采煤机液压支架立柱仿真设计【5张CAD图纸与说明书全套资料】
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5张CAD图纸与说明书全套资料
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中国矿业大学2007届本科毕业设计 第62页第1章 前言液压支架以液压为动力实现升降、前移等运动，既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。和刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。1.1立柱设计的意义我国是世界主要产煤国家，煤矿总数超过全世界其他所有国家煤矿的总和。综采技术经过30多年发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效。发展综采技术是建设高产高效矿井的重要任务，加大技术改造力度，优化工作面配套、提高设备可靠性、提高开机率是高产高效矿井建设的发展趋势。我国自70年代初开始大规模引进国外综采设备，发展综合机械化采煤。与此同时，煤炭科学研究院及相关厂矿共同开始了对液压支架的科研和技术攻关，至80年代末，已先后研制成功薄煤层、中厚煤层、厚煤层和特厚煤层综采成套设备和技术，基本上取代了进口，促进了煤炭工业的快速发展。到1997年全国国有重点煤矿综合机械化程度已达到4838，相继建成一批高产高效的矿井。国产综采设备的水平有了较大的提高，一些技术指标接近或达到国际先进水平。我国综采设备已开始打入国际市场，先后出口到美国、印度、土耳其、俄罗斯等国家。液压支架是综采工作面的重要设备之一，其投资约占综采工作面成套设备总投资的70左右，其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间，而且要推移工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。液压支架与滚筒采煤机(或刨煤机)、刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。在煤矿机械中液压缸的应用比较广泛，掘进机、采煤机的摇臂，刮板输送机的可伸缩机头部分的动作都是靠液压缸的伸缩来实现，尤其是在液压支架中，几乎所有的动作都是通过液压缸（通常称为立柱千斤顶）的往复运动来实现的。一个150米长的综采工作面，一般就有1000多个立柱千斤顶在工作，如果是放顶煤工作面，立柱千斤顶数量则更多。作为液压系统地执行元件立柱千斤顶数量庞大且往复运动次数多，容易出现问题，维护和更换密封所需要的总时间就长，直接影响了开机率和工作面的推进速度。所以，立柱千斤顶的高可靠性是煤矿综采工作面高产高效的前提。随着煤炭开采技术的发展和国家对煤炭开采回收率的调控，液压支架的开采高度也向两极化发展，薄煤层支架走向越来越低，中厚煤层支架走向越来越高，对支护强度的要求也越来越高，支架适应的煤层倾角也越来越大，支架形式主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(1.75 m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，例如屈服极限69MPa以上的钢板，支架的寿命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性试验循环次数达50 000次。立柱千斤顶也随之向大缸径、大伸缩比发展，复杂的地质条件对立柱稳定性的要求也越来越高。经统计郑煤机集团近两年生产的产品中，适用于大采高、大倾角、薄煤层的液压支架占了70%左右。目前，国内的行业标准MT313-92液压支架立柱技术条件、MT97-92液压支架千斤顶技术条件中对立柱千斤顶的实验要求相对宽松(表一)，总体低于国外标准。国内煤机企业的发展不仅仅局限于国内市场，还要抢占国际市场，产品的性能要经得住国际上其他国家相应标准的检验。立柱千斤顶结构相对比较稳定，进而提出应用现代化软件和手段对千斤顶、立柱进合理分组，建立立柱、千斤顶三维参数化模型，对千斤顶、立柱的安全系数、强度、稳定性等进行计算校核，并开发简单易用的千斤顶、立柱的分析校核软件，为优化立柱、千斤顶结构参数提供理论依据，提高设计效率和缩短加工制造过程，进而为企业创造更大效益。表1-1：国内立柱千斤顶强度试验标准与欧洲标准对比表 MT97-92MT313-92EN1804-2千斤顶至最大行程，轴向以额定工作压力150加载，保持5min立柱至最大行程，轴向以额定工作压力150加载，保持5min工作油缸用其许可压力的80%全部伸出，接着将压力腔闭锁住，然后用一个外力对工作油缸加载，外力大小为许可力的2.0倍或1.5倍(冲击)千斤顶处于最大和最小长度，分别对活塞腔和活塞杆腔以额定泵压125加载，保持5min立柱至全行程，活塞腔以额定泵压125加载，保持5min立柱或支撑千斤顶伸出全长的7080%且剩余行程立柱100mm，千斤顶则30mm。用许可压力的60%撑紧并将压力腔闭锁。接着用一个自由落下的物体对立柱和支撑千斤顶进行二次冲击的外加载，对立柱来说，自由落体10 000kg；对支撑千斤顶来说1 000kg。此时必须达到许可压力值的1.5倍（5%）。压力从初始值至所要求的最大值的升压必须在最大为30ms内实现。千斤顶活塞杆处于2/3行程处，活塞腔以额定泵压200加载，保持5min立柱处于2/3全行程，以额定工作载荷200轴向加载，保持5min立柱至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心30mm位置，以110额定工作载荷轴向加载，保持5min在柱顶侧和柱底侧用一种球形推力轴承系统来传递力，那么作用力只偏心加在柱顶侧球头半径的0.3倍处。柱底侧的支承轴承必须对应于柱底形状来设计。柱底支承轴承的直径不得大于立柱或支撑千斤顶直径的25%，压力值需计算立柱至最大行程，轴向预加额定初撑载荷，以15kNm能量冲击柱头2次立柱和支撑千斤顶全部伸出，开始时予加力为许可的立柱力和千斤顶力的10%。必须使立柱和支撑千斤顶的压力腔闭锁住。紧接着通过一个外力使立柱和支撑千斤顶加载至许可的立柱和千斤顶力。该力必须保持住3分钟，而立柱和支撑千斤顶并不让缩提拉点必须进行加载检验，直至达到许可力的4倍也不允许发生破断。1.2国内外研究现状我国目前已经形成一支有一定规模的从事液压支架的设计、研究、制造和检验的专业队伍，积累了丰富的经验，已经开发研制了多种适合我国煤矿不同生产地质条件的液压支架。