的前探支护以前探梁临时支架为主，其形式有木棚、工字钢棚、口型钢支架和锚杆支架的前探梁；吊挂式前探梁；卡具式前探梁；半圆整体前探梁；可调前探梁；合页式前探梁；卡柱式前探梁；套筒式前探梁等。上述各类形式的前探梁支架在我国煤矿生产中都有应用，对预防顶板事故起到了很好的作用。但现场应用表明，大多数前探梁支架支护在使用过程中存在操作不便，费工、费力等问题，影响了掘进工效；部分前探梁支架在工业试验中发现因设计不合理甚至不能在现场应用。在德国，主要用U型钢可缩性支架支护回采巷道；波兰，主要采用V型钢可伸缩性支架；英国和法国，主要采用TH钢支架支护巷道；苏联，主要采用金属可伸缩性支架支护；美国和澳大利亚，主要采用锚杆支护。而在国内，根据我国国情，借鉴外国经验，主要采用U型钢可伸缩性支架、工字钢可伸缩性支架和锚杆支架并存的方式。这样的支护方式，存在着很多的不足之处。它的支护工作量大，安装和维修麻烦，加大了工人的工作量，而且支护费用高，企业效益和支护安全性不高。1.6 巷道临时超前支护装置的组成与工作原理自移式巷道临时超前支护装置如图1-1所示， 包括前探梁5，所述前探梁后端连接有动力驱动装置，前探梁和动力驱动装置上设有支撑固定装置。该装置的支撑固定装置由吊挂部分和支撑部分组成，吊挂部分包括吊挂在巷道内支护梁上的卡具，每根支护梁下部均吊挂有两套卡具，支撑部分包括设在两套卡具之间的底板10，底板顶面为斜面，底板上设有顶面水平、中间挖有圆形凹槽、底面与底板配合可滑动连接的顶板9，底板下方设有导向螺栓11，导向螺栓与顶板连接在一起，并通过底板上的导向孔，导向螺栓的倾斜角度与底板顶部的斜面保持一致，导杆上套设有压缩弹簧13。装置中每套卡具均由两个结构对称的卡具2和卡具4组成，两个卡具之间通过螺栓12固定连接，在两卡具之间的螺杆上套设有弹簧17。动力驱动装置包括液压缸和止推梁，液压缸16与止推梁6固定连接，液压缸内设有活塞14，活塞将液压缸内腔分隔为前腔7和后腔8，前腔7和后腔8分别通过油管与液压控制系统连接。活塞上设有活塞杆15，活塞杆15通过一铰接件与前探梁5后端铰接。每套卡具上端均设有螺栓孔，孔内通过螺纹连接有螺栓3，螺栓与支护梁侧壁顶压配合，通过安装螺栓来平衡前探梁前进或后退时产生的力矩。采用该结构，前探梁5由液压控制系统通过活塞杆15推动，其移动和固定可实现自动化作业，当前探梁5到达工作位置后，通过液压控制系统向液压缸16的前腔7供液，前探梁5被固定，即可进行巷道的支护作业。然后继续操作液压控制系统使止推梁6行进到前探梁最后端的支撑固定装置内并使止推梁6原来的卡具和支撑部分空余出来，此时则拆卸空余出来的卡具和支撑部分，以备后用。1-工字钢，2-夹具2，3-调节螺栓,4-夹具1,5-前探梁，6-止推梁，7-液压缸前腔，8-液压缸后腔，9-顶板，10-底板，11-导向螺栓，12-联接螺栓，13-弹簧1，14-活塞，15-活塞杆，16-液压缸,17-弹簧2图1-1 自移式巷道临时超前支护装置简图河南理工大学毕业设计说明书2 前探梁的设计2.1 前探梁的尺寸选定与结构设计根据井巷工程中巷道断面设计计算出巷道的断面尺寸，计算的巷道的宽度一般为3-4米，拱高为1.5米左右。