单体液压支柱.pdf

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1、 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10M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/2cm，初撑

2、力 7.85T，最大高度：2540mm，最小高度：1700mm，泵站压力：100kgf/2cm，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 0;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

3、；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2/10cmkgfpk。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sjTs10，降柱时间jT20s；卸载手把作用力kgfP20；在2/20cmkgf压力下，卸载阀不许渗漏。目 录 第 1 章 概论.1 1.1 我国煤层贮存状况.1 1.2 用途.1 1.3 适用范围.2 1.4 单体液压支柱发展概况.3 1.4.1 国内外单体液压支柱的发展趋势.3 1.4.2 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.5 2.1 单体液压支柱工作原理、结构与

4、方案比较.5 2.1.1 外注式单体液压支柱.5 2.1.2 内注式单体液压支柱.6 2.2 材料的确定.9 2.3 单体液压支柱主要零件尺寸计算.10 2.3.1 液压缸尺寸的计算.10 2.3.2 缸盖尺寸计算.11 2.3.3 活塞杆尺寸计算.12 2.4.4 活塞尺寸计算及加工要求.13 2.3.5 柱头设计.16 2.3.6 铰接顶盖的设计.16 第 3 章 主要零部件强度和稳定性验算.17 3.1 缸筒及活塞杆中心加载强度校核.17 3.1.1 支柱稳定性校验.25 3.2 偏心加载缸筒及活塞杆校核.26 3.2.1 偏心加载时缸筒及活塞杆强度校核.26 3.2.2 支柱稳定性校核

5、.33 第 4 章 其他零件校核和复位弹簧设计.34 4.1 复位弹簧的设计计算.34 4.2 其他零件强度校核.37 4.2.1 手把体挡环与限位台阶强度校核.37 4.2.2 校核底座与活塞接触时的强度.38 第 5 章 三用阀的设计.39 5.1 单向阀的设计计算.40 5.2 卸载阀设计计算.46 5.3 安全阀弹簧设计计算.57 第 6 章 支柱的拆装和试验.61 6.1 三用阀的组装.61 6.2 支柱组装.62 6.3 支柱的拆卸.63 6.4 试验.63 6.5 使用注意事项.64 6.6 支柱的故障与维修.65 6.6.1 常见支柱故障及排除方法.65 6.6.2 维修注意事

6、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 1 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

7、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

8、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。毕业设计 计算说明书 2 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45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）

9、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。毕业设计 计算说明书 3 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，

10、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

11、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

12、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。毕业设计 计算说明书 4 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

13、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。毕业设计 计算说明书 5 计算与说明 结果 第

14、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

15、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

16、易插入，不能很好地发挥支护效果。毕业设计 计算说明书 6 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

17、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

18、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。毕业设计 计算说明书 7 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：注液枪泵站供液卸载手把卸载 图 2-1-1 1、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

19、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。毕业设计 计算说明书 8 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

20、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。毕业设计 计算说明书 9 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

21、杆材料，材料处理工艺如下：活柱：C920水淬，C530回火，HB260290。油缸：C920水淬，C530回火，HB280320。查 机械零件设计手册 表 3-11 得：27SiMn 具体参数，MPab1000，MPas850，%125。材料-27SiMn 毕业设计 计算说明书 10 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mmmmKNKNpPDmmmmKNKNpFDhhh1.10014.3/031164.02454405.10014.3/0098.07744220 取 D=maxD，D圆整使其符合标准值，查机械设计手册-液压传动表21-6

22、-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 MPaMPans7.5665.1850。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mm5.12。故液压缸外径mmmDD125.01255.12210021。缸筒惯性矩46444411101.7641.0125.014.364mDDI 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mRa125.0；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

23、0.03mm；为便于安装和不损坏密封元件缸筒内孔口应倒角15。缸筒内径 D=100mm 壁厚mm5.12 缸筒外径 mmD1251 缸筒惯性矩 461101.7mI 毕业设计 计算说明书 11 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：MPas355、MPab600 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1D=(0.20.3)，得 H=（2537.5）取 H=35mm。mmDph486.523554125164.31411，考虑加工复位弹簧挂钩取mm81。其中：-系数，当3

24、.02.01DH时，5.26.1。考虑底部受压较大取 2。底部圆半径mmmmDR801008.08.0。过度圆半径mmDr5.12100125.0125.0。初选缸筒长度mmL116353717001 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 0.8m；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mmDSx92

25、2/20/。底盖高度 mmH35 活塞行程 mmS840 导向长度 mmx92 毕业设计 计算说明书 12 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MPacmkgfph164.31/3182 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mmd951=0.095m。考虑缸口要留限位台阶，台阶长度mmDLh15975.010 活塞杆内径尺寸计算：根据抗压强度设计，空心活塞

26、杆内径2d。mmFddN9.867.56614.324500049542212，暂取2d75mm。活塞杆惯性矩 46444241210444.264075.0095.014.364mddI 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。活塞杆外径mmd951 内径mmd752