支架最大高度已达6.3m，最小高度为0.5m；适应最大倾角可达55；最大工作阻力达10800kN。不仅有用于一般工作面的液压支架，还有用于放顶煤采煤、分层铺网采煤等条件下的特种用途液压支架。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方面提出许多新的要求，促使立柱的结构更加合理和有了很大的发展。 1.2.1结构和功能(1)单伸缩立柱 结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小，用在调高范围不大的支架上，许多种放顶煤支架装配单伸缩立柱。(2)机械加长杆双伸缩立柱 结构比较简单，调高范围较大，有液压无级和加长杆有级两种调高方式，使用中经常用液压无级调高。操作人员需根据采煤工作面煤层厚度的变化及时调整机械加长杆的高度（有级调高）以满足支护要求，如果有级调高调整的不及时，会出现支架被压死或顶空的问题。调整加长杆的高度费时、费力。多用于煤层厚度变化较大的中厚煤层支架上。(3)液压双伸缩立柱 调高范围大，属液压无级调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。该类立柱多用于薄煤层和大采高支架上。由于该类某些缸径立柱的中缸强度裕度偏小，遇有采煤工作面基本顶压力显现强烈时中缸有时会出现鼓胀现象，损坏立柱。(4)三伸缩立柱 一般为三级液压无级调高，有的在双伸缩立柱上加一段接长杆，主要是为增加立柱的调高范围，以满足某些特殊结构支架对立柱增加调高的要求。国外较早使用了这种立柱，其调高范围很大，但结构复杂，第三级缸内压力很高，对材料和加工都要求很高。目前中国还没有研制这种立柱。(5)千斤顶的型式很多，大多为单伸缩双作用，个别为单伸缩单作用千斤顶。按进、回液方式可分为外进液和内进液千斤顶，大多为外进液的。按活塞固定方式可分为固定活塞式和浮动活塞式千斤顶，固定活塞式的占绝大多数，只有推移千斤顶中有一部分为浮动活塞式的。按在液压支架上的功能可分为推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶、护帮千斤顶、伸缩梁千斤顶、平衡千斤顶、防倒千斤顶、防滑千斤顶、调架千斤顶、底调千斤顶、抬底座千斤顶等。用在放顶煤支架的还有尾梁千斤顶、插板千斤顶、拉后输送机千斤顶等。1.2.2设计方法和手段国外，从九十年代起已广泛采用三维仿真和光弹模拟技术，并通过建立液支架的整体有限元模型开发出计算机仿真软件系统对支架的受力进行分析，使支架设计与实际工况尽可能的相似，而中国目前上述技术正在研究阶段，也只对特殊支架，如国家重点攻关项目，部分的采用这种技术而大批量常规设计并没有采用。1.2.3标准和试验要求方面 国际上发达国家对立柱千斤顶所使用的原材料、工艺要求和试验要求等都用大量的标准加以规定，中国也相继制订了多项行业系列标准、企业标准，但试验强度总体讲低于国外标准。特别是疲劳试验，国内千斤顶以额定工作载荷全行程往复运动，累计10000次；立柱升至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心20mm，以额定工作载荷连续循环轴向加载，循环次数大于2000次，活塞腔加以背压，大缸活塞杆腔(与小缸活塞杆腔同时)加以泵站公称压力降柱，在空载升柱，循环次数2000次。欧洲标准规定立柱或支撑千斤顶液压行程伸出90%5%。偏心加载进行6000次加载循环，轴向中心加载循环15000次。全伸出状态时的压力检验100次。1.2.4 操作与控制技术国产液压支架多采用手动操作，其移架速度为1220秒，部分支架采用电液控制系统，也是对电液控制部分采用引进的模式。国外支架在液压控制技术上已配置故障诊断的预警装置，可实现液压支架降、移、升和各千斤顶的协同工作以及和采煤机、刮板机的联动和远程控制。 1.2.5制造工艺(1).缸径：国外已达到500mm 中国目前最大为400mm。(2).工艺方法：国外对200以内深孔为实现10m长一次加工，并根据需要切割而成。中国目前最长为3m 国外可采用热镦技术加工油缸，即把金属加热至比流动状态低50100时，用万吨水压机沿轴向反复镦冲加工。成型的缸筒有完整的缸底（不需再焊），同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗珩磨或滚压加工缸筒而后焊接缸底的工艺方法。(3).加工精度 国外一般比国内高一到二级，如活塞的密封面，国内一般为f9,国外则为f8,甚至为f7。1.2.6其它差别(1).镀层：国内是锡青铜打底镀硬铬；DBT公司是镀软铬加硬铬，活柱采用化学铍特殊材料，波兰采用不锈钢皮包活柱技术，耐腐蚀性更好。(2).稳定性：国外活塞和导向套多采用双导向环，稳定性好；国内一般为单导向环。(3).密封：国内采用单一的橡胶或聚氨酯；国外采用复合密封，接触面硬度较大，耐磨性好，内部为弹性好的材料，通过这种搭配，密封性能和补偿性能强。(4).材质：国内均为27SiMn，热处理硬度为HB240280；国外二级缸采用材质较好，热处理硬度在HB320左右，缸壁薄。1.3 以往立柱千斤顶设计过程存在的问题1.底阀； 2.外缸； 3.中缸； 4.活柱； 5.导向套； 6.卡键； 7.挡圈图1-1 双伸缩立柱示例目前机械设计的手段依然是以平面制图为主，三维制图软件的应用还没有普及，平面图中尺寸与尺寸之间虽然有关联性却没有互动的功能，即图形不能随尺寸驱动。在立柱设计过程中的主要问题是：制图工作量大，设计效率低；图纸更改重复次数多，出错率高；尺寸更改随机性大；强度计算工作量大，计算不全面。1.3.1 制图工作量大、效率低在液压支架设计中立柱的设计相对比较精细，图纸量大，尺寸、公差、配合比较严格，如图1所示的双伸缩立柱，一套图纸中不包括密封件和底阀的等外购件就有30张，图纸上沟槽多，配合紧凑，制图工作量大。现在立柱的设计主要是修改性设计，即找一套相同或者近似缸径的设计图纸，根据需要进行行程调整，实在无法满足性能要求时才对活塞或者导向套尺寸进行优化。图一所示的立柱图纸中与行程相关的零件、组件图有8张，只改动行程就需要相应变动缸体、活塞杆、接头位置等尺寸，由于没有参数化功能，每张图纸都需手动修改，修改工作量大。1.3.2 图纸更改重复次数多、出错率高由于立柱关联尺寸较多，平面设计方法需要改动相关联的每一张图纸，重复劳动较多，如图1所示，改动行程修要修改8张图纸，如果改变密封沟槽或者导向套结构，所有的图纸都需要更改。在计算机上频繁的切换图纸、更改尺寸容易产生视觉疲劳，错误出现的几率就大，对于立柱这种关键部件来说，不存在修补的可能，任何一个环节尺寸的推算错误，就会给生产造成巨大损失。1.3.3 尺寸更改随机性大改变立柱行程式立柱设计中最简单也是最常用的一种设计方法，在更改过程中立柱闭合长度和行程一起变动，两端的活塞和导向套部份长度不变。