查文献5,根据标准GB8162-1987查的钢管的主要尺寸系列有：159壁厚:3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、22、24、25、26、28、30、32、34、36、38、40、42、45；133壁厚：3、3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、22、24、25、26、28、30、32、34、36；108壁厚：1.4、1.5、1.6、1.8、2、2.2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、22、24、25、26、28、30；80壁厚：1.4、1.5、1.6、1.8、2、2.2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20；73壁厚：1、1.2、1.4、1.5、1.6、1.8、2、2.2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19；60壁厚：1、1.2、1.4、1.5、16、1.8、2、2.2、2.5、2.8、3、3.2、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5、10、11、12、13、14、15、16；由于前探梁无需进行加工精加工，前探梁的材料选取为规格为1597.5的无缝钢管。即：取前探梁和止推梁的外圆直径为，内圆直径为。根据巷道支护工字钢的间距和工作面施工时的效率，取前探梁的长度为8米。2.2 前探梁的结构设计根据装置的运动要求，前探梁需要和活塞杆铰链联接，铰链联接部分结构设计如图2.2所示：前探梁中焊接的钢板的厚度为d=20mm焊接钢板与活塞杆前端铰链连接，把液压动力通过活塞杆传递到前探梁上实现前探梁的运动。图2.2-前探梁尺寸、结构图3 支撑固定装置的设计3.1 支撑固定装置的作用支撑固定装置在该整套设计装备中起着至关重要的作用 ，它决定着装置的自移功能是否能够实现。由于该支护装备是工作在巷道掘进后，永久支护前，起着临时支护的作用。工人要在该装置的支护下进行支护作业，装置悬挂在巷道顶部，所以支撑固定装置起到吊挂前探梁、止推梁、和液压驱动装置。而且在前探梁和止推梁前移的时候，该装置分别对止推梁、前探梁起到紧固夹紧的作用，进而达到使装置前移的目的。卡具的作用：使整套装置吊挂在支护梁上，承受整套卡具、前探梁和止推梁的重量；使底板卡在卡具上，防止底板的轴向和径向的窜动。底板的作用：把梁的重量传递给卡具，一是起导向顶板的移动，而是能够使顶板在垂直距离上上下移动，夹紧前探梁和止推梁。顶板的作用：与前探梁和止推梁直接接触，与底板配合起到松开与卡紧作用；由于前探梁和止推梁都为圆形结构，顶板还要能够限制梁的径向移动。3.2 支撑固定装置的组成、结构设计与工作原理支撑固定装置由吊挂部分和支撑部分组成，吊挂部分包括吊挂在巷道内支护梁上的卡具，每根支护梁下部均吊挂有两套卡具；支撑部分包括设在两套卡具之间的底板，底板顶面为开有凹槽的斜面。底板上设有顶面水平、底面与底板配合可滑动连接的斜楔，斜楔下表面中部设有条形的突出部分，和底板上表面上的凹槽配合，起滑动和导向作用。底板下方设有导杆，导杆与斜楔连接在一起，并通过底板上的导向孔，导杆上套设有压缩弹簧，为了使弹簧的压缩力最大地作用于底板和顶板上，导杆的倾斜角度与底板顶部的斜面保持一致。两套卡具均吊挂在支护梁上并通过螺栓固定连接，在两卡具之间的螺杆上套设有弹簧，每套卡具上端均设有螺栓孔，可安装螺栓。通过调整螺栓，使螺栓端面刚好与支护梁接触，用来平衡力矩。