防窜仓往复式给煤机正稿

防窜仓往复式给煤机1 绪论1.1 往复式给煤机1.1.1 用途K型往复式给煤机用于煤或其它磨琢性小、粘性小的松散粒状物料的给料，将储仓或料坑里的物料连续均匀地卸落到运输设备或其他筛选设备中。1.1.2 工作原理与结构说明K型给煤机由机架、底板（给煤槽）、传动平台、漏斗、闸门、托辊等组成。当电机开动后经弹性联轴器、减速机、曲柄连杆机构拖动倾料5的底板在辊上作直线往复运动，煤均匀地卸到其他设备上。本机可根据需要设有带漏斗、不带漏斗两种形式。给煤机设有两种结构形式：1、带调节闸门 2、不带调节闸门，其给料能力由底板行程来达到。K 型给煤机外形尺寸图：杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 2 -图 1-1K 型给煤机1、减速机 2、电动机 3、传动平台 4、联轴器 5、H 形架 6、连杆 7、给煤槽 8、闸门 9、机架 10、漏斗 11、托辊1.2 往复式给煤机防窜仓装置的设计研究往复式给煤机安装在煤仓下口处，在煤矿井下生产中，设置一定容量的煤仓对于保证消峰平谷和高产、高效是十分必要的。它可以有效地提高工作面采掘设备的利用率，充分发挥运输系统的潜力，保证连续均衡生产。但是，煤仓窜仓事故在我国煤矿经常发生。窜仓事故常造成设备严重损坏，井下停产，当窜仓煤量较大时，还会阻塞巷道，造成运输巷通风不畅，引起瓦斯爆炸等事故。1.2.1 方案构思研制防窜仓装置的最终目的是控制给煤机闸门，使其能在窜仓发生时非常快地关闭，减少水煤流量，以防止和降低窜仓所造成的对人身安全和运输系统的危害。为此，防窜仓装置应能满足两个工作状态，一是给煤机正常工作时对闸门位置的控制，以达到对给煤机给煤量的控制和煤仓中有水时对窜仓事故的预防；二是在窜仓发生时能立即检测到并控制防窜仓装置快速关闭闸门，在窜仓得到有效控制后，可适当调整闸门开度，使仓中的水煤按一定的控制流量排出。（1）针对防窜仓装置工作特点，对系统方案拟定如下：防窜仓装置的组成。防窜仓装置由液压传动系统，机械执行机构、电气控制系统和传感器组成。 闸门快速关闭所需要的动力。 (2)设计时主要考虑以下几点：合理选择液压系统的参数，包括蓄能器的气体常数，充液压力，管路直径和长度，可以使防窜仓装置和闸门关闭时间控制在1 S以内。蓄能器的气体常数和充液压力对系统的影响较大，如此值偏大，则液压缸活塞的运动速度增长过快，加速度大，对系统冲击也大；如此值偏小，则液压缸活塞的运动速度增大过缓，且速度衰减也较快。管路直径对系统的性能影响最大，如管路直径偏小，则管内液体的流速就大，运动阻力急剧增加，造成液压缸活塞的运动加速度衰减过快，活塞运动速度上不去，影响闸门关闭时间。在闸门关闭时间控制在1 S以内的技术指标下，管路长度可以满足液压动力装置实际工程应用中灵活布置的要求。 闸门质量、转动惯量的变化对系统的性能影响要很小。本液压动力装置能够适应不同的往复式给煤机其闸门质量及转动惯量变化的要求，具有一定的通用性。1.2.2 工作原理杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 4 -根据防窜仓装置的工作特点和所拟定的方案，设计了防窜仓装置，其工作原理如图1所示，系统的工作原理简述如下：4689 75123图1-2 工作原理图1、过滤器；2、液压泵；3、压力表；4、直动型溢流阀；5、三位四通手动换向阀（M型滑阀机能） ；6、节流阀；7、单向阀；8、液压缸；9、闸门。1.3 K4型给煤机的技术改造随着矿井的延伸，井下使用K4型给煤机的数量不断增加。由于在使用中，发现该机在结构上存在一些问题，为此我们对其进行了技术改造。1.3.1 存在的问题该机主要由电动机、减速器、曲拐、底托板、底托轮、后斜板、侧板、弧形门、煤仓缩口联接盘等组成。主要技术参数为：电动机功率：185kW；给煤量：132、268、395、530Ch。该机使用中主要存在以下问题：(1)底托板易弯曲变形。原因是：支撑轮间跨度大，抗弯能力低；钢板厚度较薄(1012 mm)，随着过煤量的增加，磨损严重；放煤时受煤块频繁冲击砸压，发生变形、弯曲。(2)后斜板和侧板易变形。原因是：受煤仓煤流频繁冲击，从而发生变形。(3)弧形门不能随意调节，无法控制煤仓跑水煤现象。原因是：在给煤机运行过程中，因经常发生跑水煤现象，冲坏输送机托辊、埋住机架、甚至发生伤人的安全事故。1.3.2 改进措施(1)底托板，增设支撑轮装置在底托板下面焊接2根轨距为600mm的矿用轨道，以底托板中心线对称布置，支撑轮顶在轨道上。运行时轨道与底托板一起运动 支撑轮做旋转运动。支撑轮采用普通矿车轮，矿车轮用支座安装在承载梁上，承载梁用矿用l2 工字钢，承载梁下为2根与底板固定的工字钢立柱。支撑轮支座用8条MI6 X60螺栓与承载梁上焊接的钢板连接，便于支撑轮因磨损或轴承故障时更换方便。这样，底托板由4点支撑变为6点支撑，跨度缩小，抗弯曲能力大大提高。(2)后斜板加焊矿用l2 工字钢在后斜板加焊与给煤机给煤方向垂直的水平工字钢，工字钢采用矿用3根l2 工字钢，长度与给煤机后斜板宽度相同，这样增强了后斜板的抗弯曲能力。 (3)底托板、后斜板和侧板均增加衬板衬板均采用6=12ram的普通锰钢。底托板的1块衬板，四周用20条MI6 X60的沉头螺栓与原底托板连接。后斜板衬板1块，四周用l6条M16 X60的沉头螺栓与原后斜板连接。侧板杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 6 -衬板左右各1块，每块用22条M16 X60的沉头螺栓与侧板连接。(4)弧形门增加电动控制装置装置包括电动机、减速器、卷筒、钢丝绳、导向滑轮、固定平台。电动机和减速器采用SSJ一1000110 X 2型可伸缩带式输送机的收带装置，卷筒和导向滑轮自制加工，钢丝绳直径 l55mm，固定平台由6-12mm钢板和矿用l2 工字钢制作。改造后，给煤机在运行过程中可实现无级调节，可随时控制给煤量的大小，当有水煤时，司机可立即按下控制按钮，将弧形门放下，减少给煤量。当水煤放完后，可将弧形门重新开大，调大给煤量。弧形门上设有过位保护装置，使弧形门在最低位置时与底托间之间仅有2050mm的间隙，这样可防止弧形门挤坏底托板，经现场使用，效果良好。(5)实施要点1)在新安装每台给煤机时应事先在下井前完成上述改造项目。如果使用后再进行改造，由于底托板、后斜板与侧板变形弯曲，实施难度加大。2)所有衬板用沉头螺栓与底托板、后斜板、侧板连接后，再在各板四边进行点焊，使衬板与原板牢靠地成为一体，可大大延长衬板的使用时间，同时便于更换衬板。3)弧形门电动控制装置平台与给煤机放煤口要保持一定的安全距离(一般为1215 m)，当煤仓内有大量水煤时，司机可站在给煤机前方安全地点操作，可确保人身安全，此点在斜巷运输中更为重要。1.3.3 经济效益(1)K4型给煤机改造前，一般只能用2 a，改造后可使用56 a，每台改造费用1万元，计入6a内更换衬板2次、费用2万元，共计3万元。而在改造前6a内需更换2台给煤机，需花费30万元。(2)对于运煤系统而言，运煤系统沿途布置多台给煤机，每台给煤机检修时，为了确保安全，需停止下面的带式输送机，这样将严重制约运煤系统的运行时间；改造后，由于可避免运煤系统输送机频繁停机，从而可提高主运煤系统的有效运行时间。2 电动机和减速器的选用已知：如下图所示曲柄 AB=150mm，连杆长 BC=1.2m，曲柄转速n=62r/min，滑块行程 250mm,=220mm4l12ll3l4l杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 8 -图 2-1 曲柄滑块机构示意图在如图所示的曲柄滑块机构中，已知杆长 、 、 、 ，原动件 11l23l4的正向转角及正向角速度分别为 ， ，要求滑块的速度 v，加速度 a12.1 位移分析将 ABCD 看作一向量封闭多边形，则该机构的向量封闭方程式为1234ll（）2iiiee按欧拉公式展开得 112234cosincosincosin2lll方程的实部和虚部应分别相等，即123slll（）4ini消去 后得212223144cossinsin()llll（）连杆倾角1224inaril（）2.2速度分析将式（）对时间求导得123iilell将上式乘以 得) )1222(3iiillel按欧拉公式展开，取实部后得速度 1213()sincolv角速度 1122sl2.3 加速度分析将式（）对时间求导两次，经整理后得加速度 22 112331os()cosc)la角加速度 221ossinic如下图所示采用图解法求出极限位置的角度杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 10 -2501251209.68?9.5?20图 2-2 曲柄滑块机构极限位置的角速度 162.4930/rads速度 12()sincolv56.49i.85s0.1/m最大加速度 22 1123()oscosc)la22 39.685cos9.6856.4cs5 20.65/ms最大速度 .24/vs取料仓的高为 950mm，长为 1250mm，宽为即为底板行程 250mm19012501250625h1=650 95013K两 S两KS图 2-3 料仓口尺寸给煤机每小时的生产量 v式中 料仓的体积；煤的密度，一般取煤 1.2煤所以 Sv9950120.608t/h给煤机槽体内煤的质量：1 1195079025.6025.27tm底板选用中碳钢，其密度 ，底板厚度取 15mm，则底板尺寸为7.821杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 12 -底板质量：219057.820.tm推动力： max12F3.7080.624185N2.4 往复式给煤机的工作简述往复式给煤机由槽形机体和带有曲柄连杆装置的活动底板组成。底板是工作机构。由于曲柄连杆装置的作用，底板作有规律的往复运动。当底板正行时，将煤仓和槽形机体内的煤带到机体前端；底板逆行时，槽形机体内的煤被机体后部的斜板挡住，底板与煤之间产生相对滑动，机体前端的煤自行落下。由于底板往复运动的结果，机体内的煤连续地卸落到运输设备或筛选设备上。