但立柱的结构不是一成不变的，适应于大采高和大倾角的立柱侧重于稳定性方面，加大活塞和导向套长度来增长立柱伸出后的重合段，适应于薄煤层的立柱更侧重于大的伸缩比，通过减小活塞和导向套长度来实现，仅调节行程不能满足性能时，立柱设计的工作主要是重新分配两端活塞和导向套的尺寸。这时人为的因素就起了很大的作用，同样的行程和闭合长度要求，不同的人选取的更改位置不同，设计的图纸就会不同，尺寸更改的随机性就大。如果采用参量化的设计方法，只有一个尺寸是开放的，可以更改，其余尺寸是不允许更改的，那么不同的人也能设计出相同的图纸，有利于图纸标准化程度的提高。1.3.4 计算工作量大、不全面立柱在设计过程中计算是最大的工作量，在现在的设计中，经验值占了一大部分，一般采用类比的方法，小零件的安全系数不做计算，除非在实践中有损坏现象才去校核，在设计时往往只去计算缸体、活塞杆等关键件的安全系数。对整个设计来说，经验和类比所占的比例较多，设计中有一定的盲目性。解决复杂运算工作量大的问题可以提高计算的普及性。1.4 立柱和千斤顶在加工、使用中存在的主要问题煤炭科学院总院北京开采所已设计200余种类型的液压支架，所配用的立柱、千斤顶基本上满足了支架各种要求，但在诸多方面均存在一些问题。为使立柱、千斤顶的结构更加合理，可靠性更高，便于加工、使用和维修，90年代初，在改进结构，并进行标准化、系列化和通用化设计之前，到用户和工厂进行了一次普遍调查，了解到存在的一些主要问题。1.4.1 加工中的主要问题（1）使用材料的物理机械性能低于设计要求，有的材料甚至是钢厂的不合格品。（2）没按设计要求进行热处理或处理的不符合设计要求，有的零、部件的加工精度、粗糙度不够，有的安装中损坏了零、部件，最常见的是密封件损坏。 （3）液压件装配前清洗的不干净，钢屑等脏物划坏密封面和密封件。 （4）外购件不合格。1.4.2 使用中的主要问题（1）顶板有异常变化，采煤工作面基本顶来压强烈，对支架有冲击载荷，造成立柱、千斤顶缸内压力过大，安全阀溢流量不够，损坏支架结构件、立柱和千斤顶。（2）安全阀有锈蚀，煤、岩尘堵塞，开启压力超过设计的调定压力，使支架、立柱、千斤顶过载。（3）管路系统污染严重，坚硬颗粒擦伤密封面，失去密封性能。（4）使用的乳化液防腐性能差，使油缸锈蚀严重，不能密封。（5）长期存放前没有注入防腐性能好的乳化液，造成油缸锈蚀。库房温度过低，油缸中乳化液冻结胀坏油缸（缸径变大）。第2章 立柱的形式2.1液压单伸缩立柱液压单伸缩立柱的简称为单伸缩立柱，这种立柱只有一段液压行程S，结构简单，性能可靠，伸缩比最小。由于缸径大小不受结构的限制，广泛应用在轻型支架中。单伸缩立柱的主要组成零件是：缸体、活柱、活塞、导向套。图2-1 单伸缩立柱A型、D型、E型结构图2-2 单伸缩立柱B型、C型、F型结构2.2机械加长杆立柱机械加长杆立柱简称为加长杆立柱，这种立柱由一段液压行程S1和机械行程S2组成二级伸缩，可靠性高，由于机械加长段伸出和缩回时需要多人配合操作，行程为几段定长没有液压行程调节方便，一般适用于煤层厚度变化不大或者不频繁的工作面或者端头、端尾。主要组成零件是：缸体、开口活柱、加长杆、活塞、导向套。图2-3 加长杆立柱A型、D型结构图2-4 加长杆立柱B型、C型、E型结构2.3液压双伸缩立柱液压双伸缩立柱简称为双伸缩立柱，行程S1和S2全是液压行程，伸缩比最大，二级缸的底部装有单向阀，立柱伸出时先出二级缸，伸完后缸体内增压打开底阀活柱伸出；立柱缩回时先缩回二级缸，二级缸全部收回时缸底接触底阀顶杆，打开底阀，活柱开始收回。由于底阀的作用，在工作状态下，二级缸内的压力远远大于外缸内压力，二级缸的强度是双伸缩立柱设计的一个瓶颈。由于伸缩比大，双伸缩立柱广泛应用用于大采高、薄煤层支架，尤其适用于煤层厚度不均或者采煤高度频繁变化的工作面。双伸缩立柱的主要组成零件是：缸体、二级缸、活柱、活塞、导向套。图2-5 双伸缩立柱A型、D型结构图2-6 双伸缩立柱B型、C型、E型结构立柱以缸口的连接形式分类为：螺纹式，卡键式。卡键式拆卸方便但零件琐碎、加工量大；螺纹式加工量小，对设备的精度要求高，目前立柱缸口连接类型正在从螺纹式、卡键式向矩形螺纹发展。图2-7立柱分类层次图2.4.组成立柱的主要组件、部件和零件立柱主要由活柱组件、缸体部件、缸口导向套组件、加长杆组件和中缸底阀等组成。2.4.1 活柱组件由活柱、密封件、导向环、活塞导向环和固定连接件组成。（1）活柱由活塞、柱管和柱头焊接而成。柱塞一般选用40Cr钢，柱管大多选用高强度厚壁无缝钢管，材料可焊性好的调质钢，常用的有27SiMn、25CrMo等；柱头多选用35号等强度高、可焊性好的钢材。组焊后精加工外表面，并要求有较高的光洁度以满足密封性能的要求。柱管工作时经常伸出在外面与采煤工作面的腐蚀性气体、液体接触，有时也会受到某些物件、煤、矸石的砸碰，为适应上述工作环境的要求，柱管表面大都镀乳白铬和硬锘，以增强抗腐蚀、耐摩擦和抗砸碰的能力。 柱塞应具有良好的密封性、可焊性、耐摩性及冲击和振动的性能。（2）密封件种类较多，常用的形式有鼓形密封圈、山形密封圈和蕾形密封圈。鼓形密封圈耐压力高，可达60MPa，能双向密封，拆装方便，应用较多。主要缺点是高度和宽度都大，影响行程。在双伸缩立柱上使用不够合理，并使柱塞结构复杂，增加制造成本；山形密封圈的断面小，使立柱的结构紧凑，行程增加，并使柱塞的结构简化，造价降低，但安装时需要专用工具，这种密封圈是80年代中期研制的，较鼓形圈出现的晚，但因其优点较多，推广使用的较快；蕾形密封圈状如花蕾，具有耐压高、防挤性能强、密封可靠和寿命长的特点，但由于造价高，使用数量较少。（3）活塞导向环与鼓形或山形密封圈配合，有防挤、导向和减摩作用，大都由聚甲醛制造。（4）外导向环直接装在柱塞或装到外卡键上，起导向、减摩作用，由聚甲醛制造。（5）固定连接件包括支撑环和外卡键。支撑环起托住鼓形密封圈和活塞导向环的作用；外卡键用于固定密封件和导向环，以保证在液压作用下不窜动、不脱落。（6）限位方式常用的有3种：钢丝限位、限位套限位和柱塞凸台限位。大多数用柱塞凸台方式限位，立柱长度大、行程大时用限位套限位。如下图所示（a）（b）（c）图28柱塞密封、导向及限位方式a 钢丝限位；b 柱塞突台限位；c 限位套限位1外导向环；2外卡键；3支撑环；4活塞导向环；5密封圈；6柱塞；7缸体； 8柱管； 9限位钢丝；10限位套2.4.2 缸体部件缸体主要由缸底和缸筒焊接而成，缸底与支架底座铰接。缸体是立柱主要承载件之一。（1）缸底大部分采用球头形，少数采用反球头形，这主要是为了减少偏载作用和适应立柱在底座上倾斜布置的要求，大多选用强度高、焊接性能好的35号钢锻造而成。