支撑固定装置的结构设计：根据3.1中所要求的该装置所起到的作用，以及装置工作的现场环境，参考以往的机构设计经验和查阅相关资料，确定设计的构思和零件的结构，初步设计其构成部件的结构如图3-2-1、图3-2-2、图3-2-3所示：图3-2-1 底板图3-2-3 斜楔顶板图3-2-2 卡具工作原理：装置使用时，液压控制系统通过油管向液压缸的后腔供液，而液压缸的前腔通过油管回油，使液压缸的后腔呈高压，推动活塞杆向前运动，进而推动前探梁向前移动。依靠前探梁自身的重力，前探梁下表面通过摩擦力推动斜楔，斜楔克服压缩弹簧的阻力，沿斜楔与底板之间的斜面和导向槽向前移动，斜楔失去其紧固前探梁的作用，在前探梁行进过程中，由于压缩弹簧的作用，使斜楔与前探梁、 底板之间始终保持紧密接触，前探梁在活塞杆的推动作用下水平移动到工作位置。 同时，当活塞杆向前运动时，液压缸推动止推梁向后运动，止推梁下表面靠摩擦力向后推动斜楔，使其夹紧在前探梁和底板之间，保证止推梁不会向后移动。当前探梁到达工作位置后，液压控制系统通过油管向前腔供油，而后腔通过油管回油，则前腔呈高压，使活塞杆向后运动，进而拉动前探梁向后运动。同样，由于前探梁下表面通过摩擦力推动斜楔向后运动，使斜楔夹紧在前探梁和底板之间，进而固定了前探梁。这时，由于活塞杆被轴向固定，则液压缸前腔的压力迫使液压缸向前运动，进而带动止推梁向前运动。止推梁下表面靠摩擦力向前推动斜楔，使斜楔失去其楔紧作用，止推梁被移动到另一个合适的支撑位置。在止推梁向前运动过程中，由于压缩弹簧的作用，斜楔、止推梁和底板之间始终保持紧密接触。当前探梁和止推梁移动达到指定位置后，工作人员在前探梁的临时支护下进行巷道的永久支护；而在止推梁向前移动后，工作人员把装置移动后显露出来的夹紧装置卸下，迁移到刚刚架设好的工字钢上，进行循环使用和装置的循环运动。3.3 支撑固定装置各组成件材料的选择和具体尺寸计算在矿井的巷道支护中多采用工字钢，工字钢在该装备设计中起着悬吊夹具的作用，所以根据图3-3-1和表3-3-1选择工字钢的型号为20a，按20a工字钢的尺寸设计夹具的结构和尺寸。图3-3-1 工字钢尺寸结构图表3-3-1 工字钢型号尺寸型号尺 寸mm截面面积em2理论质量(kgm)参考数值XXY-Yhbdtrr11x/cm4Wx/cm3ixcmIx:SxIycm4Wy/cm3iycm1O100684.57.66.53.414.34511.261245494.148.5933O9.721.5212.6126745.08.47O3.518.11814.22348877.55.2010.846.912.71.6114140805.59.17.53.821.51616.8907121025.7612O64.416.11.7316160886O9.98.04.026.13120.51311301416.5813.893.121.21.8918180946.510.78.54.330.756243615.412226O2.0020a2001007.011.49.04.535.57827.92923702378.1517.215831.52.1220b2001029O11.49.04.539.57831.06925002507.9616.916933.12.06查表3-1-1得到所选工字钢的参数为：h=200mm,b=100mm,d=7.0mm,t=11.4mm,r=9mm, r1=4.5mm3.3.1 卡具相关尺寸的计算1、卡具1的设计根据前探梁的设计可知，卡具起到定位和卡紧底板的作用，其结构如上图所示。由工字钢的图形和尺寸，选择卡具与工字钢的接触楔形的斜度为1:6。计算楔形1的宽度根据公式： （3-1）计算得斜楔的宽度尺寸为：取斜楔1的宽度为45mm，过度圆弧半径为8mm。