能耗分析2.4.1 往复式给煤机的运行阻力往复式给煤机运行时，电动机功率主要消耗在克服下列阻力上。正行时：底板在托滚轮上的运行阻力 和煤与固定侧板的摩擦阻力 。1F2F逆行时：底板在托滚轮上的运行阻力 和煤与底板的摩擦阻力 。3此外，还有一些能量消耗在克服底板加速运动时的运行阻力上。往复式给煤机正行时的功耗是有效功耗，逆行时的功耗是无效功耗。2.4.2 往复式给煤机的运行阻力由以下公式计算 12Fmg3.70819.0834N式中 重力加速度，g2.m/sg底板在托滚轮上的运行阻力系数，w0.8w221hFl式中 煤与钢的摩擦系数，取 .3煤对侧板的侧压系数， 09底板上煤的厚度，h1.7654mh煤的松散容重，3kg/给煤机底板水平投影长度，1l190cos385ml所以 221hFlg20.45.91.85.964N313.7.7.正行阻力： 412496328.7F杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 14 -逆行阻力： 51324.796.1028KNF2.4.3 电动机功率的计算给煤机所需的最大功率： max5axvFP30.6251.84KW3412图 2-4 传动图1电动机；2联轴器；3二级齿轮箱,实现二级减速；4曲柄滑块机构。输入曲柄滑块机构的功率：00P式中 曲柄滑块机构的效率， 0.9 给煤机工作时所需的最大功率PmaxP006.42597.138KW输入减速器的功率：01P式中 输入曲柄滑块机构的功率0减速器的效率减速器的效率 231式中 齿轮的传动效率，取 10.95轴承的效率，2联轴器的效率，33.7所以减速器的效率 20.95.8092所以 01 KW7.6P电动机需输出的功率：214式中 联轴器的效率，440.98所以 1428.6735P电动机所需的功率：325式中 联轴器的效率，550.89杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 16 -所以 3258.09.8KWP2.5 电动机的选型参考资料 7 的表 16-1-89,YB 系列隔爆型三相异步电动机选 180L-6 型,技术参数如下：功率（KW）转速(r/min)效率(%)重量(kg)15 970 89.5 2602.6 减速器的传动比01in式中 电动机的转速， 097/minr曲柄的转速，1162n所以 097625.4ni2.7 减速器的选用减速器的承受能力受机械强度和热平衡许用功率两方面的限制。因此减速器的选用必须通过以下两个步骤。（1） 选用减速器的公称输入功率 ，应满足：NP21ASRcPK 式中 计算功率，KW；1cP载荷功率，KW；2减速器的公称输入功率，KW；N工况系数（即使用系数） ；AK启动系数；S可靠度系数；R往复式给煤机载荷为强冲击，查表 15-2-8 得 ，考虑到每天 24 小1.5AK时工作，应将 再加大 15%，所以 ；选取启动系数 和可AK.72SK靠度系数 ，查表 15-2-9 和 15-2-10 得 、 ；所以计算R S.6R功率 ：1cP21ASRcP6.45.71.5682KWN（2） 校核热平衡许用功率，应满足：或21231t GPf2P式中 计算热功率，KW；t、 减速器热功率，无冷却装置为 ，有1G2 1GP冷却装置为 ；P、 、 环境温度系数 ，载荷率系数 ，1f23f1f2f杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 18 -公称功率利用系数 ；3f查表 15-2-11、15-2-12 、15-2-13 得： ， （每天 24h1.5f21f连续工作） ， 231.56.4209NPf所以热平衡许用功率： 2123tf6.45.5108KW查表 15-2-7，对于 ZLY224 型， 23GtPP:所以选用 ZLY224 型减速器两两两两两两两两两两两i=15.64两两两a=16m两两两两两两两两两两两两两两ZLY24-15.64-IJB/T853-199图 2-5 ZLY224 型减速器3 联轴器的选型联轴器，连接两轴或轴和回转件，在传递转矩和运动过程中一同回转而不脱开的一种机械装置。弹性联轴器，即利用弹性元件的弹性变形，以实现补尝两轴相对位移，缓和冲击和吸收振动的扰性联轴器。选用弹性柱销联轴器 HL3，如图 3-1 所示，弹性柱销联轴器是利用若干非金属材料制成的柱销，置于两半联轴器凸缘的孔中，以实现两半联轴器连接。该联轴器结构简单，装拆方便，弹性元件材料一般多用尼龙 6，耐磨性好，有微量补偿和和吸振能力，弹性元件受剪切，超载荷工作不可靠。适用于启动频繁，正反转多变，带载荷启动的中速轴系传动，不适用于工作要求高的部位，不宜用于重载、高速、有强烈冲击和振动较大的轴系传动，对于径向及角向位移大的工况以及安装精度较低的轴系传动，亦不宜选用。图 3-1 弹性柱销联轴器3.1 联轴器的转矩联轴器的主要参数是公称转矩 ，选用时转矩应符合下列关系：nTmaxac T式中： 理论转矩 ；TN:计算转矩 ；c杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 20 -公称转矩 ；nTNm:许用转矩 ；许用最大转矩 ；max最大转矩 。