礦井支撐掩護(hù)式液壓支架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)含3張CAD圖,礦井,支撐,支持,掩護(hù),液壓,支架,系統(tǒng),設(shè)計(jì),cad 礦井支撐掩護(hù)式液壓支架液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì) 摘 要 礦井液壓支架的應(yīng)用對(duì)增加采煤工作面產(chǎn)量、 提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、 降低成本、 減輕工人的體力勞動(dòng)和保證安全生產(chǎn)是不可缺少的有效措施， 因此液壓支架的設(shè)計(jì) 是技術(shù)上先進(jìn)、 經(jīng)濟(jì)上合理， 安全上可靠、 是實(shí)現(xiàn)采煤綜合機(jī)械化和自動(dòng)化的主 要體現(xiàn)。 采用綜合機(jī)械化采煤方法是大幅度增加煤炭產(chǎn)量、提高經(jīng)濟(jì)效益的必由之路。 為了滿足對(duì)煤炭日益增長(zhǎng)的需求，必須大量生產(chǎn)機(jī)械化采煤設(shè)備，迅速增加綜合機(jī) 械化采煤工作面。因此對(duì)液壓支架的需求也是日益增加，而液壓系統(tǒng)是驅(qū)動(dòng)液壓支 架工作的心臟，是液壓支架所不可缺少的重要組成。 本次設(shè)計(jì)主要是針對(duì)礦井支撐掩護(hù)式液壓支架液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。包括了立柱千 斤頂和推移千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)，泵站的設(shè)計(jì)及其整體的合理布局的設(shè)計(jì)。還涉及到對(duì)一 些標(biāo)準(zhǔn)件的選用規(guī)則等。同時(shí)還對(duì)系統(tǒng)壓力損失、發(fā)熱、效率等性能進(jìn)行了驗(yàn)算。 關(guān)鍵詞：液壓傳動(dòng)；液壓系統(tǒng)；泵站；液壓支架 Abstract The application of hydraulic support in coal mining face of increasing production and raise labor productivity, reduce costs, reduce manual workers and to ensure safety in production is indispensable for effective measures to, Therefore the design of hydraulic support is technically advanced and economically rational, safe and reliable is the main manifestation of the comprehensive mechanization and automation of mining. Integrated mechanization of coal mining is a significant increase in coal production, the only way to increase economic efficiency. In order to meet the growing demand for coal to be mass-produced mechanized mining equipment, the rapid increase in the integrated coal face mechanization. Therefore, the demand for hydraulic support is also increasing, while the hydraulic drive system is the heart of the work of the hydraulic support is an indispensable important component to the hydraulic support. The design of the main support for the cover of hydraulic mine support the design of the hydraulic system. Including the passage of jacks and jack column design, pump station design and the rational distribution of the overall design. Also involves a number of standard parts, such as the selection rules. At the same time, the performances of systematic loss, fever and efficiency are checked carefully. Key words: hydraulic transmission; hydraulic system; pump station; hydraulic support 目錄 引言 .1 第一章 液壓支架概論 .3 1.1 綜采工作面的布置和循環(huán)工作過(guò)程 .3 1.2 液壓支架的組成及工作原理 .4 1.2.1 液壓支架的組成 .4 1.2.2 液壓支架的工作原理 .6 1.3 液壓支架的分類 .9 1.3.1 按支架和圍巖的相互作用，液壓支架可分為三類 .9 1.3.2 按移動(dòng)方式，液壓支架可分為兩類 .10 第二章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) .12 2.1 液壓系統(tǒng)總體方案的確定 .12 2.2 液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 .13 2.2.1 液壓缸工作壓力的確定 .14 2.2.2 缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 .14 2.2.3 缸筒的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) .14 2.2.4 缸筒內(nèi)徑的計(jì)算 .14 2.2.5 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 .15 2.2.4 缸筒的材科和毛坯 .16 2.2.5 缸筒的技術(shù)要求 .17 2.2.6 缸底厚度 .18 2.3 活塞桿設(shè)計(jì)計(jì)算 .19 2.3.1 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) .19 2.3.2 活塞桿的材料 .20 2.3.3 活塞桿的按術(shù)要求 .20 2.3.4 液壓缸穩(wěn)定性的計(jì)算 .22 2.4 乳化液泵站的設(shè)計(jì) .24 2.4.1 泵站壓力的確定 .24 2.4.2 泵站流量的確定 .24 2.4.3 泵站電動(dòng)機(jī)功率確定 .25 2.5 液壓元件的選擇 .25 2.6 油管內(nèi)徑的計(jì)算 .26 2.7 油箱容量的確定 .27 2.8 活塞的設(shè)計(jì) .27 2.4.1 活塞的技術(shù)要求 .27 2.9 密封裝置的設(shè)計(jì) .28 2.9.1 密封裝置的一般知識(shí) .28 2.9.2 O 型橡膠密封圈 .29 第三章 系統(tǒng)的驗(yàn)算 .31 3.1 壓力損失的驗(yàn)算 .31 3.1.1 驗(yàn)算泵到液壓缸回路中的壓力損失 .31 3.1.2 管路系統(tǒng)總壓力損失及壓力效率 .32 3.2 系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 .32 結(jié)論 .35 參考文獻(xiàn) .36 謝 辭 .38 1 引言 隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，國(guó)民經(jīng)濟(jì)對(duì)煤炭需要量的日益增加，煤礦開采，特 別是采媒工作面的生產(chǎn)技術(shù)面貌發(fā)生了巨大變化。