选取卡具的材料为灰铸铁HT200由于卡具的工作场合和精度要求，其采用砂型铸造的形式加工，设计尺寸时按铸件设计的最小壁厚进行尺寸设计。查文献4得铸件设计最小壁厚如表3-3-2铸件设计最小壁厚所示：表3-3-2 铸件设计最小壁厚 mm铸造方法铸件尺寸铸：钢灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁铝合金镁合金钢合金砂型200200200200500500500500810121520661015206125834633568金属型707070701501501501505104562.53.523452.534568注：如有特殊需要，在改善铸造条件下，灰铸铁最小壁厚可达3mm，可锻铸铁可小于3mm。因为卡具的尺寸，查表3-3-1铸件设计最小壁厚，取卡具的最小壁厚为卡具的顶端的厚度：a=10mm,中间处板的宽度为h=15mm。选择连接两卡具的连接螺栓为六角头螺栓1，其长度公式为: Lb+2h （3-2）即： L1b+2h=100+215=130mm查文献6表6.2-58，根据L的长度和卡具的结构选择其型号为：螺栓 GB/T 5782 M16160选择卡具顶端的调节螺栓2为全螺纹六角头螺栓，其长度为:La （3-3）即： La=10=10m查文献6表6.2-58，根据L2的长度和卡具的结构选择其型号为：螺栓 GB/T 5783 M840卡具的总体高度为380mm，顶部到斜楔尖角处的高度为150mm，因为底板要被卡在卡具上，以防止其沿与前探梁轴向垂直的方向移动，所以在卡具底部与底板配合处上开设卡槽，其尺寸为：长50mm，宽5mm，高5mm。卡具要承受前探梁、底板和斜楔顶板对其的施力。其尺寸为：长60mm，宽30mm，高20mm。连接螺栓的轴线到底部的距离为112mm，调节螺栓的轴线到顶部的距离为25mm。卡具的厚度为40mm3.3.2 底板的相关尺寸的计算选取底板的材料为灰铸铁HT200根据卡具中的相关尺寸，设计底板的结构和相关尺寸。根据公式计算底板的长度L1，因为工字钢的宽度：100mm，即取底板的长度为100mm，底板的宽度为b,代入数据得： 取底板的宽度b=168mm 底板和斜楔顶板配合，起到夹紧前探梁的作用，所以为了保证顶板在底板上沿直线方向运动，在底板上表面开设斜槽，斜槽的宽度为30mm，高度为5mm，斜槽的底部和底板的上表面和下表面的斜度相同。底板的上斜槽的底部和和底板下斜面之间的厚度为：10mm底板的两边平板处的宽度为25mm，下部突出部分上部的宽度为70mm，下部的圆弧的直径为50mm，突出部分的厚度为10mm，底板的总高度为40mm。卡在卡具沟槽上的突出卡键的尺寸为：宽4mm，高4mm，长100mm底板的上下表面的斜度为与水平方向的夹角为。选择导向杆，因为导向杆要和弹簧配合使用，此处选择六角头螺栓为导向杆，导向杆的总长度 为： （3-4）式中：h底板的突出部分的厚度 c底板和斜楔顶板之间的距离将数据代入公式（3-4）计算得： mm查文献1表6.2-58，选导向杆的型号为： GBT 5782 M16150导向孔的直径为：16mm导向孔轴心线到底板下平面的距离为：25mm，下部突出部分的长度为50mm。3.3.3 斜楔的相关尺寸的计算选取斜楔的材料为灰铸铁HT200查铸件的最小厚度表，得底板的最小铸造厚度为：06mm斜楔的斜度和底板的斜度对应相等，与水平面的夹角都等于斜楔的长度： （3-5）式中：底板的长度 底板与斜楔之间的距离，取为20mm 斜楔突出部分的宽度，10mm将数据代入公式（3-5）计算：为了不让前探梁在顶板顶端发生径向移动，只发生轴向移动，在顶板顶端开一个圆弧槽，圆弧槽的直径为159mm。