TN:3.2 联轴器的理论转矩计算联轴器的理论转矩是由功率和工作转速计算而得，即：950wPTn式中： 驱动功率 ；wKW工作转速 ；mir所以 950wPTn159.47K3.3 联轴器的计算转矩计算联轴器的计算转矩是由理论转矩和动力机系数、工况系数及其他有关系数计算而得，即：cwztTK式中： 动力机系数， ；1.wK工况系数， ；.25 起动系数， ；zK1zK温度系数， 。t t所以： cwztT9.471.251368Nm:3.4 强度验算弹性柱销联轴器中的柱销在工作时，处于剪切和挤压状态。3.4.1 抗剪强度验算2138cTDZd式中： 联轴器的计算转矩， ； c Nm:柱销中心分布圆直径， （ ） ；1柱销数；Z 柱销直径， （ ） ；3d柱销材料的许用切应力，可取 ； 7MPa所以： 2138cTDZd36.7084通过0.MPa杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 22 -3.4.2 压强验算134cTppDZdl式中： 柱销长度， （ ） ；lm柱销材料的许用压强，可取；1520MPap:所以： 134cTpDZdl36.780420.MPap4 辊轮轴的设计4.1 辊轮轴的设计计算(1)根据机械传动方案的整体布局，拟定轴上零件的布局和装配方案考虑整体布局，拟订不同的装配方案进行分析对比，选用如图 4-1所示的装配方案。61 23 4 5图 4-1 辊轮轴的整体布局(2)选择轴的材料该轴是心轴，转速较低，选用 45 号钢，调质处理，其力学性能参考资料 3 由表 21-1 查得抗拉强度 屈服点 640MPabMPas35弯曲疲劳极限 剪切疲劳极限2751 1许用弯曲应力 s2072.0.0(3)初步估算轴的的直径145md(4)轴上零部件的选择和轴的结构设计初步选择滚动轴承根据轴的受力，选取 30000 型圆锥滚子轴承，为了便于轴承的装配，取装轴承处的直径 。初选滚动轴承为 30212 型，其尺寸为60d，定位轴肩高度m12dDB3mh根据轴向定位的要求确定轴的各段直径和长度杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 24 -轴段安装固定板，为了把该轴固定在箱体上，取该轴段直径，长度 。轴段安装螺母，为了固定旁边的套筒，145md165l取该轴段直径 ，长度 。轴段装有套筒，为了固定20d230ml轴承内圈，取该轴段直径 ，长度 。轴段安装轴承334l和套筒，装在轴承中间的套筒为了固定轴承内圈，取该轴段直径 ，460d长度 。轴段安装唇形密封圈，取该轴段直径 ，长457ml 5m度 ；轴段 ，长度 ；所以该轴总长度2670md670l13452182llll5）轴的受力分析 作出轴的计算简图A BF1 F2GC图 4-2 轴的受力分析 求支反力在垂直面内的支反力由 得0F12FG又 ，所以ACB式中： 煤仓的重力和煤仓内煤的重力， ；N煤仓内煤的质量：11195079025.6025.27tm底板选用中碳钢，其密度 ，底板厚度取 15mm，则底板尺寸为.82底板的质量：2190517.820.tm侧板选用中碳钢，其密度 ，侧板厚度取 15mm，则底板尺寸如下.图：13950h1=650625图 4-3 侧板尺寸布置侧板的质量： 9365092cos13625017.820.3tm所以 1Gmg杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 26 -32.708.910.831N所以 125.6=.KFGmaxM0.42704m:A BXYMmaxC图 4-4 弯矩图 轴的强度计算通常把轴当作置于铰链支座上的梁。轴上零件传来的力，通常当作集中力来考虑，其作用点取为零件轮缘宽度的中点，轴上转矩则从轮毂宽度的中点算起。轴上支撑反力的作用点，根据轴承的类型和组合确定。如果作用在轴上的各载荷不在同一平面内，则可分解到两个相互垂直的平面，然后分别求这两个平面内的弯矩，再按矢量法求得合成弯矩。按弯矩强度条件计算 22DVHDM式中： 轴计算截面上的合成弯矩， ；Nm: 轴计算垂直截面上的合成弯矩， ；DHMNm:轴计算水平截面上的合成弯矩， ；V所以 22DVHD1705468.Nm:C 截面的当量弯矩 22TMDca式中： 轴计算截面上的当量弯矩， ；c Nm:考虑转矩和弯矩的作用性质差异的系数，当扭切应力按对称循环变化时， ；当扭1切应力按脉动循环变化时， ；当扭0.6切应力不变化时 ；.3轴计算截面上的转矩，TNm:所以 22MDca4658.0.N:弯曲应力： 310caDd式中： 轴计算截面上的直径， ；m所以 3caDM104658.杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 28 -安全121.5MPa60Pa4.2 辊轮轴强度的校核(1)按安全系数校核计算按安全系数的校核计算有两种，一种是根据材料疲劳极限计算轴危险截面处的疲劳强度安全系数，载荷按轴上长期作用的最大变载荷进行计算；另一种是根据材料屈服强度计算轴危险截面处的静强度安全系数。