自 1945 年英國(guó)裝備了世界上第一 個(gè)液壓裝置開始，采煤技術(shù)實(shí)現(xiàn)了綜合機(jī)械化。綜合機(jī)械化采煤，就是工作面采煤、 運(yùn)輸和支護(hù)三大主要生產(chǎn)環(huán)節(jié)都實(shí)現(xiàn)機(jī)械化。也就是說(shuō)，采用滾筒式或刨消式等采 煤機(jī)械落媒與裝媒；工作面重型可彎曲運(yùn)輸機(jī)，以及與之適應(yīng)的順槽傳載機(jī)和可伸 縮皮帶運(yùn)輸機(jī)等運(yùn)煤；自移式液壓支架支護(hù)和管理頂板。這幾種設(shè)備相互配合，組 成了綜合機(jī)械化采煤設(shè)備。 液壓支架是以高壓液體為動(dòng)力，由若干液壓元件（油缸和閥件）與一些金屬結(jié) 構(gòu)件組成的一種支撐和控制頂板的采煤工作面設(shè)備，能實(shí)現(xiàn)支撐、降落移架和推移 運(yùn)輸機(jī)等一整套工序。液壓支架技術(shù)上先進(jìn)，經(jīng)濟(jì)上合理，安全上可靠，當(dāng)前世界 各國(guó)都在不斷的提高采煤工作面的機(jī)械化水平。 我國(guó)于 1964 年開始研制液壓支架，已先后試制了 MZ-1928 型、TZ 型、BZZC 型、WKM-400 型、DM-400 型、YZ 型、ZYZ 型、 ZY 型等多種形式的液壓支架， 并在開灤、大同、陽(yáng)泉、鶴壁、徐州、銅川、義馬、淮北等局礦進(jìn)行了試驗(yàn)和使用， 取得了較好的效果。1974 年以來(lái)以德國(guó)、英國(guó)蘇聯(lián)和波蘭等國(guó)引進(jìn)了許多不同類型 的液壓支架。實(shí)踐證明，液壓支架具有強(qiáng)度高、支護(hù)性能好、移設(shè)速度快、安全可 靠等優(yōu)點(diǎn)，能使采煤工作面得到高采量、高回采率和高工效，能大大減輕勞動(dòng)強(qiáng)度， 降低成本和掘進(jìn)率，實(shí)現(xiàn)安全生產(chǎn)。 近幾年來(lái)，為適應(yīng)采煤綜合機(jī)械化的發(fā)展需要，液壓支架獲得了迅速的發(fā)展， 出現(xiàn)了很多類型，據(jù)統(tǒng)計(jì)，它的結(jié)構(gòu)形勢(shì)已達(dá)數(shù)百種。每種支架的支柱從 1 根導(dǎo) 8 根，支撐力從 50 噸到 800 噸，支架適應(yīng)煤層厚度的范圍由 0.6 米到 5 米，也以至更 厚的煤層，適應(yīng)煤層傾角由 0到 45，甚至 70左右。在緩傾斜薄及中后煤層中， 液壓支架已獲得廣泛的應(yīng)用，但是由于煤層賦存條件復(fù)雜，支架的結(jié)構(gòu)還不夠完善， 設(shè)備需要管理和操作經(jīng)驗(yàn)，所以液壓支架的使用范圍仍受到限制。 為了改進(jìn)支架的支護(hù)性能，提高它對(duì)不同礦山地質(zhì)條件的適應(yīng)性，擴(kuò)大使用范 圍，延長(zhǎng)使用壽命，目前液壓支架有下列幾方面的發(fā)展動(dòng)向： （1）大力發(fā)展掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架，對(duì)其它形式的支架，應(yīng)用逐漸減少。 1976 年國(guó)際采礦設(shè)備展覽會(huì)展出的 89 種液壓支架中，有 80是掩護(hù)式支架，這些 2 支架的主要特點(diǎn)是：采用四連桿機(jī)構(gòu)，使梁端和煤壁之間的距離基本保持恒定；支 柱支在頂梁上，提高了支架的工作阻力；頂梁和掩護(hù)梁鉸接，取消了兩者間易被矸 石堵賽的三角區(qū)；掩護(hù)梁和頂梁的主梁部分均裝設(shè)側(cè)護(hù)板，提高了支架的防護(hù)能力； 采用整體自移式，便于支架操作和實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。 （2）液壓支架的進(jìn)一步發(fā)展，是著重解決擴(kuò)大使用范圍的問(wèn)題。目前，各國(guó)正 在研制大傾角、大采高、大截深和薄煤層支架，并使支架和采煤機(jī)更好地配合。近 幾年來(lái)，國(guó)外正在研制一次截深 1.5 米左右或一次采高 5.5 米的液壓支架。同時(shí)， 為擴(kuò)大支架適應(yīng)的高度范圍，廣泛采用雙伸縮式支柱。 （3）采用高壓乳化液泵，以提高支架的初撐力，很多國(guó)家使用的泵站壓力已達(dá) 到 300 公斤/厘米 2以上。 （4）為了簡(jiǎn)化支架管路系統(tǒng)和便于安全操作，開始采用“多芯管”先導(dǎo)式鄰架 控制的操縱方式。 （5）為加快支架移設(shè)速度，進(jìn)一步改善操縱條件，支架控制正在向自動(dòng)控制方 向發(fā)展。目前，分組程序已開始使用，全工作面的自動(dòng)控制還處在研究階段。 3 第一章 液壓支架概論 1.1 綜采工作面的布置和循環(huán)工作過(guò)程 綜合機(jī)械化采煤設(shè)備在工作面的布置情況如圖 1-1 所示，其中主要設(shè)備有：進(jìn) 行落煤和裝煤工作的滾筒式采煤機(jī) 1（也可用刨煤機(jī)） ；完成工作面用煤工序的可彎 曲刮板運(yùn)輸機(jī) 5 和順槽運(yùn)輸設(shè)備（轉(zhuǎn)載機(jī) 4 與可伸縮皮帶運(yùn)輸機(jī) 3） ，用于支護(hù)頂板 的工作面支架 2 和端頭支架 10、11，設(shè)在下順槽的乳化液泵站（包括乳化液 8 和乳 化液箱 9） ，以及由乳化液泵站引入工作面的主進(jìn)管 6 和回液管 7 等。各種綜采工作 面的布置方式基本相同，只是設(shè)備和使用條件的不同略有差異。 上述各種設(shè)備在回采工作面中，按一定的生產(chǎn)工藝流程協(xié)調(diào)的進(jìn)行工作，發(fā)揮 著各自的效能。綜采工作面的生產(chǎn)過(guò)程比較單一，只有采煤、移架、推溜三項(xiàng)主要 工序，而這三項(xiàng)工序的組合，可以是采煤移架推溜也可以是采煤推溜移架。 前者隨采煤機(jī)后緊接移架，及時(shí)支護(hù)頂板，稱及時(shí)支護(hù)方式。后者推溜后在移架， 稱滯后支護(hù)方式，現(xiàn)在以采用先移架，后推溜工作方式的總采面為例，說(shuō)明他的循 環(huán)工作過(guò)程（見(jiàn)圖 1-1）： 圖 1-1 液壓支架循環(huán)工作過(guò)程 A-A 斷面表示采煤機(jī)截割前狀態(tài)，此時(shí)，運(yùn)煤機(jī)緊靠煤壁，移架裝置處于伸出 狀態(tài)，支架相對(duì)于運(yùn)輸機(jī)退后一個(gè)步距。 4 B-B 斷面表示采煤機(jī)截割后狀態(tài)，這時(shí)支架頂梁端與煤壁之間的頂板裸露，需 要及時(shí)支護(hù)。 C-C 斷面表示采移架后狀態(tài)，采煤機(jī)截割后接著把支架移至緊靠運(yùn)輸機(jī)的位置， 并升柱撐緊，以便及時(shí)支護(hù)新暴露的頂板，移架步距一般 600mm，它必須與采煤機(jī) 的截割深度相配合。 D-D 斷面表示推移運(yùn)輸機(jī)后狀態(tài)，隨著采煤機(jī)的不斷截割前進(jìn)，滯后采煤機(jī)約 1012m 左右，把運(yùn)輸機(jī)推至煤壁前的新機(jī)道上。 由此可知，這個(gè)綜采工作面的回采工藝流程是采煤、移架和推溜。沿工作面全 長(zhǎng)，每完成一個(gè)流程，即采煤機(jī) 割一刀，液壓支架和工作面運(yùn)輸機(jī)前進(jìn)一次，稱為 一個(gè)循環(huán)。綜采工作面的生產(chǎn)過(guò)程，就是按此循環(huán)工作不斷進(jìn)行的過(guò)程。 1.2 液壓支架的組成及工作原理 1.2.1 液壓支架的組成 圖 1-2 為液壓支架的一種典型結(jié)構(gòu)，它由頂梁（包括前梁 1 和主梁 2） 、支柱 5、掩護(hù)梁 4、底座 8、推移裝置 9、閥件、管路系統(tǒng)、連接部件及各種附屬裝置等 組成。