圆弧槽最低端到斜端面的距离为20mm，与底板导向槽配合的突出导轨的尺寸为：宽29mm，高4mm。顶板的总宽度为155mm，顶板到下部斜突拐角处的距离为62.5mm。顶板的下部突出部分的尺寸与底板的下部突出部分的尺寸相同，具体尺寸详见底板的设计。3.3.4 弹簧的选择弹簧的类型繁多，其分类方法也颇多。按结构形状来分类，主要有下面几种类型:1弹簧的主要功用弹簧的主要功用有：:缓冲和减振。如汽车、火车车箱下的减振弹簧，各种缓冲器的缓冲弹簧等；:控制机构的运动。如内燃机中的阀门弹簧，离合器中的控制弹簧等；:储存及输出能量。如钟表弹簧、枪闩弹簧等；:测量力的大小。如弹簧秤，测力器中的弹簧等。2弹簧的类型弹簧的类型多种多样，在表20-1中介绍几种弹簧的特点和应用：表201 弹簧的主要类型特点及应用类型承载形式简 图特 点 及 应 用螺旋弹簧圆柱形压缩刚度稳定结构简单，制造方便，应用最广拉伸扭转在各种装置中用于压紧，储能或传递转矩圆锥形压缩 结构紧凑，稳定性好，刚度随载荷增大而增大，多用需要随较大载荷和减速振的场合类 型承载方式简 图特 点 及 应 用其他弹簧蝶形弹簧压缩 刚度大，缓冲吸振能力强，适用于载荷很大而弹簧的轴向尺寸受限制的场合，如常用作重型机械、大炮等的缓冲和减振弹簧环形弹簧压缩 能吸收较多能量，有很高的缓冲和吸振能力，常用作重型车辆和飞机起落架等的缓冲弹簧盘簧扭转 变形角大，能储存的能量大，轴向尺寸较水，多用于钟表、仪器中的储能弹簧板弹簧弯曲 缓冲和减振性能好，主要用作汽车、拖拉机、火车车辆等悬挂装置中的缓冲和减振弹簧在本装置中主要采用压缩弹簧，压缩弹簧的种类有下面几种：1、圆形截面圆柱螺旋压缩弹簧它的特性线呈线性，刚性稳定，结构简单，制造方便，应用较广，在机械设备中多用作缓冲、减振以及储能和控制运动等。2、矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧在同样的空间条件下，矩形截面圆柱螺旋压缩弹簧比圆形截面圆柱压缩弹簧的刚度大，压缩量大，吸收能量多，特性线更接近于直线，刚度更接近于常数。3、扁形截面圆柱螺旋压缩弹簧与圆形截面圆柱压缩弹簧比较，储存能量大，压并高度低，压缩量大，因此被广泛用于发动机阀门机构、离合器和自动化变速器等安装空间比较小的装置上。4、不等节距圆柱螺旋压缩弹簧当载荷增大到一定程度后，随着载荷的增大，弹簧从小节距开始依次逐渐并紧，刚度逐渐增大，特性线由线性变为渐增型。因此其自振频率为变值，有较好的消除或缓和共振的影响，多用于高速变载机构。5、多股圆柱螺旋弹簧材料为细钢丝拧成的钢丝绳。在未受载荷时，钢丝绳各根钢丝之间的接触比较松，当外载荷达到一定程度时，接触紧密起来，这时弹簧刚度增大，因此多股螺旋弹簧的特性线有折点。比相同截面材料的普通圆柱螺旋弹簧强度高，减震作用大。在武器和航空发动机中常有应用。查文献14表11-2-1 圆柱螺旋弹簧的型式、代号及应用选择代号为YI的冷卷压缩弹簧，它的两端圈并紧并磨平，支撑圈数，2.5，适用于冷卷，材料直径，不适合用作特殊用途的弹簧。