27、 活塞杆惯性矩4621044.2mI 毕业设计 计算说明书 13 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

28、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

29、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mmDB1006016.0，考虑活塞导向长度选B=70mm。活塞宽度 mmB70 毕业设计 计算说明书 14 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

30、=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。毕业设计 计算说明书 15 计算与说明 结果 则有缸

31、筒和活塞杆长度：mmhHBSL106627159408401 mmHBLL162535401700min2 其中：h限位台阶长度 B-活塞与缸筒有效接触宽度 H-底盖突台到底盖上端口距离 活塞杆长度mmL10661 缸筒长度 mmL16252 毕业设计 计算说明书 16 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2=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

32、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

33、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。毕业设计 计算说明书 17 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 000935.0922067.02105.022

34、21x 其中：21、-活塞杆与把手配合间隙；活塞与缸筒配合间隙。x-导向长度。计算系数 84.025401066221LLm 28.125401625222LLn 初折角000935.0 84.0m 28.1n 毕业设计 计算说明书 18 计算与说明 结果 实际弹性模量：MPabaEE551108.1131112111006.211 其中：a材料组织缺陷系数；b活塞杆截面不均匀系数 则有：mIEPKh/44.0101.7108.1102456113111 mIEPKh/557.01010444.28.1102451163212 其中21LL、-缸筒长度和活塞杆长度 L最大高度；hP-中心载荷；

35、1E材料弹性模量，查有关资料51108.1EMPa。I-惯性矩 中心加载所以有g=0.092 则有：787.0180625.1557.0sinsin22LK；LK1sin=0.452 22cosLK=0.617；11cosLK=0.892 072.0787.0092.0sin22LKgA 0416.0452.0092.0sin11LKgC 464.0309.0155.0sincoscossin2211122112 LKLKKLKLKK 则有：155.0464.0072.0AA；09.0464.00416.0CC 实际弹性模量 MPaE51108.1 毕业设计 计算说明书 19 计算与说明 结果

36、 结果如下表 3-1：表 3-1 （2）缸筒及活塞杆弯矩 活塞杆最大弯矩处为 mmLmKx149382.2557.0214.32222 所以，最大弯矩 mNLKCPLMMh17353787.009.0245000sin222max2 油缸最大弯矩处为：mmLmKx104757.344.0214.32211 所以，最大弯矩mNLKAPxLMMh7.17164452.0155.0245000sin111max1（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366111106.113125.0101.722mDIW 项目 1K 2K 11sinLK 22co

37、sLK 22sinLK 11cosLK 数据 0.44/m 0.56/m 0.452 0.617 0.787 0.892 项目 g A C A C 数据 0.092 0.072 0.0416 0.464 0.155 0.09 活 塞 杆 弯矩 mNM5.1758max2 缸筒弯矩 mNM1.176max1 毕业设计 计算说明书 20 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：MPaIDMZ8.12101.721.07.171642621max16,5 毕业设计 计算说明书 21 计算与说明 结果 MPaphr164.316,5 MPaDDDDph9

38、7.1411.0125.01.0125.0164.3122222212216,5 MPaWMZ1.151106.1137.1716461max18,7 MPar08,7 MPaDDDDph81.1101.0125.01.0164.31222222212218,7 c 活塞杆危险断面应力计算 断面系数3661221045.51095.010444.222mdIW 如图 3-1，假设 1、3 受拉，2、4 受压，则有：MPadddDpIdMhZ1.402.266075.0095.0075.01.0164.3110444.22075.017353222226222122222max22,1 MPap

39、hr164.312,1 MPaddddph28.134075.0095.0075.0095.0164.312222222122212,1 MPadddDpWdMhZ1.403.25075.0095.0075.01.0164.311045.51075.01735322226222122222max24,3 MPar04,3 MPadddph12.103075.0095.0075.0164.31222222221224,3 毕业设计 计算说明书 22 计算与说明 结果 计算结果见下表 表 3-2 单位 MPa 计算缸筒和活塞杆各点的广义应力：1 点广义应力MPazrrZ5.3858.7569934

40、.2737836.19412821212221 2 点广义应力MPazrrZ82.22577.6618434.2737824.842721212222 3 点广义应力MPazrrZ05.147422561.1062925.2839221212223 4 点广义应力MPazrrZ24.11104.21961.1062941.1390021212224 应力 项 危险点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 Z-306.3 226.1-65.4-14.8-12.1 12.08-151 151 r-31.164-31.164 0 0-31.164-31.164 0 0 r 134.3 134.3 10

41、3.1 103.1 142 142 110.8 110.8 毕业设计 计算说明书 23 计算与说明 结果 5 点广义应力MPazrrZ5.16444.3638.2998581.2374621212225 6 点广义应力MPazrrZ1.15678.18718.2998521.1687921212226 7 点广义应力MPazrrZ6.2272280164.1227624.6853921212227 8 点广义应力MPazrrZ45.1342280176.1227604.161621212228 按危险点求各点比值，分别求得比值为：K；K，分别算出各点的比值如下，并填入下表 81K=2.2、3.