（2）缸筒需承受高压液体的作用，且要保证工作人员的安全，故要求材料的强度高，一般要求，延伸率大于12%。国内常用27SiMn、25CrMo4等材质的无缝钢管加工而成。缸筒内表面是高压密封面，要求较高的加工精度和粗糙度。我国缸筒内表面一般不镀防腐层，基本上可以满足使用要求。（3）通液管是缸底通向阀接板的通道，钢管的焊接性能好，材料一般为20号、15号钢，内径为1016mm，壁厚一般为6mm。当立柱通过胶管与控制块相连时可不需要此钢管。2.4.3 缸口导向套组件（1）导向套在活柱升降时起导向作用，与活塞杆间的间隙较小，要承受外载对活柱的横向力，多采用40Cr和27SiMn等材料制造。（2）导向环多用聚甲醛制造，嵌于导向套内表面的沟槽中。导向环与活柱接触紧密，是一对硬度相差较大的摩擦副，有减摩作用，可防止活柱和导向套相互擦伤。（3）密封件为单向密封的蕾形密封圈，其上一般装有用聚甲醛制造的起防挤作用的挡圈。（4）防尘圈用来防止活柱表面的煤尘、岩尘和赃物进入油缸和液压系统，保证密封可靠，减少零件磨损。有JF型和GF型（有骨架）两种防尘圈，现多用JF型。（5）导向套与缸口连接方式有螺纹连接、卡环连接和钢丝连接3种，前两种连接方式使用较多。2.4.4 接长杆组件（1）接长杆用来增加立柱的伸缩值，采用圆钢加工而成。在机械调高的分级部位加工成环形槽，以便扣入承载卡环。加长杆头部结构与尺寸与活柱柱头相同。（2）卡环是传力件，一般制成半环形，以便于装入加长杆的环形槽中，要求用强度高的钢材加工。（3）固定连接件包括套在卡环外面起固定作用的钢套和固定钢套的销子。 缸口连接、活柱导向、密封、防尘方式等，如图所示（a）(b)(c)(d)(e)(f)(g)(h)(i)(j)图29 缸口连接、活柱导向、密封和防尘方式a 、b 单伸缩内螺纹连接； c 、d 双伸缩内螺纹连接；e 单伸缩卡环连接；f 双伸缩卡环连接 g 单伸缩外螺纹连接；h 、i、j 单伸缩弹簧钢丝连接；1-缸体；2-导向套；3-活柱；4-导向环；5-密封圈；6-防尘圈；7-连接钢丝；8-卡环；9-挡圈；10-中缸体；11-支撑环2.4.5 底阀 底阀用于控制双伸缩立柱二级缸与活柱的伸缩顺序，并保持二级缸获得与一级缸相同工作阻力。它是机械开启的单向阀，其液压开启力可以调整，以便保证升柱时首先伸出一级缸，其结构如图图210双伸缩立柱底阀总结：立柱各部分的特点组成基 本 要 求 与 特 点 缸体缸筒1. 要求材料强度高，能承受高压，一般要求2. 要求材料延伸率高，一般，保证缸筒在高压作用下不致发生脆裂，防止井下发生伤人等事故3. 要求材料可焊性好。国内常用27SiMn、25CrMo4等材料4. 一般缸筒用无缝钢管，经加工而成。缸筒内表面是活塞的密封表面，所以要求较高的加工精度与粗糙度。我国一般要求配合精度为，表面粗糙度-(-)5. 缸筒内表面与乳化液接触，要求耐腐蚀，但除特殊要求外，一般无需镀层，便可满足要求缸底1. 为减少立柱受偏载作用，以及掩护式与支撑掩护式支架中适应立柱倾角位置的变化，大部分立柱缸底采用球头形式；个别厚煤层支架用立柱缸底则采用反球头形式2. 要求材料强度高，可焊性好。一般锻压加工而成活柱活柱筒1. 对材料强度、延伸率及可焊性等要求与缸筒的要求相同2. 大部分是由合金无缝钢管与柱头、活塞缝焊接加工而成，个别小直径立柱的活柱采用圆钢加工而成3. 活柱外表面必须耐磨、耐腐蚀，要求与导向套的配合精度一般，表面粗糙度为-(-)4. 表面要有防腐耐磨镀层。常用的为双层镀铬，如先镀乳白铬，后镀硬铬，可用铜打底，镀硬铬或镀铜等活塞组件活塞1. 要求活塞组件具有良好的密封性能、耐磨损性能及承受外力的冲击和振动等性能2. 大部分立柱的活塞直接焊在活柱上，零件少，密封环节少，可靠性高3. 个别采用小断面密封件的双伸缩立柱活塞直接在活柱筒上加工而成，没有专门的活塞4. 个别立柱采用组装活塞式结构，零件多，增加了密封环节。大部分用于各类千斤顶，目前应用较少密封圈1. 鼓形密封圈。它是由两个夹不U形橡胶圈中间夹一块橡胶压制而成的整体实心密封圈。这种密封圈的优点是耐压力高，可适应工作压力260MPa；可以双向密封，装拆方便，活塞结构简单，应用较多。主要缺点是断面较大，影响立柱行程的发挥，用于双伸缩立柱时不太合理，其密封圈的制造比较复杂2. 山形密封圈。它是一种山字形小断面橡胶密封圈，主要优点是除了能满足鼓形密封圈的各种性能之外，外形尺寸与断面较小，因此可保证立柱结构更合理紧凑，多用于双伸缩立柱的活塞密封3. 梯形密封圈。这也是一种类似于山形密封圈的小断面纯橡胶密封圈，其优点与山形的相似，多用于双伸缩立柱导向环1. 与鼓形密封圈相配合的为LW型活塞导向环，双向都有。一般由聚甲醛制成。其功能有防挤、导向及减磨2. 与山形密封圈相配合的为双向聚四氟乙烯挡圈与聚四氟乙烯楔形支承环3. 与梯形密封圈相配合的双向聚甲醛导向环限位方式1. 限位结构的功能是增加活柱与缸体的重合段长度，保证立柱的最大行程高度时的稳定性与安全可靠性2. 常用的有钢丝环限位，距离套限位等方式，或者根据结构允许无限位，即直接用活柱台阶或活塞限位。其中后两种限位方式比较可靠，应用较广连接固定1. 卡键连接固定连接卡键为剖分式结构，便于装拆。用于在轴向将密封、导向组件等固定，以便保证在压力作用下不窜动，不脱落，保证可靠的密封与导向。多用于焊接活塞结构，也用于组装活塞结构2. 螺钉压帽固定多用于组装活塞结构。一般用螺母压紧固定，用螺钉与防松堵防松缸口导向组件导向套1. 导向套在活柱升降时起导向作用。它与活塞杆表面既要紧密接触又要动作灵活，同时要承受住由外部载荷对活塞杆形式的横向压力、弯曲及振动等影响2. 目前多采用聚甲醛的DM导向环压装到导向套内。导向环与活柱之间无间隙，而导向套内孔与活柱之间则留有间隙。导向套也可采用铜合金等材料制做，目前使用较少密封圈1. 蕾形密封圈。它是由一个夹布U形橡胶圈与唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈2. 蕾形密封圈密封可靠，适于工作压力60MPa；装配方便，但密封圈本身的加工较复杂3. 某些情况下，双伸缩立柱也采用小断面密封件，使结构紧凑4. 固定密封，一般采用O形密封圈加挡圈防尘圈1. 防止活柱上的粉尘赃物带入油缸，保证可靠密封，减少零件磨损2. 一般有JF型橡胶防尘圈与GF型骨架式防尘圈可供选用。后者不易翻出，可靠性好，但成本较高缸口连接1. 螺纹连接，结构简单，连接可靠，但加工困难，而且在井下使用久了容易生锈，拆装不方便2. 钢丝连接，结构简单，但装拆较麻烦，耐压不高3. 卡环连接，结构较复杂。主要传力件是卡环。为安装方便，采用割分结构，缸口尚需固定。这种结构耐压高、装拆容易机械加长加长杆1. 为优质圆钢加工而成。在机械调高的分级部位加工出卡槽2. 