根据中国机械行业标准汇编（第二卷）弹簧卷中弹簧基本尺寸参数（摘自GB/T208994）的规定，可得本设计中两卡具间连接的弹簧基本尺寸及参数为：标记： YA 1.62214011.012.5 GB/T 208994底板与斜楔之间的弹簧根据中国机械行业标准汇编（第二卷）弹簧卷中弹簧基本尺寸参数（摘自GB/T208994）的规定，可得弹簧的基本尺寸及参数为：标记：YA 1.82516012.312.5 GB/T 2089944 液压缸主要零部件的设计与计算4.1 液压缸的作用与设计注意事项液压缸是液压系统中的液压执行元件，它是将液压能转变为机械能做直线往复运动的能量转换装置：液压缸结构简单，工作可靠，在液压系统中得到了广泛的应用。在该装置中，液压缸为整套装置提供动力源。在前探梁前进时，液压缸中的活塞杆推动前探梁向前运动，运动到指定位置后，前探梁固定，活塞杆反过来拉着液压缸和止推梁向前运动，起到自移前进的目的。液压缸的设计和使用正确与否，直接影响到它的性能和易否发生故障。在这方面，经常碰到的是液压缸安装不当、活塞杆承受偏载、液压缸或活塞下垂以及活塞杆的压杆失稳等问题。所以，在设计液压缸时，必须注意以下几点： (1)尽量使液压缸的活塞杆在受拉状态下承受最大负载，或在受压状态下具有良好的稳定性 (2)考虑液压缸行程终了处的制动问题和液压缸的排气问题。缸内如无缓冲装置和排气装置，系统中需有相应的措施，但是并非所有的液压缸都要考虑这些问题。 (3)正确确定液压缸的安装、固定方式。如承受弯曲的活塞杆不能用螺纹连接，要用止口连接。液压缸不能在两端用键或销定位。只能在一端定位，为的是不致阻碍它在受热时的膨胀。如冲击载荷使活塞杆压缩。定位件须设置在活塞杆端，如为拉伸则设置在缸盖端。 (4)液压缸各部分的结构需根据推荐的结构形式和设计标准进行设计，尽可能做到结构简单、紧凑、加工、装配和维修方便。 (5)在保证能满足运动行程和负载力的条件下，应尽可能地缩小液压缸的轮廓尺寸。 (6)要保证密封可靠，防尘良好。液压缸可靠的密封是其正常工作的重要因素。如泄漏严重，不仅降低液压缸的工作效率，甚至会使其不能正常工作(如满足不了负载力和运动速度要求等)。良好的防尘措施，有助于提高液压缸的工作寿命。 液压缸的设计内容不是一成不变的，根据具体的情况有些设计内容可不做或少做，也可增大一些新的内容。设计步骤可能要经过多次反复修改，才能得到正确、合理的设计结果。在设计液压缸时，正确选择液压缸的类型是所有设计计算的前提。在选择液压缸的类型时，要从机器设备的动作特点、行程长短、运动性能等要求出发，同时还要考虑到主机的结构特征给液压缸提供的安装空间和具体位置。如：机器的往复直线运动直接采用液压缸来实现是最简单又方便的。对于要求往返运动速度一致的场合，可采用双活塞杆式液压缸；若有快速返回的要求，则宜用单活塞杆式液压缸，并可考虑用差动连接。行程较长时，可采用柱塞缸，以减少加工的困难；行程较长但负载不大时，也可考虑采用一些传动装置来扩大行程。往复摆动运动既可用摆动式液压缸，也可用直线式液压缸加连杆机构或齿轮齿条机构来实现。4.2 液压缸的分类与选择4.2.1 液压缸的分类液压缸的种类繁多，分类方法各异。可按运动方式、作用方式、结构形式的不同进行分类。按液压缸的作用数及结构形式进行分类如表4-1液压缸的分类所示：表4-1 液压缸的分类4.2.2液压缸类型的选择液压缸的工作条件：该液压缸在巷道掘进时为临时支护装置提供动力源，一方面需要推动前探梁向前运动，另一方面又要拉着止推梁向前运动，即液压缸需要实现双向运动。根据本装置中液压缸的作用和工作的条件，在表3-1液压缸的分类中选择液压缸的类型，在综合各方面的因素，选择双作用单杆活塞缸。4.3 缸筒的设计与计算4.3.1 缸筒的结构查资料可知，常用的缸筒结构有八类，根据缸筒与端盖的连接型式的选用确定缸筒结构，而连接型式又取决于额定工作压力、用途和使用环境等因素。