载荷是根据轴的短时最大载荷来计算的。危险截面的位置应是弯矩等较大及截面面积较小处，当按疲劳强度计算时，还应考虑应力集中较严重处，也就是实际应力较大的截面。当在同一截面处有几个应力集中源时，取各源所引起的应力集中的最大值。按疲劳强度的安全系数计算：根据轴的结构尺寸及弯矩图，转矩图、截面 C 处弯矩最大，为危险截面，其应力幅为WMDa式中：W抗弯截面系数；333.1460295m2d所以： MDa4658.=21.9Pa 安全a160MPa(2)验算轴承寿命一般工作条件下的滚动轴承往往因疲劳点蚀而失效，滚动轴承尺寸主要取决于疲劳寿命。计算滚动轴承基本额定寿命的公式是；10CLP式中： 失效率 10%的基本额定寿命；10基本额定动载荷， ；N当量动载荷， ；P寿命指数，对于滚子轴承 。 103若轴承工作转速为 n(r/min)，以小时数为单位基本额定寿命公式为：61067hCLnP计算轴承支反力合成支反力 2220153.60.NAHVARBB轴承的派生轴向力1503.6517.822ARSNY.B轴承所受的轴向载荷杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 30 -因 BAaSK37615.892.B N.NA轴承的当量动载荷5167.80.3.4A eR，1X1Y所以： 1rAP503.657.82N89.0.41BAeR，4.02X5.2Y所以： 2rBPA.103.6892.954N轴承寿命因 ，故按 计算 查得 ，12rP1r 5.1pftf0 03663122h78.trhpfCLn式中： 基本额定动载荷， 。r N 5 液压缸的设计5.1 料仓口的尺寸设计设料仓口的尺寸为 ，煤仓的高度为 ，如下图所示：108m20ms625 10001000800s两图 5-1 料仓口的尺寸所以当全部关上闸门后，闸门所承受的力为最大，此时，闸门上部煤仓内煤的质量为：mV式中： 煤的密度， ；31.20kgm全部关上闸门后，闸门上部煤仓内煤的体积，；3m所以 mV31.20.820杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 32 -319.20kgt5.2 液压缸的受力分析（1）关闸门时所受的最大摩擦力是在全部关上闸门后，此时为静摩擦力，可按下式计算：1Fmg式中： 闸门与料仓口的摩擦力，取 ；0.16闸门上部煤仓内煤的质量，kg；g10Nkg所以： 1Fm3.69.2307K（2）密封装置的密封阻力：0.cos13F式中 0.03 为密封系数所以 0.3s26co13.7KN（3）液压缸的最大牵引力即液压缸要克服的最大阻力： 21F30.79264KN5.3 液压缸的推力和速度单活塞杆缸只有一端有活塞杆，如下图 1，它主要由缸底、缸筒、缸头、活塞、活塞杆、导向套、缓冲套、节流阀、带放气孔的单向阀及密封装置等组成。缸筒与法兰焊接成一体，通过螺钉与缸底、缸头连接。活塞与缸筒、活塞杆与缸盖之间在半剖视图上部为橡塑组合密封，下部为唇形密封。 单活塞杆缸也有缸筒固定和活塞杆固定两种安装形式。两种安装方式的工作台移动范围均为活塞有效行程 的两倍。l单活塞杆缸因左、右两腔有效面积 和 不等，因此当进油腔和回1A2油腔压力分别为 和 输入左右两腔的流量均为 时，液压缸左、右两1p2 q个方向的推力和速度不相同。非差动连接时，有杆腔进油，无杆腔回油时，如图 2 所示，液压缸输出的的推力和速度分别为22121114mmFpApDpd22vvqd杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 34 -V2A2A1 dDp1qp2F2图 5-2 非差动连接差动连接时，将单活塞杆液压缸两侧同时与压力油接通，如图 3 所示，液压缸输出的推力和速度分别为231211()4mmFpApDd3212vvqA2A1 dDV3F3qq+qp1q图 5-3 差动连接式中 液压缸内截面积， ；1A2m除了活塞杆截面后剩余的液压缸截面积， ；2 2m活塞直径，m；D活塞杆直径，m；d为输入流量，ml/s；q、 为缸的进出口压力，N；1p2、 为缸的机械、容积效率；mv机械效率 其损失由相对运动副的摩擦造成，采用不同密封时机械效率有区别，通常取机械效率 。0.9m容积效率 其损失由密封处泄露，通常取容积效率 。0.981v:装弹性密封圈时取 ，装活塞环时 。1v .8v5.4 液压缸的主要尺寸计算5.4.1 液压缸内径及活塞杆直径的确定液压缸的工作压力 P 为 6.3 ,确定液压缸的内径为Ma34FDp式中： 液压缸要克服的最大阻力，N；3液压缸的工作压力， ；Pa杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 36 -所以 34FDp31.6079.8m参考资料 8 的表 20-6-2 圆整取 90D5.4.2 油液作用在单位面积上的压强FpAMPa式中： 作用在活塞上的载荷，N；活塞的有效工作面积， ；2m所以： FpA321.6409.7MPa选液压缸的额定工作压力为 合适6.3从上式可知，压力值的建立是由载荷的存在而产生的。