带机械加长段时，柱头与加长杆为一体，要求其结构尺寸与活柱头相同卡环1. 卡环是传力件，要求强度高，端面平行度好2. 一般卡环为两个半圆环，以便装入加长杆的卡槽内固定连接一般包括套在卡环外面的钢套、销轴等，用作限位固定底阀1. 作用：在双伸缩立柱中控制二级缸与活柱的伸缩顺序，并保证两极缸获得相同恒定工作阻力2. 原理特点：是机械（顶杆）控制的一种单向阀，其开启压力可以调整，以便保证升柱时首先动作一级缸其它连接件1. 立柱的进液连接大都采用外进液方式，即接头布置在油缸体上。这种方式结构简单，加工方便，但在搬运中要注意砸坏接头与管子2. 内进液是指接头均布置在活柱上，活柱内焊钢管或打长孔。这种方式结构紧凑，搬运时不易损伤，但加工第3章 立柱的设计与强度计算随着煤炭行业的快速发展，煤机制造行业技术的飞速提高，对液压支架的要求也越来越高了，目前我们已能生产双柱支护强度为10800KN，支护高度达6.3m的液压支架，以无法同以前类比设计的方法进行有效的设计，而必须立足于我国现有的材料和工艺为基础，进行创新设计。3.1 立柱计算原则液压支架立柱的受力状态随工作面地质条件的变化而变化。立柱是液压支架的主要承载部件，其受力状况也随着夜压支架的变化而改变，因而，根据立柱的实际受力工况对立柱进行受力分析是不现实的。立柱的室内型式试验规范是综合了矿压、立柱实际使用条件、支护系统特征等因素对立柱承载能力提出的要求，因而，进行立柱设计时，一般按照型式试验规范的加载方式作为边界条件进行计算。我国现实行的标准还是MT31392标准，但新的立柱试验标准讨论稿已于2006年11月向各煤机生产企业及煤机使用企业发出，该标准主要是在兼顾我国生产基础的条件下，参考欧洲现有的18042标准提出的，相对的试验条件比现有的31392标准更为苛刻。具体表现为以下几个方面MT31392标准中对立柱进行室内型式试验时，要求立柱在最大高度条件下必须满足以下三个条件：1) 能承受倍的额定载荷作用；2) 两端同侧偏心30mm，能承受倍额定载荷作用。3) 耐久性试验的次数为不少于2000次及累计行程不少于300m，要求立柱底阀开启。讨论稿中依据的欧洲标准对立柱的试验时，要求立柱在最大高度条件下必须满足以下三个条件：1) 能承受2倍的额定载荷作用。2) 一端对中一端偏心，偏心的距离按照立柱球头的半径来定为，能承受倍额定载荷作用。3) 耐久性能的试验次数为偏心加载6000次，要求立柱底阀开启；对中加载15000次，加载载荷为倍额定载荷作用。对于这两个标准的比较，一般应采用新的试验标准的载荷条件要求对立柱强度校核。3.2 立柱设计立柱是液压支架的主要承载与高度调节件。它除了要具有较高的承载能力外，还应有较大的伸缩行程，以满足支架工作高度的要求。在厚煤层开采中，为了增大支架对煤层厚度变化的适应性，常需使支架的伸缩比较大。此时，单伸缩立柱就难以满足要求。虽然采用在支架上装设机械加长杆的方法，在一定程度上可以扩大其调高范围。但机械加长杆在安装后就成为固定活塞杆，需要调节时装拆比较困难。目前，在国内外一些大高度的新型支架上日益采用伸缩式立柱。由于本设计的采高的变化范围较小，因此采用单伸缩立柱结构。3.2.1立柱缸筒内径的确定立柱缸筒内径按下列公式计算： （3.1）式中：立柱缸筒内径，； F支架承受的理论总载荷力，; 安全阀额定工作压力，已知 ；圆整，取。3.2.2泵站压力的确定本设计选用型乳化液泵站，压力，考虑各种损失，按计算。故取3.2.3立柱初撑力的计算 （3.2） 式中：立柱初撑力，; 泵站压力，。代入相关数据，得：3.2.4立柱工作阻力的计算 （3.3） 式中：单根立柱工作阻力，； 安全阀额定工作压力，。代入相关数据，得： 3.2.5立柱缸筒壁厚的计算支架立柱的壁厚一般为 ,即中等壁厚，按下式计算： （3.4） 式中：缸内工作压力，； 考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取； 强度系数，无缝钢管取； 缸体材料许用应力，缸体选用， 立柱缸筒内径，。代入相关数据，得： 圆整，取故缸筒外径缸筒内径3.3立柱强度验算3.3.1立柱缸筒强度验算1.缸体壁厚验算对最终采用的缸筒厚度应作四方面的验算：A）额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全： B）同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生；式中：缸筒发生完全塑性变形的力由于故缸筒材料屈服强度（MPa）C）此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内：式中：缸筒耐压实验压力（MPa）缸筒材料弹性模数（MPa） 合金钢取缸筒材料泊桑系数 钢材取查相关手册得该型密封圈的变动范围为5.1mm故变形量不超过密封圈允许范围D）最后，还应验算缸筒的爆裂压力式中：缸筒材料的抗拉强度由于综合以上，所选缸筒厚度符合要求3.4一级缸的相关计算3.4.1一级缸的外径的确定根据缸筒的内径和密封手册，取3.4.2一级缸壁厚的计算支架立柱的壁厚一般为 ,即中等壁厚，按下式计算： （4.4） 式中：缸内工作压力，； 考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取； 强度系数，无缝钢管取； 缸体材料许用应力，缸体选用， 立柱缸筒内径，。代入相关数据，得： 圆整，取故缸筒外径缸筒内径3.5一级缸的强度验算3.5.1一级缸强度验算1.缸体壁厚验算对最终采用的缸筒厚度应作四方面的验算：A）额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全： B）同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生；式中：缸筒发生完全塑性变形的力由于故缸筒材料屈服强度（MPa）C）此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内：式中：缸筒耐压实验压力（MPa）缸筒材料弹性模数（MPa） 合金钢取缸筒材料泊桑系数 钢材取查相关手册得改型密封圈的变动范围为3.6mm故变形量不超过密封圈允许范围D）最后，还应验算缸筒的爆裂压力式中：缸筒材料的抗拉强度由于综合以上，所选缸筒厚度符合要求3.6二级缸的相关计算3.6.1二级缸的外径的确定根据一级缸的内径和密封手册可知二级缸的外径（也既是活柱的直径）3.7各杆的长度确定缸体主要由缸底和缸筒焊接而成，缸底与支架底座铰接。缸体是立柱主要承载件之一。