查文献1中表20-6-6，选择前端盖和缸筒的连接型式为“法兰连接”，如下图-缸筒常见连接结构所示: 在四种结构形式中选择a,它的优点：结构简单;易加工，易装卸。缺点：重量比螺纹连接的大，但比拉杆连接的小；外径较大。选择后端盖和缸筒的连接型式为“焊接”。其优点：结构简单，尺寸小。缺点：缸体有可能变形，清洗、装拆有一些困难。4.3.2 缸筒材料1、材料的选择：一般要求有足够的强度和冲击韧性，对焊接的缸筒还要求有良好的焊接性能。根据液压缸的参数、用途和毛胚的来源等可选用以下各种材料：25，35，45等；25CrMo，35CrMo,38CrMoAl等；ZG230-400，ZG230-450,1Cr18Ni9,ZL105,5A06,5A03等；ZCuA110Fe3,ZCuA110Fe3Mn2等缸筒毛坯：普遍采用退火的冷拔或热轧无缝钢管，国内市场上已有内孔经绗磨或内孔精加工，只需按所要求的长度切割无缝钢管，材料有20,35,45,27SiMn对于工作温度低于-50的液压缸缸筒，必须用35,45钢，且要调质处理与端盖焊接的缸筒，使用35钢，机械预加工后再调质。不与其他零件焊接的缸筒，使用调质的45钢较厚壁的毛坯仍用铸件或锻件，或用厚钢板卷成筒形，焊接后退火，焊接需用X光射线或磁力探伤检查查文献1表20-6-7选择缸筒的材料为35钢,b540MPa,s320MPa,s17MPa。4.3.3 对缸筒的要求有足够的强度，能长期承受最高工作压力及短期动态试验压力而不致产生永久变形。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。内表面与活塞密封件及导向环的摩擦力作用下，能长期工作而磨损少，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。需要焊接的缸筒还要求有良好的可焊性，以便在焊上法兰或管接头后不至于产生太大的裂纹或过大的变形。总之，缸筒是液压缸的主要零件，它与缸盖、缸底、油口等零件构成密封的空腔，用以容纳压力油液，同时它还是活塞的运动“轨道”。设计液压缸缸筒时，应该正确确定各部分的尺寸，保证液压缸有足够的输出力、运动速度和有效行程，同时还必须具有一定的强度，能足以承受液压力、负载力和以外的冲击力；缸筒的内表面应具有合适的配合公差等级、表面粗糙度和形位公差等级，以保证液压缸的密封性、运动平稳性和耐用性。4.3.4 缸筒计算(1)缸筒内径液压缸的缸筒内径D是根据负载的大小来选定工作压力或往返运动速度比，求得液压缸的有效工作面积，从而得到缸筒内径D，再从GB234880标准中选取最近的标准值作为所设计的缸筒内径。一般为受拉力作用时，d=0.30.5D。受压力作用时：p5MPa时，d=0.50.55D5MPap7MPa时，d=0.60.7Dp7MPa时,d=0.7D查文献1表20-6-2 活塞杆直径系列（GB/T2348-1993)/mm，初选取活塞杆的直径活塞杆直径系列（GB/T2348-1993)/mm4、5、6、8、10、12、14、16、18、20、22、25、28、32、36、40、45、50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、220、250、280、320、360根据表格数据和经验初选活塞杆的直径d=36mm查文献5表3-1-30得球墨铸铁的密度=7.3g/前探梁的重量M1=L即： =8=7.3（-)2