頂梁和底座通過(guò)數(shù)根支柱支撐在頂?shù)装逯g，構(gòu)成一個(gè)可以活動(dòng)的承載構(gòu)件， 支護(hù)頂板，維護(hù)工作空間。綜合各種類型液壓支架的結(jié)構(gòu)它的組成可歸結(jié)為承載結(jié) 構(gòu)件、動(dòng)力油缸、控制操縱元件、輔助裝置和工作液體五部分。 (1)承載結(jié)構(gòu)件：包括頂梁、掩護(hù)梁和底座等。 1)頂梁：直接與頂板（包括鎂錠、分層假頂?shù)龋┫嘟佑|，并承受頂板巖石載荷 的支架部件叫頂梁。它也為支柱、掩護(hù)梁和擋矸裝置等提供連接點(diǎn)。頂梁除整體結(jié) 構(gòu)形式外，一般由若干段組成，接它對(duì)頂板的支護(hù)作用和位置，可分為主梁、前梁 和尾梁。如果頂梁在前后支柱間鉸接也可稱為前梁和后梁。掩護(hù)梁上部直接于頂梁 鉸接，下部直接或簡(jiǎn)接（通過(guò)連桿機(jī)構(gòu)）與底座鉸接。 2）底座：直接和底板（包括分層煤底等）相接觸，傳遞頂板壓力到底板的支 架部件叫底座。底座除為支柱、掩護(hù)梁提供連接點(diǎn)外，還要安設(shè)千斤頂?shù)炔考?（2）動(dòng)力油缸：包括支柱和各種千斤頂 1）支柱：支架上凡是支撐在頂梁（或掩護(hù)梁）和底座只間，直接和間接承受頂 5 板載荷的主要油缸叫支柱。支柱是支架的主要承載部件，支架的支撐力和支撐高度， 主要取決于支柱的結(jié)構(gòu)和性能。 2）千斤頂：支架上除支柱以外的各種油缸都叫千斤頂，如前梁千斤頂、推移千 斤頂、調(diào)架千斤頂，還有平衡、復(fù)位、側(cè)推和護(hù)幫千斤頂，完成著推移運(yùn)輸機(jī)、移 設(shè)支架和支架的調(diào)整等各項(xiàng)動(dòng)作。 圖 1-2 （2）控制操縱元件：包括控制閥（即液控單向閥和安全閥） 、操縱閥等各種閥 件和管件。這些元件是保證支架獲得足夠的支撐力、良好的工作特性以及實(shí)現(xiàn)預(yù)定 動(dòng)作所需的液壓元件，它的種類和數(shù)量，隨支架結(jié)構(gòu)和動(dòng)作要求的不同而異。 （4）輔助裝置：支架上除上述三項(xiàng)構(gòu)件以外的其它構(gòu)件，都可歸入輔助裝置， 它包括推移裝置、復(fù)位裝置、擋矸裝置、護(hù)幫裝置、防倒防滑裝置、照明和其它附 屬裝置等。 （5）工作液體：這時(shí)傳遞泵站能量，使液壓支架能有效工作的工作介質(zhì)。液壓 支架的工作液體是乳化液。 6 1.2.2 液壓支架的工作原理 （1）液壓支架自動(dòng)移設(shè)的原理：液壓支架以高壓液體為動(dòng)力，通過(guò)各種動(dòng)力 油缸的伸縮，使支架完成升起、降落、行走和推移運(yùn)輸機(jī)等各種動(dòng)作，以便支架隨 工作面不斷推進(jìn)而反復(fù)支撐、前移和調(diào)整。圖 1-3 是一個(gè)最簡(jiǎn)單的液壓支架的工作 系統(tǒng)示意圖。下面按支架降柱、移架、升柱和推溜的工作過(guò)程分別加以敘述。 1）降柱：當(dāng)旋轉(zhuǎn)式操縱閥轉(zhuǎn)到降柱位置，打開供液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液 管經(jīng)操縱閥和油管，進(jìn)入支柱活塞桿腔，同時(shí)也進(jìn)入液控單向閥的控制管路，打開 液控單向閥，支柱活塞腔的油液經(jīng)油管、液控單向閥和操縱閥，流回主回液管，支 柱卸載下降。 2）移架：液壓支架卸載后，操縱閥轉(zhuǎn)到移架位置，打開供液閥時(shí)，高壓液體 由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥和油管進(jìn)入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔，同時(shí)也進(jìn)入液控油路， 打開液控單向閥，而活塞腔的油液經(jīng)油管、液控單向閥和操縱閥流回主回液管，推 移千斤頂收縮，以運(yùn)輸機(jī)為支點(diǎn)，拉架前移。運(yùn)輸機(jī)靠相鄰的推移千斤頂來(lái)固定， 千斤頂由液控單項(xiàng)閥緊鎖。 圖 1-3 液壓支架工作原理 3）升柱:液壓支架移到新的位置后，應(yīng)及時(shí)升柱，以支撐新暴露的頂板。操縱 閥轉(zhuǎn)到升柱位置，打開供液閥，高壓液體由主進(jìn)液管進(jìn)入，經(jīng)操縱閥到液控單向閥， 進(jìn)入到推移千斤頂?shù)幕钊麠U腔，支柱活塞桿腔的油液，同時(shí)也進(jìn)入液控油路，經(jīng)油 7 管和操縱閥流回主回液管，活塞和頂梁升起，支撐頂板。 4）推移運(yùn)輸機(jī):當(dāng)液壓支架前移并重新支撐后，操縱閥轉(zhuǎn)到推移位置，打開供 液閥時(shí)，高壓液體由主進(jìn)液管經(jīng)操縱閥、液控單向閥進(jìn)入到推壓千斤頂?shù)幕钊麠U腔， 活塞桿腔的油液經(jīng)油管和操縱閥流回主回液管，推移千斤頂?shù)幕钊麠U伸出，以液壓 支架為支點(diǎn)，把運(yùn)輸機(jī)推移到新的工作位置。 在實(shí)際生產(chǎn)中，對(duì)于具體支架的動(dòng)作，根據(jù)該支架的結(jié)構(gòu)和需要來(lái)確定。 （2）液壓支架的支撐承載能力：液壓支架的支撐承載能力是指液壓支架與頂板 之間相互力學(xué)原理，它包括初撐增阻、承載增阻和恒阻三個(gè)工作階段。 1）初撐增阻階段：在升柱過(guò)程中，從頂梁接觸頂板起，至支柱活塞腔的油液壓 力達(dá)到泵站的工作壓力時(shí)，松開手把，停止供液，液控單向閥立即關(guān)閉，閥球封閉 了支柱活塞腔的油液，這就是支架的初撐階段。此時(shí)支柱和支架對(duì)頂板產(chǎn)生的支撐 力稱為初撐力。 支架初撐力的大小，取決于泵站的工作壓力，支架支柱數(shù)和支柱缸體的內(nèi)徑以 及架型等。實(shí)際上支柱初撐后，活塞腔的油液壓力由于阻力損失、操作情況和閥的 靈敏度等原因，往往低于泵站工作壓力。 2）承載增阻階段：支架初撐后，隨頂板的下沉，支柱活塞腔被封閉的油液受到 壓縮，油液壓力繼續(xù)升高，呈現(xiàn)承載增阻狀態(tài)。這時(shí)由于支柱缸徑增大，油液被壓 縮而體積縮小，即使乳化液沒(méi)有任何漏損，安全閥并未動(dòng)作卸載，支柱總長(zhǎng)度也降 縮短。 這個(gè)縮短量是有彈性的，如果作用在支柱上的載荷，反過(guò)來(lái)從工作阻力減小到 初撐力時(shí)，支柱仍會(huì)恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度。因此，這個(gè)支柱長(zhǎng)度上的縮短量，稱為支 柱的彈性可縮量。 根據(jù)開灤局井下實(shí)測(cè)，在各種不同的初撐力、工作阻力喝才高的情況下，MZ- 1928 型支柱的彈性可縮量在 610mm 范圍內(nèi)。這個(gè)彈性可縮量會(huì)使支柱工作還未達(dá) 到工作阻力之前，就造成頂板的下沉，有可能使巖石離層，對(duì)頂板管理是不利的。 經(jīng)試驗(yàn)證明，減小支柱的彈性可縮量，對(duì)改善頂板管理起著重要的作用。具體措施 是，使用高壓乳化液泵，提高支柱初撐力；改善單向閥的質(zhì)量，要能及時(shí)關(guān)閉也路； 注意操作方法，使支柱下腔盡可能達(dá)到泵站的工作壓力。 3）恒阻階段：支架承載后，如果完全支撐住頂板，不允許頂板下沉，需要有強(qiáng) 大的支撐力。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于頂板壓力有時(shí)相當(dāng)巨大，想設(shè)計(jì)出能抗住巨大頂 板壓力，而一點(diǎn)也不讓壓的支架是及困難的，實(shí)際上也沒(méi)有這種必要。 都使支架 8 能隨頂板下沉?xí)r，有一定的可縮量，但又保持一定的支撐力不敢于使頂板任意下沉 而造成破壞冒落。要求支架即具有一定的支撐力，又具有可縮性。液壓支架的這種 特性，是由支柱的安全閥來(lái)控制的。