在同一个活塞的有效工作面积上，载荷越大，克服载荷所需要的压力就越大。换句话说，如果活塞的有效工作面积一定，油液压力越大，活塞产生的作用力就越大。额定压力（公称压力） ，是液压缸能用以长期工作的压力，应符Np合或接近下表规定的数值。级别 压力范围 MPa低压 00.5中压 2.58中高压 816高压 1632超高压 32所以该系统为中压系统最高允许压力 ，也是动态试验压力，是液压缸在瞬间所能承受的极maxp限压力。max1.5Np耐压试验压力 ，是检查液压缸质量时需要承受的试验压力，即在rp此压力下不出现变形、裂缝或爆裂。 .rN5.4.3 液压缸的理论作用力按下式确定0tF式中： 活塞杆上的实际作用力；0负载率，一般取 ；0.57:液压缸的总效率， ；t98t杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 38 -所以 031.645.8KN9tF5.4.4 确定液压缸的壁厚液压缸的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，在本设计中，采用的热轧无缝钢管，缸管材料为35 钢，其缸壁厚度计算公式通过查参考文献8得：2YpD式中： 缸体壁厚，mm；实验压力（Pa） ，一般取（ ）p;Yp1.23:P液压缸的最高工作压力， p=6.3Mpa；D液压缸的内径（mm） ；材料的许用应力，当 p20Mpa时，用钢材，；10MPa:所以 2Yp61.53098.5取壁厚 m所以液压缸的外径 129010mD5.4.5 缸筒壁厚验算（1）验算极限压力额定工作压力 应低于一定极限值,以保证工作安全：np21()0.35snDP式中： 缸筒材料的屈服强度 ；s 320MPas液压缸的内径（mm） ；液压缸的外径（mm） ；1D所以21()0.35snP=2(09). 37.02MPa通过6.3MPa7.a（2）验算完全塑性变形压力 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：即(0.35.42)nrlPP:10.3lgsD0824.37MPa9通过6.3MPa24.7a（3）验算缸筒爆裂应力杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 40 -12.3lgrbDP式中： 缸筒材料的抗拉强度 ；540MPab液压缸的内径（mm） ；液压缸的外径（mm） ；1D所以： 12.3lgrbP054l9108.Ma所以 通过nrP5.5 活塞杆的设计5.5.1 活塞杆的结构、尺寸的确定活塞杆是液压缸传递力的重要零件,它承受拉力、压力、弯曲力和振动冲击等多种作用力，必须有足够的强度和刚度。对于双作用单边活塞杆液压缸，其活塞杆直径 d 可根据往复运动速比 （即面积比）来确定1dD.46901所以参考资料 8 的表 20-6-2 活塞杆直径系列圆整取取活塞杆的直径为 63md5.5.2 活塞杆的直径的强度校核在活塞杆仅承受轴向载荷的稳定状态下，活塞杆的直径按照简单的拉、压强度计算：23.5710Fd式中 活塞杆的许用应力（ ）MPa活塞杆一般采用 35 或 45 钢等材料， =100120MPa选取 =120 ；Pa23.5710Fd23.64KN.MPa18.m3d根据表 20-6-3 给出的活塞杆外径尺寸系列圆整成标准为：605.5.3 活塞杆弯曲稳定性验算当液压缸支承长度 时,需验算活塞杆弯曲稳定性。105BLd:受力 完全在轴线上，主要按下式验算：1F1/kFn杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 42 -2610NkBEIFL式中： 活塞杆弯曲失稳临界压缩力，N；k安全系数，通常取 ；n3.56kn:实际弹性模数；1E；51.80MPaab材料的弹性模数， ；钢材 ；E 52.10E材料组织缺陷系数，钢材一般取 ；a活塞杆截面不均匀系数，一般取 ；b 3b活塞杆横截面惯性矩， ；I 4m圆截面： ；440.96dI所以 4 4437.1.210I 262671 320.80.KN9kBEIFL所以： 1/kFn通过23.5KN5.5.4 活塞杆的结构活塞杆有空心和实心两种，实心杆制造工艺简单，应用广泛；空心活塞杆用于杆直径 与液压缸的直径 比值 较大，或杆内必须装传dDd感器或油管的情况。该液压缸杆体采用实心，杆内端采用螺母紧固，如图 4 所示123 45 6图 5-4 螺母型1活塞杆；2活塞；3组合密封；4O 形密封圈；5液压缸；6螺栓。活塞杆的外端头部与载荷的拖动机构相连接，为了避免活塞杆在工作中产生偏心承载力，适应液压缸的安装要求，提高其作用效率，应该根据载荷的具体状况，选择适当的杆头连接形式。杆外端与闸门相接，故采用方形双耳环式。