缸筒长度L由最大工作行程长度加上各种结构需要来确定，即： L=l+B+A+M+C （3.5）式中：l为活塞的最大工作行程；B为活塞宽度，一般为(0.6-1)D;A为活塞杆导向长度，取(0.6-1.5)D;M为活塞杆密封长度，由密封方式定；C为其他长度。一般缸筒的长度最好不超过内径的20倍。故活柱的长度为：2.168m二级缸的长度为：2.173m一级缸的长度为：2.297m第4章 立柱的受力分析与验算4.1 立柱各段受力分析如图所示，立柱外缸外径D1，内径；中缸外径D2，内径d2；活柱外径D3。图4-1 双伸缩立柱图4.1.1 活柱受力分析如图（42）所示图4-2 活柱受力简图不论是双伸缩立柱还是单伸缩带机械加长段立柱，活柱的受力状态为单向应力状态，由压力和弯曲应力组合而成，即 （41）式中：立柱的最大受力（N）：活柱的横截面积（）：活柱的最大弯矩（）：活柱的抗弯模量（） （42） 式中： ：为单立柱的承受的工作阻力； ：按试验要求确定的载荷倍数，强度试验欧洲标准为，MT313-92标准；：为载荷偏心；MT313-92标准，欧洲标准；从实际的使用情况反映，活柱的受力情况相对比较合理，故障率较低。因此在设计中一般应以受力情况最恶劣的中缸为主要设计依据。4.1.2 中缸受力分析单伸缩带机械加长段立柱中缸受力状态仍为单向应力状态，其组合应力为 （43）其中 中缸横截面积（） 中缸所受最大弯矩（） ：中缸的抗弯模量（）对于双伸缩立柱，其中缸不但受弯曲应力作用，而且还由于油压的影响受到径向应力和周向应力的作用，为三维应力状态。对于立柱的中缸而言外径与内径的比远大于1.2。因此可按照厚壁圆筒的力学分析进行。参考应用弹塑性力学徐秉业、刘信声。当厚壁圆筒处于弹性状态时，可以用应力法或位移法进行求解，其解答应满足弹性边界问题的基本方程及相应的边界条件。如图（43）径向应力和周向应力可由拉梅公式计算，即图4-3 中缸的受力简图 （44）轴向应力为弯曲应力 （45）式中 、：中缸外半径、内半径（） ：中缸内油压应力() ：中缸外环油压力()，在中缸未伸出低缸部分为低缸内压力，伸出低缸部分为大气压力。：中缸所受最大弯矩（）：中缸径向尺寸，计算中常为搜索变量()。按照第二强度理论计算组合应力为 （46）由上面的式子可算出中缸壁上4个组合应力，取最大作为校核强度参数。下式为厚壁圆筒在内外应力作用下的应变表达式。 （47）其中：E为材料的弹性模量； v为材料的泊松比中缸径向变形的计算公式如下： （48）上式在液压立柱在带压试验中测量中缸的弹性变形加以验证。4.1.3 外缸受力分析外缸的受力状态与双伸缩立柱的中缸受力情况相似，但外缸的外压为大气压，由于内压远远大于外压()，因此在工程计算中一般可以忽略。因而可取其最大组合应力点作为校核点。4.1.4 强度校核条件立柱强度的校核条件依据下式表示 （49）其中 ：第i段最大组合应力；：第i段材料的屈服极限；：第i段的安全系数。4.2 立柱刚度分析根据立柱受力情况，可将立柱简化为一个受纵向载荷作用、载荷通过端面形心或偏离形心，并具有变断面和初挠度的纵向弯曲梁，其力学模型如图所示。此图为双伸缩立柱计算模型，单伸缩立柱及千斤顶计算可参考此图进行。轴向载荷p作用于上、下两端面，偏离载荷，偏离端面中心的距离为、，相邻两段油缸的折线夹角为、；油缸重合部分长为、，不重合部分为、，相应各段惯性矩为、，其中，各段立柱的挠度记为。图4-4 外缸直径方向应力图由力学模型1) 轴向压力：当轴向载荷不通过立柱轴线时，还要考虑偏心影响；2) 油缸内油压涨力：双伸缩立柱外缸和中缸均受油压作用，单伸缩带机械加长段立柱只有外缸受油压作用；3) 在轴向载荷作用下，立柱横向挠曲产生附加弯矩的大小与横向挠曲量和轴向载荷有关；4) 立柱细长比不同时，临界载荷不同，当细长比较大时，立柱失稳倾向。4.2.1立柱平衡微分方程根据力学原理，可建立如下平衡微分方程，即 （）， （410）式中 立柱第i段弹性模量； 立柱第i段惯性矩； 立柱第i段挠度；解微分方程，可得微分方程的通解，即 （411） （412） （413）其中 4.2.2 边界条件与衔接条件根据立柱计算模型，可得如下边界条件为 （414）设定： （415）可得以下方程组（以矩阵方式表达），即 （416）解方程组（416），可得到参数，再代入方程（411），（412），（413），可得到以为变量的立柱各点的挠度、转角，和弯矩。4.2.3 立柱各段最大弯矩计算先求最大弯矩及其位置，对下式求极值，令 可得 （417）即为立柱每段最大弯矩的位置当或时，最大弯矩出现在该段立柱的两端，弯矩为和。当时，最大弯矩出现在该段立柱上，弯矩为。4.2.4 油缸折线夹角、的确定油缸折线夹角、关系到立柱的受力状况，因此对油缸夹角的计算会关系立柱系统的稳定，、主要由油缸缸体与活塞之间的间隙决定，在计算中忽略了油缸活塞与活塞杆的同轴度误差。具体的计算如下：（1） 的计算对于双伸缩立柱，主要与小导向套之间的间隙活柱活塞头与中缸内壁之间的间隙决定。 （418）对于单伸缩带加长段立柱按以下公式计算： （419）其中 ：机械加长段与卡环之间的最大间隙； ：机械加长段与中缸之间的最大间隙；：卡环与套环之间的最大间隙。图4-5 双伸缩立柱活柱 图4-6单伸缩带机械加长与段中缸连接方式 立柱活柱与中缸连接方式（2） 的计算可按以下公式计算 （420）其中：中缸与大导向套之间的最大间隙；：中缸活塞头与外缸之间的最大间隙。4.2.5 稳定性校核对于线性方程组中，利用克莱姆法则，可求得挠度的待定系数，即 （421）其中，为矩阵中第列被矩阵所替代而形成的矩阵。在式中，的大小将决定立柱的稳定性。当时，意味着立柱失去稳定，此时，因此，对于给定的立柱，为一定值，故：只要，就意味着立柱失去稳定性。另外参考液压支架液压传动的计算与设计，前苏联波诺马连科著，立柱临界力可有下式确定，该力学模型是建立在分段等截面的压杆稳定性原理的基础上的，欧洲标准也选用该种方法进行稳定性校核： （422）其中，为各级立柱的长度。立柱稳定性计算程序用Mat lab计算软件编制，这样可以充分利用该软件的矩阵计算内部函数，有效地提高计算效率，保障计算结果的可靠性。对于400缸径的立柱挠度及转角计算，参考图4-7，计算的的结果由图形输出，图中实线代表挠度单位（m），点划线代表转角单位（rad）。图4-7 L1段挠度曲线图第一段为活柱的挠度及转角，挠度最小在活柱的头部为，符合边界条件，最大在活柱的底部为，变化范围为，由于该立柱的活柱为圆筒结构，壁厚，但直径在整个立柱中是最小的，所以其刚度较差。最大转角为出现在活柱的头部，最小转角为出现在活柱的尾部，转角变化为。图4-8 L2段挠度曲线图该图为活柱与中缸的重叠部分，该部分的刚度近似两者的刚度和，从图中可以读出该段的头部挠度就是上段的尾部挠度，为，最大挠度出现在该段的尾部为，挠度的变化为，为活柱挠度变化的。