在頂板壓力增大時(shí)，支柱活塞腔被封閉的油液 壓力就迅速升高，當(dāng)壓力值超過(guò)安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，支柱活塞腔的高壓液體經(jīng)安 全閥泄出，支柱降縮，支柱活塞腔的液體壓力減小，這就是支架的“讓壓” 特性； 當(dāng)壓力小于安全閥的動(dòng)作壓力時(shí)，安全閥又關(guān)閉，停止卸液，支柱活塞腔的液體又 被封閉，支架恢復(fù)正常工作。由于安全閥動(dòng)作壓力的限制，支柱呈現(xiàn)出恒阻特性， 此時(shí)支柱和支架承受的最大載荷稱為工作阻力。 支架的工作阻力取決于安全閥的動(dòng)作壓力、支架支柱數(shù)、支柱缸體內(nèi)徑和架型 等。 安全閥使支柱具有恒定的設(shè)計(jì)工作阻力，同時(shí)又使支柱在承受大于設(shè)計(jì)工作阻 力的頂板壓力時(shí)，可隨頂板的下沉而下縮，這就是液壓支架的恒阻性和可縮性。未 防止安全閥頻繁動(dòng)作而失效，應(yīng)使支架的工作阻力大于正常的頂板壓力，也就是說(shuō)， 在工作生產(chǎn)過(guò)程中，支架還沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)工作阻力之前，就已前移到新的支撐位置。 工作阻力時(shí)液壓支架的一個(gè)基本參數(shù)，用來(lái)表示支架支撐力的大小。但是，由 于支架的頂梁長(zhǎng)短和間距大小不同，并不能完全反應(yīng)支架對(duì)頂板的支撐力，因此常 采用表示單位面積頂板上所受支架工作阻力值大小的支護(hù)強(qiáng)度參數(shù)，來(lái)比較支架的 支護(hù)性能。由上可知，支柱或支架工作時(shí)，其支撐力隨時(shí)間的變化是，支架升起， 頂梁開始接觸頂板至液控單向閥關(guān)閉時(shí)的初撐增阻階段 to，初撐結(jié)束至安全閥卸載 前的承載增阻階段 t1和安全閥出現(xiàn)重復(fù)卸載時(shí)的恒定階段 t2。這種變化過(guò)程反應(yīng)了 支架的支撐力和時(shí)間之間的關(guān)系（圖 1-4） 。圖中虛線表示，有些支架的支柱并未達(dá) 到額定的工作阻力值就已降柱前移，支架前移后按原過(guò)程重新支撐。 9 圖 1-4 支撐力與時(shí)間之間的關(guān)系曲線 上述工作過(guò)程表明：液壓支架在額定工作阻力值以下工作時(shí)，具有增阻性，以 保證支架頂板的有效支撐作用；當(dāng)支架支撐力超過(guò)額定工作阻力值時(shí)，支架隨頂板 下沉而下縮，使支架保持恒定的工作阻力，即具有可縮性和恒阻性。支架本身的增 阻性取決于液控單向閥和支柱的密封性能，可縮性和恒阻性則由安全閥的 溢流性能決定。因此，液控安全閥、單向閥、支柱這三個(gè)部件，是保證支架性能的 關(guān)鍵元件。 通過(guò)上述，對(duì)液壓支架的工結(jié)構(gòu)和工作原理的分析，可初步確定液壓支架系統(tǒng) 的原理圖。 1.3 液壓支架的分類 1.3.1 按支架和圍巖的相互作用，液壓支架可分為三類 （1）支撐式支架：它有較長(zhǎng)的頂梁，較多的支柱，并呈垂直布置，支架的穩(wěn)定 性由支柱的復(fù)位機(jī)構(gòu)來(lái)保證，因此有堅(jiān)固的箱式底座。它靠支柱與頂梁的支撐作用， 控制工作面的頂板，維護(hù)工作空間，而頂板巖石則在頂梁后部切斷跨落。這種類型 的支架具有交大的支撐能力和良好的切頂性能，因此適應(yīng)于頂板堅(jiān)硬完整，周期壓 力明顯或強(qiáng)烈，底板也較硬的煤層中。 10 （2）掩護(hù)式支架：它的頂梁較短，支柱一排，一般僅 12 根，多呈傾斜布置 與掩護(hù)梁連接或直接與頂梁相連接。它靠支柱和頂梁支撐頂板，而掩護(hù)梁只與冒落 矸石相接觸，防止矸石涌入工作面，以維護(hù)一定的工作空間。這種類型的支架，有 良好的防矸掩護(hù)性能，主要適用于頂板中等穩(wěn)定和破碎，底板也較軟的煤層中。 （3）支撐掩護(hù)式支架：支撐掩護(hù)式支架是介于支撐式和掩護(hù)式之間的一種架型。 它的特點(diǎn)是，支柱兩排，每排 12 根，多呈傾斜布置，靠采空區(qū)一側(cè)，裝有掩護(hù)梁 和四連桿機(jī)構(gòu)（見(jiàn)圖 1-2） 。這類支架靠支撐和掩護(hù)作用來(lái)維護(hù)工作空間，兼有支撐 式和掩護(hù)式支架的優(yōu)點(diǎn)，適用于頂板穩(wěn)定和中等穩(wěn)定，有較明顯的周期壓力，底板 中等穩(wěn)定的煤層中。 支撐式、掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式等三類支架中，對(duì)照采煤工藝對(duì)支架的要求來(lái)看， 掩護(hù)式支架具有很多特點(diǎn)和較廣的適用范圍。雖然掩護(hù)式支架單位工作面長(zhǎng)度上的 支撐能力不如其余兩種，但由于控頂距小單位面積上的支撐力較大，能對(duì)頂板進(jìn)行 有效的支撐；還有有效的擋矸裝置，能更好 的適應(yīng)破碎頂板的支護(hù)需要；支架本身 為一定的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，抗水平力性能好，且便于支架前移；支架的結(jié)構(gòu)和液壓系數(shù)簡(jiǎn) 單，操作簡(jiǎn)便，管理維修容易；支架調(diào)高范圍較大，對(duì)煤層厚度變化的適應(yīng)性強(qiáng)。 所以，掩護(hù)式支架在使用中已取的良好的經(jīng)濟(jì)效果，使用范圍正在擴(kuò)大。 1.3.2 按移動(dòng)方式，液壓支架可分為兩類 （1）整體自移式：支架成整體結(jié)構(gòu)，因而整體移動(dòng)。掩護(hù)式，和部分支撐式支 架，均采用這種移架方式。 （2）邁進(jìn)式：邁進(jìn)式支架又可分為交互前移式和提步前移式兩種。 1）交互前移式支架，是利用主副架護(hù)為著力點(diǎn)交互推拉前移的方式，架間安裝 推移千斤頂和導(dǎo)向裝置。一般節(jié)式支架常用這種移架方式。 2）提步前移式支架，是采取頂梁不大量下降，提腿跨步的方式。例如，蘇 2M- 81 型支撐掩護(hù)式支架，移架時(shí)沿著支撐柱頂板的臨架頂梁推移。還有一種是滑行 頂梁式支架，移架時(shí)本架頂梁在內(nèi)部滑移。 （3）根據(jù)使用地點(diǎn)的不同，液壓支架又可分為工作面支架和端頭支架兩類。 上述各類支架均為工作面支架，用來(lái)支護(hù)工作面的頂板。端頭支架，則用在工 作面兩端與順槽的連接處，由于此處的機(jī)械設(shè)備較多，需要占有的工作空間大，同 時(shí)又是人員的安全出口，要求端頭支架能很好的和各設(shè)備相配合，達(dá)到有效的支護(hù) 11 懸露面積較大的頂板。因此，端頭支架在結(jié)構(gòu)上具有特殊性。 12 第二章 液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 2.1 液壓系統(tǒng)總體方案的確定 根據(jù)任務(wù)書內(nèi)容可知：所需設(shè)計(jì)液壓支架為四柱式支撐掩護(hù)式液壓支架，它應(yīng) 該包括四個(gè)立柱千斤頂來(lái)支撐頂梁頂梁前應(yīng)裝有起預(yù)支撐作用的前梁前梁上裝前梁 千斤頂與頂梁連接；前梁前還應(yīng)裝護(hù)幫板起到保護(hù)切煤機(jī)的作用；液壓支架還應(yīng)有 進(jìn)行推溜和移架的推移千斤頂；頂梁和掩護(hù)梁加裝側(cè)推千斤頂用以封閉支架間的縫 隙防止矸石從縫隙冒落；此外為了防止支架間的相對(duì)滑動(dòng)還應(yīng)裝有防滑千斤頂。支 架總體結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示 圖 2-1 液壓支架總體結(jié)構(gòu) 13 其中立柱千斤頂 2 個(gè)為一組分別控制，其它千斤頂均分開控制其液壓控制原理 圖如圖 2-2 所示 圖 2-2 液壓原理圖 2.2 液壓缸的設(shè)計(jì)與計(jì)算 液壓缸作為本次設(shè)計(jì)最主要的元件之一，本章將詳細(xì)介紹液壓缸的整體設(shè)計(jì)思 路和具體尺寸的計(jì)算和標(biāo)準(zhǔn)件的選擇。 