42、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 K 1 385.5 2.2 2 225.82 3.76 3 147.05 5.8 4 111.24 7.6 5 164.5 5.2 毕业设计 计算说明书 24 计算与说明 结果 6 156.1 5.4 7 227.6 3.7 8 135.45 6.3 c 缸筒和活塞杆强度校核 根据公式3.2hhpkcDp校核缸筒强度。其中：-相应壁厚 k强度系数（无缝钢管 k=1）hp-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：MPa73.1363.216

43、4.3115.15.12100164.311 活塞杆应力计算如下：MPa1333.2164.3115.11075164.312 安全系数 kn大于 1 则符合强度要求，则：11.473.1367.5661kn，13.41337.5662kn。所以，缸筒和活塞杆强度符合要求。毕业设计 计算说明书 25 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：02120crcrcrKPPLIEP 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KNPcr1.195354.2101.7108.114.3261120 KNKNPPcrcr2451.195310 活

44、塞杆KNPcr67254.21044.2108.114.3261120 KNKNPPcrcr24567210 故：单体液压支柱不会失稳，符合设计要求。缸筒临界力KNPcr1.1953 活塞杆临界力力 KNPcr672 毕业设计 计算说明书 26 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mmee5021 119.0092.0557.0617.044.0452.0105cossin2222111xLKKLKKeg 0137.0892.0618.0105coscos21122LKLKef 089.0sincos22222LKgLKKfA

45、059.0cossin11111LKKfLKgC 46.03.016.0sincoscossin2211122112 LKLKKLKLKK 则有：19.046.0089.0AA；128.046.0059.0CC 结果如下表 3-1：表 3-1 （2）缸筒及活塞杆弯矩 活塞杆最大弯矩处为 mmLmeAKX1625023.0013.0557.01tan1222 项目 1K 2K 11sinLK 22cosLK 22sinLK 11cosLK 数据 44.0 0.557 0.452 0.617 0.787 0.892 项目 g A C A C 数据 0.119 0.089 0.059 0.46 0.

46、19 0.128 毕业设计 计算说明书 27 计算与说明 结果 所以，最大弯矩 mNLKeLKAPLMMh1.4419318.0245000cossin22222max2 油缸最大弯矩处为：mmLmeAKX106603.0013.044.01tan1111 所以，最大弯矩 mNXLKeXLKCPLMMh72.251011024.0245000cossin1111111max1 弯矩图如下图：图 3-2-1 毕业设计 计算说明书 28 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366111106.113125.0101.722mDIW

47、 如图 3-1，假设 5、7 受拉，6、8 受压，则有：MPaIDMZ68.16101.721.072.2510126212max16,5 MPaphr164.316,5 MPaDDDDph97.1411.0125.01.0125.0164.3122222212216,5 MPaWMZ221106.11372.2510161max18,7 MPar08,7 MPaDDDDph81.1101.0125.01.0164.31222222212218,7 b.活塞杆危险断面应力计算 断面系数3661221045.51095.010444.222mdIW 如图 3-1，假设 1、3 受拉，2、4 受压

48、，则有：MPadddDpIdMhZ1.401.678075.0095.0075.01.0164.3110444.22075.01.44193222226222122222max22,1 MPaphr164.312,1 MPaddddph28.134075.0095.0075.0095.0164.312222222122212,1 缸筒断面系数 361106.113mW 活塞杆断面系数 3621045.51mW 毕业设计 计算说明书 29 计算与说明 结果 MPadddDpWdMhZ1.4042.64075.0095.0075.01.0164.311045.51075.01.4419322226

49、222122222max24,3 MPar04,3MPadddph12.103075.0095.0075.0164.31222222221224,3 计算结果见下表 表 3-2 单位 MPa 计算缸筒和活塞杆各点的广义应力：1 点广义应力MPazrrZ84.7827.47174325.2734576.72658521212221 应力 项 危险点编号 1 2 3 4 5 6 7 8 Z-718.2 638-104.52-24.32-16.68 16.68-221 221 r-31.164-31.164 0 0-31.164-31.164 0 0 r 134.28 134.28 103.12 1

50、03.12 141.97 141.97 110.81 110.81 毕业设计 计算说明书 30 计算与说明 结果 2 点广义应力MPazrrZ7.60346.44778072.2737184.25373321212222 3 点广义应力MPazrrZ8.1794.1092473.106334.4311421212223 4 点广义应力MPazrrZ2.1175.59173.1063395.1624021212224 5 点广义应力MPazrrZ4.1668.20938.2997582.2516921212225 6 点广义应力MPazrrZ86.15422894.299756.15697212