头部转角为最大，尾部转角最小为，转角的变化为，明显小于上段。图4-9 L3段挠度曲线图该图为中缸的挠度及转角，中缸的最大挠度为上段的尾部挠度，最小挠度出现在中缸的底部为，挠度变化为，界于一段与二段的挠度变化中间，说明其刚度也在二者中间。转角最大出现在中缸的头部为最小出现在中缸的尾部为，转角变化为得出的刚度结论同上。图4-10 L4段挠度曲线图该段为中缸与外缸重叠部分的挠度及转角，该段的直径，壁厚为最大，刚性最好，从图中的数据也能反映出来，该段的头部挠度最大为，尾部挠度最小为，挠度变化为，,约为活柱挠度变化的。该段转角最大出现在头部为，转角最小出现在尾部为，转角变化为。上述数据表明该段的变形是非常小的。图4-11 L5段挠度曲线图该图表明外缸的挠度及转角的变化情况，最大挠度出现在外缸的头部为，最小挠度在外缸的底部为，符合边界条件，挠度变化为。最大转角出现在外缸的头部为，最小转角出现在外缸底部为，转角变化为，从结果看外缸的刚性界于活柱与中缸之间。从计算的结果还可以得出，立柱在偏载的作用下的总体变形情况为两头高，中间低的拱形。依据临界力的计算公式，也可以计算出，该立柱的临界力为35243KN，安全系数达6.5。符合工程设计要求。第5章 基于Matlab软件的中缸的受力分析MATLAB语言是美国Mathworks公司研制开发的大型计算软件，自1985年问世以来，特别是1993年4.x Windows版本的出现，使得MATLAB语言的使用获得了巨大的发展。现在的主流版本已支持64位的Matlab 2006版。它的强大的矩阵处理与运算功能、丰富的图形绘制能力深受用户的青睐。该软件有着良好的输入输出接口，兼容C，C+等高级语言，有大量的数学原函数库，在使用中可以调用，另具有诸如控制、信号处理，曲线拟合、非线性分析等工具箱，特别适合于工程运算还支持符号运算。现就6.3m液压支架立柱的工况进行强度分析和参数寻优。已知条件为单柱工作阻力为5400KN，现有的材料为,工艺条件确定了油缸的最大加工直径不大于450，缸筒的壁厚小于50。油缸的内径一般依据密封圈的尺寸进行选择，一般是5的倍数。根据已知的条件，结合已有的设计进行类比，可以确定缸壁的厚度应该在3550，初步定45进行计算得下图。图5-1 中缸壁厚45mm时内径应力图由上图可知当壁厚为45时，中缸的内径在350400之间比较合理。当设定壁厚为40时，计算结果如下：图5-2 中缸壁厚40mm时内径应力图由上图可以看出在最大应力为400时，中缸的内径在400500之间，现在的工艺条件很难达到要求。因此可以确定，中缸的壁厚应该选45比较合理。再以壁厚为45为条件进行计算。计算得出下图：图5-3 中缸壁厚45mm时直径应力图当外圆直径为380，工作阻力为6000，加载系数为1.5时，改变内径数值进行搜索，从图中可以看出该应力曲线具有最小值，内径在260左右，此时的壁厚为60，现有的材料很难达到要求，因此选用280，此时的最大应力580小于许用的屈服应力。经过上面的计算分析，对于此立柱中缸的参数可选择为：外径380，内径290，壁厚45，再次调用程序计算进行验证： 图5-4 中缸壁厚45mm时直径方向应力图由上图可以看出应力的最大点出现在内壁上，最大应力约为580小于600，基本满足要求，但安全系数较低，在实际使用中可能会因为液压系统的冲击而产生塑性变形，从而影响立柱的密封性能。可以适当调整内圈的尺寸，当内圈尺寸为280时，通过计算得到下图。图5-5 中缸壁厚50mm时直径方向应力图由上图可以看出，内圈的最大应力为567较上面580略小一些，安全系数为。由此可以看出在不改变中缸截面积的前提下，仅仅依靠增加壁厚，很难提高中缸内壁的最大应力。看来要提高中缸的可靠性主要应采用提高工艺手段的方式进行。比如欧洲的立柱材料的屈服强度基本在800以上，如果是那样那么安全系数为，其次是在加工中让内表面强化，比如现阶段使用的冷滚压加工工艺，也可以使中缸内壁的屈服强度提高。下面再来看中缸没有伸出外缸部分的应力分布情况，假设在工作阻力下中缸的内压为，中缸的外压为外缸的内压，代入程序计算得下图：图5-6 中缸壁厚50mm时直径方向应力图由上图可以看出，最大应力仍出现在中缸的内壁上，但最大应力已大为降低，只有，安全系数，因此可以得出中缸的塑性变形主要出现在中缸伸出外缸的那部分，也可以解释在实际使用中，由于受到支撑顶板的强力冲击，立柱的中缸伸出部最容易产生塑性变形，使中缸不能缩回外缸中的情况。用Matlab编制的缸体应力分析程序不仅可以计算油缸的强度，还可以分析应力的分布趋势，及各结构参数对应力的影响，为提高设计效率，加强设计依据提供了有效的手段。外缸的计算方法，可以应用中缸的计算程序，一般只要假设即可。对上述外缸的内径为400，壁厚为30，内压为42时的计算结果如下：油缸的强度校核计算对比，并以测试结果为依据从而找出两种计算方法的共性及变异。选择合理的计算方法。图5-7 外缸直径方向应力图缸体的最大应力出现在外缸的内壁，应力为第6章 立柱结构合理化6.1柱塞密封结构 目前，国内用于立柱柱塞密封的密封圈形式有3种：鼓形密封圈、山形密封圈和楔形密封圈。鼓形密封圈使用的较早，使用的数量也多，但其断面大，对扩展立柱行程有一定影响，尤其对双伸缩立柱行程的 影响较大。鼓形密封圈的结构和柱塞结构较复杂，制造成本高。为满足液压支架发展的需要，煤炭科学院总院北京开采所研制了SH系列山形密封圈，其主要特点是：断面小，可增大立柱的伸缩比，扩大支架适用范围；结构简单，便于制造，成本低；密封面贴有伸缩性好的斜纹布，摩擦阻力小，动作灵活；简化了活塞头结构，并减少了零件数量，提高了密封圈结构的可靠性，降低了造价。SH系列山形密封圈于1987年研制成功，推广使用后取得了较大的技术经济效益。为提高密封可靠性，曾对密封沟槽尺寸做了部分修改，小规格的山形密封圈因其伸缩量小，装配布慎易出现局部损坏，因此，改为纯橡胶制作。SH系列山形密封圈沟槽尺寸已经列入MT/T5761996液压支架立柱、千斤顶活塞和活塞杆用带支撑环的密封圈沟槽型式、尺寸和公差标准中。6.2 SH山形密封圈与配套使用的SHJ型活塞导向环（1） 山形密封圈断面形状如图61所示，尺寸系列见表61图6-1 山形密封圈断面表6-1 山形密封圈尺寸系列 单位：mm组别型号参数DBB1B2HH1一组SH63x6.56314816.52.5SH80x7.58014816.52.5二组SH100x7.510016101.257.53SH125x7.512516101.257.53三组SH140x91401913293.5SH160x91601913293.5SH180x91801913293.5四组SH200x1120023172114SH230x1123023172114注：适合工作压力。