設(shè)計(jì)思想： 液壓缸的設(shè)計(jì)通常要求滿足下述最基本的技術(shù)要求： （1）承受最大的負(fù)載力，即輸出力 P; （2）輸出最大速度 v 或動(dòng)作時(shí)間 t； （3）最大工作行程 L. 為了滿足所提出的技術(shù)要求，設(shè)計(jì)液壓缸最基本的內(nèi)容在于保證其一定的有效 面積，強(qiáng)度和不漏油，并滿足性能指標(biāo)及使用要求。 14 2.2.1 液壓缸工作壓力的確定 按任務(wù)書所給工作壓力 。31.5pPMa 2.2.2 缸筒的設(shè)計(jì)計(jì)算 缸筒是液壓缸的主體零件，它與缸蓋、活塞等零件構(gòu)成密閉的容腔，形成內(nèi)壓， 推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。設(shè)計(jì)缸筒時(shí)，不僅要保證液壓缸的作用力、速度和有效行程，而且 必須有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便抵抗液壓力和其它外力的作用。特別是液壓系統(tǒng)的 工作壓力越來(lái)越高因而缸筒的強(qiáng)度和剛度設(shè)計(jì)也就顯得越來(lái)越重要，要求更全面地 考慮受力情況，進(jìn)行精確的計(jì)算。另外，缸筒與活塞之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，既要能滑動(dòng) 自如，又要能保持密封，所以必須具有一定的幾何精度、表面光潔度和配合精度。 2.2.3 缸筒的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) 缸筒一般采用圓筒結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)均勻，節(jié)省材料便于加工裝配應(yīng)用最普遍。 長(zhǎng)行程液壓缸可采用分段式缸筒，對(duì)于大型高壓液壓缸還可采用加強(qiáng)環(huán)式缸筒或雙 筒壁缸筒，這兩種缸筒能使較薄的壁厚得到較高的強(qiáng)度和剛度。本文設(shè)計(jì)所采用的 是無(wú)縫鋼管，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖 2-3： 圖 2-3 缸筒結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 2.2.4 缸筒內(nèi)徑的計(jì)算 設(shè)計(jì)中，往往需要根據(jù)已經(jīng)給出的工作壓力、要求的作用力或工作速度計(jì)算缸 筒內(nèi)徑。本設(shè)計(jì)采用圓筒結(jié)構(gòu)雙作用單活塞桿液壓缸，液壓缸內(nèi)徑 D 和活塞桿直徑 d 的確定： 15 根據(jù)任務(wù)書內(nèi)容可知本設(shè)計(jì)為四支柱式液壓支架 =1125 kN （2-1）4clF50 = =1184.21 kN （2-2）lcm12.9 式中 F作用于活塞上的載荷，kN； 工作負(fù)載，kN；l 液壓支架初撐力( =4500)，kN ；c cF 液壓缸的機(jī)械效率，一般取 =0.9-0.97 這里取 =0.95。mcmcm 根據(jù)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)公式 2-3 = =218.84mm （2-3） PD41 3184.205 式中 立柱缸筒內(nèi)徑，mm；1 F作用于活塞上的載荷，N； P供油壓力（這里取液壓泵站額定工作壓力 P=PP=31.5MPa） ，MPa。 表 21 液壓缸內(nèi)徑尺寸系列（GB2348-80） mm 參照上表，故最終選取 =220mm。1D 2.2.5 液壓缸壁厚和外徑的計(jì)算 液壓缸的壁厚由液壓缸的強(qiáng)度條件來(lái)計(jì)算。 液壓缸的壁厚一般指缸筒結(jié)構(gòu)中最薄處的厚度。從材料力學(xué)可知，承受內(nèi)壓力 的缸筒，其內(nèi)應(yīng)力分布規(guī)律因壁厚的不同而各異。一般計(jì)算是分為薄壁圓筒和厚壁 圓筒。 8 10 12 16 20 25 32 40 50 63 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 320 400 500 630 16 缸筒壁厚的計(jì)算，在實(shí)際使用中有三種公式，這里采用下述公式： ( 2-4 )CPD1sh3.2 式中 液壓缸壁厚，m； D 液壓缸內(nèi)徑，m； 試驗(yàn)壓力，一般取工作壓力的（1.25-1.5）倍，MPa；shP 缸筒材料的許用應(yīng)力（無(wú)縫鋼管： =100-110MPa） ，MPa； 為強(qiáng)度系數(shù)，無(wú)縫鋼管 =1； C 考慮壁厚公差及侵蝕的附加厚度，m。 取 D=220mm， =1.25P=42.77MPa， =250MPa，C=0.0024m, 將上述值代入公式得：shP =0.0189 m 除上述計(jì)算外，確定缸壁厚度時(shí)，還要考慮以下兩個(gè)問(wèn)題： (1)制造工藝對(duì)缸筒壁厚的要求： 缸筒內(nèi)孔采用液壓加工時(shí)，壁厚不能太薄否 則容易產(chǎn)生變形，影響加工精度。 (2)連接方式對(duì)壁厚的要求： 在缸筒上加工較大的溝槽或螺紋時(shí)，必須注意對(duì) 缸筒強(qiáng)度的影響。設(shè)計(jì)時(shí)可將螺紋或溝槽的底徑作為計(jì)算壁厚的實(shí)際尺寸或者為了 減小它們對(duì)缸筒強(qiáng)度的影響，規(guī)定螺紋、溝槽部的最小壁厚不能小于壁厚的 70。 當(dāng)槽深為 0.3t 時(shí)，槽寬不能超過(guò) 0.5t，當(dāng)槽深為 0.1，槽寬不能超過(guò) 1t，而且槽 底根部應(yīng)為圓角。 缸筒外徑 +2 =220+2 18.9=257.8 （2-5）2D1 式中 缸筒外徑，mm；2D 缸筒內(nèi)徑， mm；1 缸筒壁厚，mm。 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 23.6-6 可知內(nèi)徑 220mm 時(shí)標(biāo)準(zhǔn)外徑為 =275mm 大于計(jì)2D 算外徑取標(biāo)準(zhǔn)外經(jīng) 275mm。 2.2.4 缸筒的材科和毛坯 選擇缸筒材料和毛坯，主要需考慮機(jī)械性能，此外兼顧它的工藝性和經(jīng)濟(jì)性。 缸筒常用材料和毛坯如下： （1） 無(wú)縫鋼管 無(wú)縫鋼管作缸筒毛坯加工余量小，工藝性能好，生產(chǎn)準(zhǔn)備周 期短，適于大批量生產(chǎn)。標(biāo)準(zhǔn)液壓缸大部分采用無(wú)縫鋼管作缸筒毛坯。一般常用調(diào) 17 質(zhì)的 45 號(hào)鋼。需要焊接時(shí)，常用焊接性能較好的 2035 號(hào)鋼。無(wú)縫鋼管的規(guī)格參見(jiàn) “熱軋無(wú)縫鋼管(YB23l70)”和“冷拔(冷軋)無(wú)縫鋼管(YE23l70)”。 （2） 卷焊管 卷焊管適用于特殊規(guī)格的薄壁低壓液壓缸，一般使用 2035 號(hào) 鋼。它需要較高的焊接技術(shù)和完善的探傷、質(zhì)量鑒定措施。 （3） 鑄件 鑄造能獲得形狀復(fù)雜的缸筒毛坯，機(jī)械加工工藝性好生產(chǎn)率高。 但容易出現(xiàn)氣孔、疏松、偏析、砂眼等鑄造缺陷，廢品率較高，灰鑄鐵鑄件常用 HT2040 至 HT356l 之間的幾個(gè)牌號(hào)，要求較高者，可采用球墨鑄鐵 QT50 150、QT60200 等。此外，還可以采用 ZG251ZG35、ZG45 等鑄鋼件。 （4） 鍛件 鍛造毛坯適用于內(nèi)徑大、行程短、筒壁較厚的缸筒。與鑄件毛坯 比較，它的質(zhì)量較高。大型液壓缸多采用鑄-鍛聯(lián)合工藝制造毛坯。特殊要求的缸筒， 還可以采用鋁合金、不銹鋼等材料。 綜合各方面考慮，選擇無(wú)縫鋼管。 2.2.5 缸筒的技術(shù)要求 缸筒的技術(shù)要求高，工藝過(guò)程復(fù)雜，是液壓缸中最難加工的零件。缸筒的技術(shù) 要求應(yīng)合理、適當(dāng)。