如图 所示杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 44 -图 5-5 方形双耳环5.5.5 活塞杆的材料和技术要求(1)活塞杆的技术要求活塞杆要在导向套中滑动，一般采用 H8/h7 或 H8/f7 配合。太紧了，摩擦力大，太松了，容易引起卡滞现象和单边磨损。其圆度和圆柱度公差不大于直径公差之半。安装活塞的轴颈与外圆的同轴度公差不大于0.01mm，是为了保证活塞杆外圆与活塞外圆的同轴度，以避免活塞与缸筒、活塞杆与导向套的卡滞现象。安装活塞的轴肩端面与活塞杆轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm,以保证活塞安装不产生歪斜。活塞杆的外圆粗糙度 值一般为 。太光滑了，表面形成不了aR0.13m:油膜，反而不利于润滑。为了提高耐磨性和防锈性，活塞杆表面需进行镀铬处理，镀层厚 ，并进行抛光或磨削加工。对于工作条0.3.5:件恶劣、碰撞机会较多的情况，工作表面需经高频淬火后再镀铬。用于低载荷和良好环境条件时，可不做表面处理。活塞杆内端的卡环槽、螺纹和缓冲柱塞也要保证与轴线的同心，特别是缓冲柱塞，最好与活塞杆作成一体。卡环槽取动配合公差，螺纹则取较紧的配合。(2)活塞杆材料的选择一般用中碳钢，选用 35 钢，调质处理；但对只承受推力的单作用活塞杆，则不必进行调质处理。对活塞杆通常要求淬火，淬火深度一般为0.51mm，或活塞杆直径每毫米淬深 0.03mm。材料 /MPab/Pas/%s热处理 表面处理35 520 310 15 调质 镀铬 203m:5.6 活塞杆的导向套、密封和防尘活塞杆的导向套装在液压缸的有杆侧端盖内，用以对活塞杆进行导向，内装有密封装置以保证缸筒有杆腔的密封。外侧装有防尘圈，以防止活塞杆在后退时把杂志、灰尘及水分带到密封装置处，损坏密封装置。当导向套采用非耐磨材料时，其内圈还可装设导向环，用作活塞杆的导向。导向套的典型结构形式有轴套式和端盖式，选用端盖式，如下图所示。5.6.1 结构在液压缸有杆侧的端盖内，装有导向结构和密封装置。在密封装置外侧，常装有防尘圈以防止灰尘和杂质进入液压缸。导向结构分端盖式和直插式，选用端盖式，如图 6 所示。1234 5 876杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 46 -图 5- 6 端盖式1活塞杆；2防尘圈；3前端盖；4导向套；5O 形密封圈；6液压缸；7油口；8蕾形密封圈。5.6.2 导向套的材料金属导向套一般采用摩擦系数小、耐磨性好的青铜材料制作，非金属导向套可以用塑料、聚四氟乙烯或聚三氟氯乙烯材料制作。端盖式直接导向型的导向套材料用灰铸铁、球墨铸铁、氧化铸铁等。5.6.3 导向套长度的确定导向套的主要尺寸是支撑长度，通常按活塞杆直径、导向套的型式、导向套材料的承压能力、可能遇到的最大侧向负载等因素来考虑。导向套的宽度 26342mbd直径 15.7 活塞 由于活塞在液体压力的作用下沿缸筒往复滑动，因此，它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，不仅使最低启动压力增大，降低机械效率，而且使液压缸达不到要求的设计性能。液压力的大小与活塞的有效工作面积有关，活塞直径应与缸筒内径一致。所以，活塞设计时，主要任务就是确定活塞的结构型式。5.7.1 活塞的结构型式 根据密封装置型式来选用活塞结构型式（密封装置则按工作条件选定）通常分为整体活塞和组合活塞。活塞的结构选用整体式如图，整体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。 1 2 3图 5-7 组合密封1活塞杆；2活塞；3组合密封。5.7.2 活塞与活塞杆的连接活塞与活塞杆的连接有多种型式，该处选用螺母型，如图所示，所有型式均需有紧锁措施，以防止工作时由于往复运动而松开。同时在活塞与活塞杆之间需设置静密封。杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 48 -1 2图 5-8 螺母型1活塞杆；2活塞。5.7.3 活塞的密封密封型式与活塞的结构有关，可根据液压缸的不同作用和不同工作压力来选择。 123 45 6图 5-9 活塞的密封1活塞杆；2活塞；3组合密封；4O 形密封圈；5液压缸；6螺栓。5.7.4 活塞的材料有导向环活塞用优质碳素钢 20 号、35 号及 45 号，选用 35 号，有的在外径套尼龙或聚四氟乙烯+玻璃纤维和聚三氟氯乙烯材料制成的支撑环。装配式活塞外环可用锡青铜。还有用铝合金作为活塞材料。活塞的材料选用高强度灰铸铁 HT200。5.7.5 活塞的尺寸及加工精度活塞宽度一般为活塞外径的 0.6-1.0 倍，但也要根据密封件的型式、数量和安装导向环的沟槽尺寸而定。有时，可以结合中隔圈的布置确定活塞宽度。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，端面与轴线的垂直度公差不大于 0.04mm/100mm，外表面的圆度和圆柱度一般不大于外径公差之半，表面粗糙度视结构型式不同而各异。