单体液压支柱的结构设计(详细尺寸、三维视图)

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第1章 绪 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。

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25°～35°的急倾斜回采工作面。 2、煤层顶、底板条件

（1）工作阻力为300KN的支柱，底板抗压入强度应为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。

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（2）适用于一人工作时进行支护作业。

（3）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。

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，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达84.8%，五年左右时间内使用量增长了7～8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。

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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7～10t，为摩擦式金属支柱的3～10倍（摩擦式金属支柱用液压升柱装置时初撑力2～3t，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。

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第2章 单体液压支柱的结构和工作原理

2.1分类

1、按型号分类

（1）通用型支柱。用于一般条件下使用。 （2）重型支柱。用于特殊条件下使用。 2、按升柱时工作液循环方式分类

（1）内部注液式单体液压支柱（简称内注式）。 工作液压油在体内形成闭路循环。 （2）外部注液式单体液压支柱（简称外注式）。从泵站供给乳化液，通过注液枪注入支柱。 3、按材质分类

（1）热轧低碳合金钢单体液压支柱。 （2）冷拔低碳合金钢单体液压支柱。 （3）轻金属合金钢单体液压支柱。

我国批量生产、使用的是热轧低碳合金钢支柱。

2.2技术特征

类型及特征代号用汉语拼音大写字母表示：D表示单体液压支柱，第一特征代号中N表示内注式支柱；W表示外注式支柱。第二特征代号中S代表双伸缩，无字母代表单伸缩，Q代表轻合金。主参数用阿拉伯数字表示；补充特征代号一般不用。修改序号用加括号的大写拼音字母（A）、（B）、（C）……表示，用来区分类型、主参数、特征代号均相同的不同产品。

2.3压支柱的工作原理

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。

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2.4压支柱的结构

DZ型单体液压支柱为外部注液的单体液压支柱。

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。如图2.1所示：

卸载手把注液枪泵站供液

图2.1 外注式单体液压支柱装配图 图2.2单体液压支柱的三维实体造型

2.5零部件尺寸的计算与选择

2.5.1给定参数

直径Φ100mm； 工作阻力300KN； 最大高度2000mm。 2.5.2油缸与活柱体 1、油缸

油缸是支柱下部承载杆件。 如图2.3所示：

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图2.3油缸

（1）主要技术要求

有足够的强度，能长期承受最高工作压力以及短期动态试验压力而不会产生永久变形。

有足够的刚度，能承受活柱侧向力，而不至于产生弯曲。

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，且磨损少，几何精度高，确保活塞密封。 （2）材料

缸筒材料一般要求有足够的强度和冲击韧性，根据油缸的参数、用途和毛坯，可选用的材料是27SiMn。 （3）缸筒的计算

①立柱的工作阻力，缸内压力，缸筒内径之间的关系为

 P=D22p （2.1）

4式中 p——缸筒内压力，N/mm2；

D2——缸筒内径，mm； P——立柱工作阻力，KN。 Kb=

初撑力p 则 p=R （2.2）

工作阻力Kb式中 pR——乳化液泵的工作压力；

Kb——一般在0.52～0.78之间。 Kb=

pR20==0.52 （2.3） p38.26

初撑力= Kb×工作阻力=0.523×300=157KN （2.4）

②预算缸径尺寸和缸壁厚度 缸筒内压力为

43001034P p===38.2MPa （2.5） 2210D2式中 P——立柱工作阻力300KN；

D2——缸筒内径100mm。

L0.75D2s=833.85 MPa （2.6） 10833.85 []=s==555.9 MPa （2.7）

n1.5缸壁厚度为

缸筒材料为27SiMn无缝钢管，

D=2(20.4p11) 1.3p=

100555.90.438.2(11) 2555.91.338.2 =3.1mm （2.8）

考虑到缸口要车槽口和台阶，所以选用缸壁厚度为7mm。 （4）缸筒的加工要求

①缸筒内径采用H8、H9配合；

②缸筒内径D的圆度公差值可按9、10、11级精度选取，圆柱度公差值可按8级选取；

③缸筒端面T的垂直度公差值可按7级精度选取。 2、活柱体尺寸的确定

图2.4 活柱体

活柱体是支柱上部承载杆件。根据油缸的外径可以确定出活柱的内外径分别为78 mm和95 mm。

在外注式单体液压支柱的活柱外侧还装有限位装置，其是限制活柱升高，保证油

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缸与活柱具有一定重合长度，防止活柱拔出和损坏的装置。限位装置有限位套、限位环、钢丝挡圈和限位台阶等多种形式。缸径为100mm的DZ型支柱采用活柱上限位台阶限位。