過(guò)高的技術(shù)要求會(huì)導(dǎo)致大幅度提高成本；技術(shù)要求過(guò)低將影響 液壓缸的工作性能和使用壽命。 （1） 缸筒內(nèi)徑公差等級(jí)和表面光潔度缸筒與活塞一般采用基孔制的間隙配合。 活塞采用橡膠密封件時(shí)，缸筒內(nèi)孔可采用 H8、H9 公差等級(jí)，與活塞組成 、78fH 、 、 、 、 、 、 等不同的間隙配合。缸筒內(nèi)孔表面光潔8fHg78hH89gh9H 度取 GB1031-83 Ra8-Ra10。采用活塞環(huán)密封時(shí)，缸筒內(nèi)孔公差等級(jí)一般取 H7，它 可與活塞組成 、 、 、 等等不同的間隙配合。內(nèi)孔表面光潔度取6g76h7 GB1031-83 Ra8-Ra9。 液壓缸常用基孔制間隙配合的極限間隙應(yīng)盡量不采用 H 對(duì) h 的配合，因?yàn)樗?可能出現(xiàn)配合過(guò)緊的現(xiàn)象。 （2） 缸筒的形位公差缸筒內(nèi)徑的圓度、圓柱度誤差不大于直徑尺寸公差的一 半。缸筒軸線的直線度誤差在 500mm 長(zhǎng)度上不大于 0.03mm。缸筒端面對(duì)軸線的圓跳 18 動(dòng)在 100mm 的直徑上不大于 0.04mm。 （3） 安裝部位的技術(shù)要求 缸筒安裝缸蓋的螺紋應(yīng)采用 2a 級(jí)精度的公制螺紋。 采用耳環(huán)安裝方式時(shí)，耳環(huán)孔的軸線對(duì)缸筒軸線的位置度誤差不大于 0.03mm，垂直 度誤差在 l00mm 長(zhǎng)度上不大于 0.1mm。采用軸銷式安裝方法時(shí)，軸銷的軸線與缸筒 軸線的位置度誤差不大于 0.1mm，垂直度誤差在 100mm 長(zhǎng)度上不大于 0.1mm。 （4）其它技術(shù)要求 1)缸筒內(nèi)徑端部倒角 15 30 ，或例 R3 以上的園角，光潔度不低 Ra7，以免裝 配時(shí)損傷密封件； 2)缸筒端部需焊接時(shí)，缸筒內(nèi)部的工作表面距焊縫不得小于 20mm； 3)熱處理調(diào)質(zhì)硬度一般為 HB24l 一 285； 4)為了防腐蝕，提高壽，缸筒內(nèi)徑可以鍍鉻，鍍層厚度一般為 0.03mm 0.05mm，然后進(jìn)行研磨式拋光。缸筒外面表面可涂耐油油漆。2.9.1 鋼筒壁厚 當(dāng) =（0.1-0.3）D 時(shí)用下式校核 ( 2-6)epD3.2 式中 缸筒壁厚，m； 試驗(yàn)壓力 =（1.25-1.5）p，p 是液壓缸的額定工作壓力，MPa；epe D 缸筒內(nèi)徑，m； 缸筒材料的許用應(yīng)力。 將 =42.77Mpa；D=0.22m ； =250Mpa 代入上式進(jìn)行計(jì)算得ep =0.0211 ( 2-7 )epD3.2 而 =0.0275 故滿足要求。ep3.2 2.2.6 缸底厚度 缸底有孔時(shí) ( 2-8 )(D43.001dPe 式中 缸筒內(nèi)徑，mm；D 19 缸底孔的直徑，mm；0d 試驗(yàn)壓力，MPa。eP 將 =275, =25mm, =42.77Mpa 代入上式進(jìn)行計(jì)算得 :D0eP =18.5mmde2pD43.0 目前選用缸底 =100mm 18.5.故滿足要求。1 2.3 活塞桿設(shè)計(jì)計(jì)算 活塞桿是液壓缸傳遞力的主要組件，它必須具有足夠的強(qiáng)度和剛度，以便承受 拉力、壓力、彎曲力、振動(dòng)和沖擊等載荷的作用。同時(shí)還要注意到它對(duì)活塞有效工 作面積的影響，保證液壓缸達(dá)到所要求的作用力和運(yùn)動(dòng)速度?；钊麠U應(yīng)具有一定的 耐磨性。它的端部要選擇適當(dāng)?shù)倪B接形式并應(yīng)有較好的連接強(qiáng)度。此外還應(yīng)具有較 高的尺寸精度、幾何精度和表面光潔度。 2.3.1 活塞桿的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) （1） 活塞桿外端連接結(jié)構(gòu)及尺寸 活塞桿外端與被拖動(dòng)部件之間可采用外螺紋、內(nèi)螺紋、單耳環(huán)、雙耳環(huán)、半球 鉸單耳環(huán)、球鉸、銷鈾、銷釘、法蘭等不同的連接方式如圖 2-4： 20 圖 2-4 活塞桿的外端連接結(jié)構(gòu) 為滿足設(shè)計(jì)使用要求，故選用耳環(huán)連接。 2.3.2 活塞桿的材料 活塞桿常使用 35、45 鋼等材料。對(duì)于沖擊振動(dòng)很大的活塞桿，也可以使用 55 鋼或 40Cr 鋼。要求耐腐蝕或在海水中工作的活塞桿，有必要采用不銹鋼。 活塞桿一般用棒料。如果采用冷拉棒認(rèn)可以大大減少加工余量，甚至可以不加 工。用于沖擊振動(dòng)條件下的活塞桿，也可以用鍛造毛坯，以提高機(jī)械性能。但它不 適用于長(zhǎng)活塞稈。綜合考慮選用 45 鋼。 2.3.3 活塞桿的按術(shù)要求 (1)活塞桿與導(dǎo)向套之間一般采用 、 級(jí)配合，光潔度一般為 Ra8-Ra987gHf (2)活塞桿外徑的圓度、圓柱度誤差不大于直徑 d 誤差的一半。軸線的直線度誤 差在 500mm 長(zhǎng)度上不大于 0.03mm。 (3)活塞桿外徑 d 與安裝活塞軸頸的外徑 d 的圓跳動(dòng)不大于 0.01mm，軸肩 T 面1 的圓跳動(dòng)在直徑 100mm 上不大于 0.020.04mm。 (4)外徑可鍍鉻 0.05mm，熱處理硬度調(diào)質(zhì) HRC229 一 285.必要時(shí)高頻淬火，硬度 HRC44-45； 21 (5)活塞汗的連接螺紋一般為 23 級(jí)公制螺紋，退刀槽不應(yīng)清根，以減少應(yīng)力 集中，提高疲勞強(qiáng)度。 液壓缸相關(guān)參數(shù)如圖 2-5 所示 圖示狀態(tài)為活塞桿受外部載荷時(shí) （2-9）12FPA （2-10）4D （2-11） 22()dA 21()4DPFd32666418.0.(1.50.1)35 =0.1215m 式中 液壓缸工作腔壓力，Pa；1P 液壓缸回油腔壓力，即背壓力其值根據(jù)回路具體情況而定，2 算時(shí)可參照機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 23.4-4 取值，這里取 =0.5MPa，Pa；2P D活塞直徑，即缸筒內(nèi)徑，m。 考慮液壓支架為重載機(jī)械，為安全考慮，查表 2-2 取 d/D=0.7，d=0.7D=154mm 查表 2-3 活塞桿直徑可圓整為 d=160mm 表 2-2 按工作壓力選取 d/D mm 工作壓力/MPa 5.05.07.0 7.0 A1 A 2 Fw 圖 2-5 液壓缸相關(guān)參數(shù) P1 P2 22 d/D 0.50.55 0.620.70 0.7 本設(shè)計(jì)中活塞桿設(shè)計(jì)為空心活塞桿取活塞桿外徑為 200mm，內(nèi)徑為 160mm。 表 2-3 活塞桿直徑系列（GB2348-80） mm 2.3.4 液 壓 缸 穩(wěn)定性的計(jì)算 液壓缸承受的負(fù)載 F 超過(guò)某臨界值 時(shí)將會(huì)失去穩(wěn)定.穩(wěn)定性可用下式進(jìn)行校核:cF ( 2-12 ) 當(dāng)活塞桿 時(shí)21crl ( 2-13 )2lEJFc 當(dāng)活塞桿 =20120 時(shí)21crl ( 2-14 )21ccrlafAF 式中 安裝長(zhǎng)度（見(jiàn)表 2-4） ，m；l 活塞桿橫截面的最小回轉(zhuǎn)半徑，m；cr 材料柔性系數(shù)（見(jiàn)表 2-5） ；1 液壓缸支撐末端系數(shù)（見(jiàn)表 2-4） ；2 E 活塞桿材料的彈性模量,可取 E=2.06 , MPa；Mpa510 J 活塞桿橫截面慣性矩,對(duì)于實(shí)心桿 ;對(duì)于空心桿642dJ644dD ,D 為桿的外徑,d 為桿的內(nèi)徑，m； 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 22 25 28 32 36 40 45 50 56 63 70 80 90 100 110 125 140 160 180 200 220 250 280 320 350 400 23 f 材料強(qiáng)度決定的試驗(yàn)值,（見(jiàn)表 2-5） ； A 活塞桿橫截面積，m 2； a 系數(shù),（見(jiàn)表 2-4） 。 