5.7.6 活塞的最小导向长度 H 及液压缸行程 S 的确定液压缸的行程，主要根据执行机构的工作行程而定，工况要求活塞杆的伸出长度为1100 。设活塞的宽度为B，B=(0.40.6)D，B=0.4D=36，取B=40mm,那么液压缸的行程为：s=1100+B=1172 ，表20-6-2中给出的标准系列，取液压缸的行程s=1200.当活塞杆全部外伸时，从活塞支承面中点到导向滑动面中点的距离称为最小导向长度H，如果导向长度H 过小，将会使液压缸的初始挠度增大，影响液压缸的稳定，对于一般的液压缸，当液压缸的最大行程为s 缸筒直径为D 时，最小导向长度为：杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 50 -20SDH19015m2所以得：H105取 H=110 活塞的相关尺寸如下：活塞的直径 ；90mHD活塞的宽度 ；4B5.8 液压缸油口直径的确定油口包括油口孔和油口连接螺纹。液压缸的进、出油口可布置在端盖或缸筒上。油口孔大多属于薄壁孔（指孔的长度与直径之比 的孔）通0.5ld过薄壁孔的流量按下式计算：12QCApCAp3ms式中： 流量系数，接头处大孔与小孔之比大于 7 时，小于 7 时， ，取0.62C:0.78:0.油孔的截面积， ；A2液压油的密度， ；3kgm油孔前腔压力， ；1pPa 油孔后腔压力， ；2pPa油孔前后腔压力差， 。关闸门时液压缸所需的流量最大，此时 按照液压缸的关闸门的maxq工作速度 、 有效工作面积 A 和液压缸的容积效率v 确定:v；12max1vAq式中： 弹性密封时液压缸容积效率 为 1；v v液压缸无杆腔的面积， ；1A2m除了活塞杆截面后液压缸截面积， ；2 2关闸门的速度，取 ；v0.5sv所以 12maxvAq220.590.6341.ls12QACpCp3.6408杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 52 -查表 20-6-25 知,选用螺纹油口尺寸 ,油口设在缸筒上 ,32M如图：图 5-10 油口示意图5.9 缸筒底部厚度计算缸筒底部为平面,其厚度 可以按照四周嵌位的圆盘强度公式1近似的计算：120.43pPD式中 计算厚度外直径(如下图)；2P液压缸的最高工作压力， p=6.3Mpa；缸筒材料的许用应力， ；p/pbn液压缸的安全系数， ；n3；/540/318MPapb 所以： 120.43pPD6.3.810.4m16圆整取 2012D图 5-11 缸筒底部厚度5.9.1 缸筒头部法兰厚度计算如下图：法兰厚度 4()alpFbhrd式中 F法兰在缸筒最大内压下所承受的轴向压力，N ；24DP60.13.；5.杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 54 -法兰外圆半径，m；ar螺栓孔直径， m；ld法兰材料的许用应力, ；MPa缸筒材料的许用应力， ；p /pbn液压缸的安全系数， ；n3；/540/318Papbarhbld图 5-12 缸筒头部法兰厚度所以 4()alpFbhrd31.605(72)84.m 圆整取 10mh5.9.2 缸筒法兰连接螺栓螺栓选用 4M螺栓材料的屈服极限 640MPas螺栓材料的抗拉强度 8b安全系数 2n806Pab5.9.3 缸筒与端部用法兰连接时，螺栓的强度计算螺纹处的拉应力：14KFdz式中： 拧紧螺纹的系数，变载荷取 ；2.5K法兰在缸筒最大内压下所承受的轴向压力,N；F螺栓的个数；z螺纹的底径，mm；1d所以； 14KFz432.6015.MPa杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 56 -螺纹处的剪应力：103.2KFdz式中： 螺纹连接的摩擦因数， ，1 10.7.2K:平均取 ；10.2拧紧螺纹的系数，变载荷取 ；K.5螺纹外径；0d螺栓的个数；z螺纹的底径，mm ；1所以 031.2KFdz3.56.21047.8MPa合成应力：231.n p式中： 缸筒材料的许用应力， ；p /bn液压缸的安全系数， ；3/80/326MPapbn所以 231.n1.056通过78p5.9.4 缸筒与端部焊接缸筒与端部用焊接连接时，其焊缝应力计算如下：62104bFnDd式中： 焊接效率，取 ；.7焊条材料的抗拉强度， Mpa； b40b安全系数，取 ；n3n缸内最大推力，N；F所以 62104Dd3625.81006.713.9MPa40/bn杨亚东：防窜仓往复式给煤机- 58 -5.10 液压缸的流量的确定关闸门时由液压泵提供动力，此时液压缸所需的最大流量按照液压缸的关闸门的工作速度 、有效工作面积 A 和液maxq v压缸的容积效率v 确定:；12max1vq式中： 弹性密封时液压缸容积效率 为 1；vv液压缸无杆腔的面积， ；1A2m除了活塞杆截面后液压缸截面积， ；2 2关闸门的速度，取 ；v0.2sv所以 12max1vAq220.90.63418.ls开闸门时通过节流阀调节压力，此时液压缸的