它与两个SHJ型活塞导向环配套使用（2）SHJ活塞导向环断面形状见图6-2，尺寸系列见表6-2。图6-2 SHJ活塞导向环断面表6-2 SHJ活塞导向环尺寸系列 单位：mm组别型号参数DH1H2BB1一组SHJ63633.53129SHJ80803.53129二组SHJ1001003.53129SHJ1251253.53129三组SHJ14014043129SHJ16016043129SHJ18018043129四组SHJ20020053129SHJ23023053129注：SHJ型活塞导向环与山形橡胶密封圈配套使用。（3） 双伸缩立柱用山形密封圈和鼓形密封圈的柱塞布置对比楔形密封圈虽已研制，但没推广使用。根据用户的要求，煤炭科学研究总院北京开采研究所设计了使用鼓形密封圈的立柱。6.3 缸口的连接立柱缸口连接的结构型式较多，可归纳为3种：螺纹连接，这种连接方式结构简单，连接可靠，易实现机械化装、卸，但加工时需保证同心度；卡键连接，本连接方式结构较复杂，但装拆容易，便于维修；钢丝连接（方形和圆形钢丝），结构简单，但拆卸困难，维修不便。这3种连接方式各有特点，设计、生产和使用单位看法不太一致，前两种连接方式使用较多。煤炭科学研究总院北京开采所根据多年设计、生产和使用经验，在这次立柱和千斤顶的系列化、标准化和通用化的设计中，立柱缸口连接大多采用螺纹连接。但为满足用户的要求，也设计了卡键连接方式。6.4 统一焊缝坡口形式及尺寸 早期设计的立柱缸底与缸筒、活柱柱塞、柱头与柱管的焊接坡口形式及尺寸不统一，有些偏大，有些偏小。前者焊接工作量大、易变形，后者影响熔深，因而影响焊缝强度。现在，根据GB89588气焊、手工电弧焊及气体保护焊焊缝坡口的基本形式与尺寸统一了坡口形式及尺寸。缸底与缸筒之间单边“V”形坡口，坡口设在缸筒上，坡口角为。柱管与柱头、柱塞之间为双边“V”形坡口，坡口角。6.5 解决缸口漏夜 调研中发现，有些大缸径立柱缸口漏夜，部位多为“O”形密封圈处，原因是原设计采用动密封圈沟槽尺寸，这种密封沟槽尺寸对“O”形密封圈初始压缩量偏小，造成漏夜。在目前的系列设计中，根据“O”形密封圈公差值及沟槽尺寸极限值的计算，将沟底尺寸做了调整，保证组装后对“O”形密封圈有合理的预压缩量，以解决缸口漏夜问题。6.6 导向套结构改进 过去立柱外导向套采用的结构其材料为20号钢，由于实际使用中不会出现全伸内加载状态，没发现过导向套与柱塞肩部（或限位套）接触面压坏。但按MT31292液压支架通用技术条件规定的强度试验要求，需将立柱升至全行程，活塞腔加压至额定泵压的125%，持续5min，考核导向套与活塞限位部接触面的强度。在这种条件下试验，20号钢的抗压强度不够，经计算压应力有的达325.2MPa，远大于20号钢的屈服限200MPa。为此，设计中将导向套材料改为40Cr，并经调质处。为避免导向套与活柱直接摩擦造成活柱和导向套擦伤，故采用带有聚甲醛制成的导向环结构。6.7 简化立柱结构 采用山形密封圈密封使立柱柱塞头的结构简化，省去使用鼓形密封圈时的支撑环、卡键，降低了加工成本，提高了可靠性，也有利于增加立柱的伸缩值。6.8 提高标准化、系列化和通用化水平 按支架发展的要求，设计了系列缸径、系列高度多种结构的立柱。相同缸径的立柱缸底、柱塞、导向套等零件均为共用件，这样就加快了设计进度，提高了设计质量和可靠性，也便于加工、使用和维护。6.9 加大进回液孔径 立柱上的所有进回液孔径和通液管内径都有所加大，减少了进回液阻力，有利于提高移架速度。6.10 加大连接销轴直径 加大柱头、机械接长杆的头部和中部与套环连接销轴直径，以及缸底连接用的半圆形销槽直径，增加了立柱与顶梁、底座的连接强度，解决了使用中这些地方销子弯曲、断裂等强度不够的问题。参考文献：1 雷天觉. 液压工程手册. 机械工业出版社,19902 刘鸿文.简明材料力学.高等教育出版社,19953 王启广、李炳文、黄嘉兴.采掘机械与支护设备.中国矿业大学出版社,20064 甘永立.几何量公差与检测. 上海科学技术出版社，20055 张建中、黄达忠.机械设计基础课程设计.中国矿业大学出版社,19926 王洪欣，李木，刘秉. 机械设计工程学I. 中国矿业大学出版社,20007 唐大放，冯晓宁，杨现卿. 机械设计工程学II. 中国矿业大学出版社，20018 吴宗泽. 机械零件设计手册. 机械工业出版社,20039 蒋国安、郭福君、罗太炎.液压支架.山东科学技术出版社,198010 严金坤、张培生. 液压传动. 国防工业出版社,197911 陈忠恕、朱德正. 液压支架的平衡千斤顶. 煤炭科学出版社,1982致谢六月的到来，也就意味着03级的本科生离校的时间，心里真是百感交集。好多话语已经变成对母校、导师、同学的思念。跟他们相处的日子是我快乐的大学四年的全部。毕业设计是离开大学最后的一门课，因此大家都很认真的对待她，我也不例外。从设计任务的确定和查资料开始，大家都一步一个脚印，慢慢的开展开来了。当然，设计的过程中，除不了导师和同学们的帮助。在这几个月内，老师同学的帮助是无微不至的，在此，我要真心的谢谢你们，有了你们的帮助我才能走的更远。才能完成这次毕业设计。在设计的过程中，对我以前的知识是个总结，让我更知道自己的能力。当然设计并不是一个人能完成的，首先我要感谢指导我的导师舒风翔舒教授，没有舒教授，我的设计不可能这么快完成的，我也就不能进步的。舒教授的无微不至，每次有问题都帮我们解决，孜孜不倦的给我们讲解，分析其中的原理，让我们有的放失。我们才能完成的更顺利。而且舒教授一点一点的给我们改图，解释错误的原因。所以要特别的谢谢舒教授，您辛苦了。其次，我还要感谢其他的导师，在设计的过程中帮了我不少的忙，谢谢你们。在此，要向你们表示这真诚的感谢。最后，还要谢谢各位同学在这段时间给我的鼓励与帮助，陪我度过最后一个学期，共同完成了我们最后的一门课。附录一、对个参数进行定义：%输入参数%柱缸直径D(1,1),D(1,2);长度 l(1),l(2)%中缸直径D(2,1),D(2,2);长度l(3),l(4)%活外缸直径D(3,1),D(3,2);长度l(5)%a(1)为活柱中心线与中缸中心线的夹角%a(2)为中缸中心线与外缸中心线的夹角%dalt(1)为活柱与导向套的间隙 %dalt(2)为活柱活塞头与外柱内壁的间隙%dalt(3)中缸与大导向套之间的间隙%dalt(4)中缸活塞头与外缸之间的间隙%dalt(11)卡环与卡环套之间的间隙%材料杨氏模量E=206000000000Pa;%e(1),e(2)为加载偏心矩mm;%p为工作阻力N;D(1,1)=0.26;D(1,2)=0.17;l(1)=1.675;l(2)=0.493;D(2,1)=0.
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