表 2-4 活塞桿安裝長(zhǎng)度 l 及末端系數(shù) n 表 2-5 系數(shù) 1,f,a 24 材料 12810mNfa 鑄鐵 80 5.6 1/1600 鍛鐵 110 2.5 1/9000 軟鋼 90 3.4 1/7500 硬鋼 115 4.9 1/5000 從上述進(jìn)行計(jì)算 120102crl ,按照所設(shè)計(jì)的方案來(lái)看屬于兩端鉸 接,參照上表 =1,f=5.6 108,A= =0.0113 ,a=1/9000.l=2m,2()4Dd2m 代入上式進(jìn)行計(jì)算得:mrc01. 1423KNcF cKN125 故液壓缸滿足穩(wěn)定性校核。 2.4 乳化液泵站的設(shè)計(jì) 2.4.1 泵站壓力的確定 乳化液泵站的工作壓力，主要根據(jù)支柱的初撐力或千斤頂?shù)淖畲笸屏?lái)確定。 本設(shè)計(jì)任務(wù)書中已給定乳化液泵站的工作壓力。 =31.5Mpa。pP 2.4.2 泵站流量的確定 泵站流量的大小，決定了支架的移動(dòng)速度。為了較好的發(fā)揮采煤機(jī)的效能，支 架的移動(dòng)速度，必須與采煤機(jī)正常的牽引速度相適應(yīng)。泵站的流量應(yīng)根據(jù)每架支架 在移動(dòng)時(shí)的工作循環(huán)中需要的油缸的最大流量來(lái)確定： （2-15）626525424 323114SDSSDZZQttt t 25 = 3062430624302430 222 =11.381L/S =682.86L/min 式中 、 、 、 、 支柱、推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千1D2345D6 斤頂、防滑千斤頂、護(hù)幫千斤頂?shù)母左w內(nèi)徑 ，mm； 、 、 、 、 移架時(shí)支柱的升降值推移千斤頂、側(cè)推千斤1S234S56 頂、前梁千斤頂、防滑千斤頂、護(hù)幫千斤頂?shù)男谐?，mm； 、支柱、側(cè)推千斤頂?shù)膫€(gè)數(shù)。1Z2 由于在操作中需要一定的輔助時(shí)間，同時(shí)還應(yīng)考慮統(tǒng)的漏損，所以泵站的實(shí)際 流量應(yīng)比計(jì)算值要大。 根據(jù)流量查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 23.5-42 選取 YCY14-1B 型柱塞泵 其相關(guān)參數(shù)如表 2-6 表 2-6 柱塞泵相關(guān)參數(shù) 型 號(hào) 排量 （ml/r） 壓力 （MPa） 轉(zhuǎn)速 （r/min ） 容積效 率（%） 驅(qū)動(dòng)功 率（kW） YCY14-1B 400 31.5 1000 92 250 2.4.3 泵站電動(dòng)機(jī)功率確定 根據(jù)柱塞泵的功率來(lái)選取電動(dòng)機(jī)的功率 查機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)表 35.1-12 選取 Y2-355L-6 型電動(dòng)機(jī) 其相關(guān)參數(shù)如下： 額定功率250kW 轉(zhuǎn) 速990r/min 效 率94.9% 26 2.5 液壓元件的選擇 根據(jù)先前計(jì)算的系統(tǒng)壓力、流量等相關(guān)參數(shù)，并根據(jù)擬定的液壓系統(tǒng)原理圖， 通過(guò)相關(guān)手冊(cè)選取液壓元件，詳見(jiàn)表 2-7 表 2-7 液壓元件明細(xì)表 序號(hào) 元件名稱 規(guī)格 出處 1 柱塞泵 SCY14-1B 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 4 2 電機(jī) Y2-355L-6 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 5 3 液位計(jì) YZY-600T 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 4 濾油器 SU1B-F80*67 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 5 聯(lián)軸器 NL2 機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)手冊(cè) 6 油箱 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 7 溢流閥 YF3-E3B 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè) 8 壓力表 YN60 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 4 9 手動(dòng)換向閥 WMM16 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 4 10 液控單向閥 SV30PB 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 4 11 節(jié)流閥 DRVP40 機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)卷 4 2.6 油管內(nèi)徑的計(jì)算 本系統(tǒng)管路較為復(fù)雜，取其主要幾條， （其余略） ，按式（2-16）進(jìn)行計(jì)算， （2-16）vqd4 式中 通過(guò)管道內(nèi)的流量， ；vq3/ms 管內(nèi)允許流速（見(jiàn)表 2-8） ，m/s。 計(jì)算出內(nèi)徑 d 后，按標(biāo)準(zhǔn)系列選取相應(yīng)得管子。 27 表 2-8 管內(nèi)允許流速 由于本設(shè)計(jì)流量較大流速取最大值計(jì)算即 =6m/s。v 計(jì)算結(jié)果如表 2-9 所示 表 2-9 管道內(nèi)徑 管道 計(jì)算結(jié)果（mm） 最終取值（mm） 泵壓油管 48 50 泵吸油管 4850 立柱千斤頂管道 23.06 25 推移千斤頂管道 23.06 25 其它管道 23.06 25 2.7 油箱容量的確定 根據(jù)經(jīng)驗(yàn)油箱容積應(yīng)滿足 （2-17）0V 式中 油箱容積， ；V3m 將所有千斤頂注滿所需要的乳化油液體積， 。0 3m 2.8 活塞的設(shè)計(jì) 活塞的最大運(yùn)動(dòng)速度最好不超過(guò) 1ms，活塞的最大接觸壓力不超過(guò) 2MPA，長(zhǎng) 管 道 推薦流速 )/(sm 液壓泵吸油管道 0.51.5，一般取 1 以下 液壓系統(tǒng)壓油管道 36，壓力高，管道短，粘度小取大值 液壓系統(tǒng)回油管道 1.52.6 28 行程或承受側(cè)向載荷的液壓機(jī)，活塞的有效接觸長(zhǎng)度應(yīng)適當(dāng)取大些，這樣可增大 DL 值(活塞直徑與有效接觸長(zhǎng)度的乘積)，從而減小比壓，降低磨耗，提高活塞的耐磨 性能。 2.4.1 活塞的技術(shù)要求 （1） 活塞的外徑基本偏差一般采用 f、g、h 等，橡膠密封活塞公差等級(jí)可選 用 7、8、9 級(jí)，活塞環(huán)密封時(shí)采用 6、7 級(jí)，間隙密封時(shí)可采用 6 級(jí)，皮革密封時(shí)采 用 8、9、10 級(jí)?；钊麅?nèi)孔的公差等級(jí)一般取 H7，與活塞桿軸頸組成 h7/g6 的過(guò)渡 配合?；钊鈴?、內(nèi)孔的表面光潔度均取 Ra7 一 Ra8。 （2） 活塞外徑、內(nèi)孔的圓度、圓柱度誤差不大于尺寸公差的二分之一。 （3） 活塞外徑對(duì)內(nèi)孔的圓跳動(dòng)不大于尺寸公差的二分之一。端面對(duì)內(nèi)孔的圓 跳動(dòng)在 100mm 的直徑上不大于 0.020.04mm。 （4） 活塞外徑表面可以鍍青銅、黃銅等銅合金或噴涂尼龍等。 2.9 密封裝置的設(shè)計(jì) 液壓缸依靠密閉油液容積的變化傳遞動(dòng)力和速度。密封裝置的優(yōu)劣，將直接影 響液壓缸的工作性能。密封不好的液壓缸，不僅會(huì)污染環(huán)境、降低容積效率、增加 功率損失有時(shí)還會(huì)影響液壓缸的正常動(dòng)作。當(dāng)然絕對(duì)的密封是不可能的?；钊麠U往 復(fù)運(yùn)動(dòng)總要帶出油液。但是，這種滲漏要盡量小。相反，如果活塞桿往復(fù)運(yùn)動(dòng)不帶 出絲毫油液，使活塞桿處于干摩擦，反而會(huì)影響液壓缸的工作性能和壽命。 2.9.1 密封裝置的一般知識(shí) （1） 密封裝置的分類 根據(jù)工作原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的不同，密封裝置可作如下分類： 1)擠壓密封 密封件在液壓力的作用下，緊貼于相互配合件之間的間隙實(shí)現(xiàn)密 封，如 O 形密封圈和矩形密封圈。 2)唇邊密封 密封件的唇邊在液壓力作用下貼在互相配合的另一個(gè)零件表面上 形成密封圈等。 3）壓緊密封 依靠外力或液力壓緊密封件，使其產(chǎn)生過(guò)盈量貼緊于被密封表面 實(shí)現(xiàn)密封。 29 4)間隙密封 通過(guò)嚴(yán)格控制兩個(gè)相互配合零件的間隙防止漏風(fēng)實(shí)現(xiàn)密封。 密封裝置還可按使用方法不同分為固定密封、往復(fù)運(yùn)動(dòng)密封和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封；按密 封件材料不同可分為橡膠、塑料、皮革和金屬密封。 （2）對(duì)密封裝置的主要要求 1)在一定的工作壓力和溫度下具有良好的密封效果，泄漏量??； 2)摩擦系數(shù)小，摩擦力均勻，不會(huì)引起運(yùn)動(dòng)零件的爬行或卡死等現(xiàn)象； 3)耐磨性好，躍壽命長(zhǎng)，在一定程度上能自動(dòng)補(bǔ)償密封件的磨損和幾何精度的 誤差； 4)不損壞被密封件表面； 5)耐油性、抗腐蝕性好，不易老化； 6)成本低廉，制造容易使用方便； 7)采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)和尺寸； 8)適應(yīng)液壓缸工作條件的特殊要求。 設(shè)計(jì)密封裝置時(shí)要注意掌握液壓缸的用途、使用壓力、運(yùn)動(dòng)速度、工作環(huán)境、 工作油液及添加劑的性能，密封件的材質(zhì)、形狀、用途、摩擦力、允許泄漏量，接 觸面的加工精度和光潔度等，以便正確合理地選用密封件，設(shè)計(jì)密封裝置。液壓缸 密封件所使用的材料，必須具備一定的耐油性、耐磨性、耐熱性、耐寒性、耐化學(xué) 藥品的性能并具備一定的反彈力和抗壓強(qiáng)度。密封裝置設(shè)計(jì)不當(dāng)，密封件在液壓力 作用下會(huì)被擠出、擰扭甚至破裂從而出現(xiàn)漏油現(xiàn)象，或者密封件的碎屑卡住間隙， 使液壓缸不能正常運(yùn)動(dòng)。為了防止這種現(xiàn)象的產(chǎn)生應(yīng)該根據(jù)壓力適當(dāng)選擇兩個(gè)密封 面之間的配合間隙正確選擇密封材料的硬度必要時(shí)使用保護(hù)擋環(huán)等。 2.9.2 O 型橡膠密封圈 0 形橡膠密封圈是應(yīng)用最廣泛的擠壓密封件。在沒(méi)有液壓力作用時(shí) O 形橡膠密封 圈靠預(yù)壓縮變形實(shí)現(xiàn)初始密封(圖 2-6)。液壓力作用時(shí) O 形橡膠密封因被擠到槽的 一側(cè)，貼于糟壁和密封面上，增加了密封面的接觸壓力，提高密封效果(圖 2-6)。 O 形密封圈的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，密封性好，安裝空間小，摩擦力小，易于制作所以應(yīng)用 較廣。它作為運(yùn)動(dòng)密封時(shí)工作壓力可達(dá) 2030MPa。硬度較高的 O 形橡膠圖，也可以 用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)密封。但運(yùn)動(dòng)速度不能太大，一般在 2ms 以下。它的工作溫度在一 般在 2090之間。 30 （1） O 形橡膠密封圈的標(biāo)準(zhǔn)尺寸 O 形橡膠密封圈的尺寸系列參見(jiàn) GBl235- 76 的規(guī)定。 （2）O 形密封圈安裝溝槽的設(shè)計(jì) O 形密封圈安裝溝槽的形式很多，有矩形 槽、三角槽。矩形槽應(yīng)用最多。本設(shè)計(jì)就采用矩形槽。 圖 2-6 O 型密封圈的自密封和擠壓密封 O 形密封圈的預(yù)壓縮量在設(shè)計(jì)制造密封圈時(shí)就已考慮進(jìn)去它的實(shí)際尺寸也包括 預(yù)壓縮量。設(shè)計(jì)溝槽時(shí)應(yīng)以公稱尺寸為準(zhǔn)。 密封圈選用 GBl235-76 所標(biāo)注的標(biāo)準(zhǔn)件。 31 第三章 系統(tǒng)的驗(yàn)算 在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)束后，需要量對(duì)所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的技術(shù)性能進(jìn)行驗(yàn)算，判斷 設(shè)計(jì)質(zhì)量，即以便調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)及方案。 3.1 壓力損失的驗(yàn)算 3.1.1 驗(yàn)算泵到液壓缸回路中的壓力損失 （1） 沿程壓力損失 1P 泵到液壓缸間管路較長(zhǎng)，管路長(zhǎng)粗略取 ，管內(nèi)徑取 0.025m，快速時(shí)通過(guò)流m10 速為 2.5L/s，油在管路中的實(shí)際流速為: （3-1）sdq/.5/02.45 322309613.5vRe 所以，油在管路中呈紊流流動(dòng)狀態(tài)，其沿程阻力系數(shù)為 32 25.03164eR 按式 （3-2）1dlP 求得沿程壓力損失為 MPa17.01205.2969634.1 （2） 、局部壓力損失 管路局部壓力損失 2P （3-3）Pa09.621.52 閥類元件的局部損失 的數(shù)值參考產(chǎn)品樣本及計(jì)算得3 ，MaP16.3).095.( 所以泵到液壓缸的系統(tǒng)壓力損失 32PP8.17. 由以上計(jì)算結(jié)果看，泵的實(shí)際出口壓力距泵的額定壓力還有一定的壓力裕度， 因此所選用的泵是合適的。 3.1.2 管路系統(tǒng)總壓力損失及壓力效率 （1） 、管路系統(tǒng)總壓力損失 =沿程壓力損失之和+局部壓力損失之和，即1P （3-4）Pdl21 對(duì)于多條支路的液壓系統(tǒng)，通常選壓力損失最大的支路來(lái)計(jì)算 ，1P MaP983.6.5.01 （2） 、管路系統(tǒng)的壓力效率 p （3-5）0101Pp 33 式中 液壓系統(tǒng)的調(diào)速壓力，取 31.5MPa。0P 87.05.319p 3.2 系統(tǒng)溫升的驗(yàn)算 液壓支架液壓油油溫升太高，會(huì)使油的質(zhì)量變壞，影響元件壽命和系統(tǒng)效率， 一般情況下，若液壓支架的正常工作油溫是 2050，則最高允許油溫是 6080。 系統(tǒng)的發(fā)熱由泵和執(zhí)行元件功率損失，溢流節(jié)流損失和閥及管道壓力損失等引 起的，驗(yàn)算可按下式粗略地計(jì)算，系統(tǒng)溫升是否超過(guò)允許值，若超過(guò)則要采取冷卻 措施。 泵和執(zhí)行元件功率損失引起的熱量是 （3-6）)1(01thPQ 式中 P液壓泵功率（KW） ； 油泵效率，取 =0.92；tt 泵和執(zhí)行元件功率損失引起的熱量，W 。1hQ Wh 20)9.1(2501 溢流損失引起的熱量 （3-7）ehQP67.2 式中 溢流閥的調(diào)定壓力，kPa；eP 溢流流量 ，L/mi