支柱升高，活柱上限位装置与手把体接触后，如果继续供液，活柱也不再升高。因此，限位装置必须具有一定强度，使其承受初撑力时，不至于损坏。

限位台阶高度尺寸计算过程如下

L7600.75100mm=151mm （2.9） H=0.75D2mm=

1010式中 L——立柱最大工作行程，mm；

D2——缸筒内径，mm。 2.5.3单体液压支柱三用阀和复位弹簧 1、外注式单体液压支柱三用阀的选择

三用阀顾名思义，即有三种用处的阀。它是外注式单体液压支柱的心脏，支柱靠它的单向阀完成开柱和支撑；靠它的卸载阀完成支柱的回收；靠它的安全阀在支柱过载时使支柱缓慢下缩，保护支柱不致受损。外注式支柱将三个阀组装在一起，便于更换和维修。

三用阀利用左右阀筒上的螺纹装在支柱柱头上，并用阀筒上的O形密封圈与柱头密封。

图2.5 三用阀

1—左阀筒；2—注油阀体；3—限位套；4—单向阀阀座；5—压紧螺套；6—钢球Φ8；7—锥形弹簧；8—卸载阀垫；9—卸载阀弹簧；10—连接螺杆；11—阀套；12—阀座；13—O形圈Φ13×1.9；14—O形圈Φ28×3.5；15—安全阀针；16—安全阀垫；17—六角导向套；18—O形圈Φ42×3.5；19—弹簧座；20—安全阀弹簧；21—调压螺丝；

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22—右阀筒 2、复位弹簧

采用复位弹簧降柱可加速支柱下降速度。复位弹簧一头挂在柱头上，另一头挂在底座上，并使它具有一定的预紧力。并且使用复位弹簧支柱的底座不能焊在油缸上，而必须活接，且采用连接钢丝与油缸连接。

复位弹簧是单体液压支柱在进行回收时，使活柱筒快速回缩的重要零件。检验复位弹簧时，应根据支柱实际支设状况，将其拉伸到最大使用高度后保持24小时，最多允许弹簧有4mm的残余变形，这样的复位弹簧才算合格。 2.5.4单体液压支柱用锻件

外注式单体液压支柱中有5个零件是用模锻加工而成。它们分别是顶盖、手把体、底座、活塞和柱头。 1、顶盖

本次单体液压支柱主要针对大倾角煤层的工作状况而设计的，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2.5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π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。

（1）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+b×tanα （2.10） 式中 h——楔卡的高度；

a——楔卡厚度； c——顶梁厚度； b——顶梁宽度；

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α——煤层倾角。

其余尺寸均由自行设计而定。 如图2.6所示

图2.6 防倒顶盖结构 图2.7 顶盖的三维实体造型图

（2）顶盖的有限元分析

利用Pro/Engineer对该零部件进行有限元分析，只要输入顶盖的最大工作阻力，就能分析出该零部件的受力情况。并且能够通过受力情况的分布云图，很直观的看出各部分的受力情况。

下图是以顶盖为例的受力分析云图：根据云线的颜色可以看出各部分受力情况的大小，红色受力最大，视为危险截面。

图2.8 顶盖的受力分析云图I 图2.9 顶盖的受力分析云图II

2、手把体

手把体是单体液压支柱上唯一的一个可用手抓住的零件，对搬运、支设、移动支柱非常重要。手把体内装有防尘圈、导向环。它通过手把体连接钢丝与油缸相连接，能绕油缸自由转动便于操作和搬运。

手把体内孔的尺寸根据油缸外径、活柱外径、手把体连接钢丝、防尘圈和导向环的尺寸确定，防尘圈和导向环的尺寸根据活柱外径选取。

手把体结构形式如图2.10所示

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图2.10 手把体 图2.11 手把体三维实体造型图

3、底座

底座体由底座、弹簧挂环、O形密封圈、防挤圈等组成。它是支柱底部密封和承载的零件。它通过底座连接钢丝与油缸相连接。

底座体外径由油缸内径而定，各凹槽部分分别由安放在此处的标准件的尺寸决定，而各标准件的尺寸是根据油缸内径值查表而得。

结构形式如图2.12所示。

图2.12 底座体 图2.13 底座体三维实体造型图

4、活塞

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，所以要小于油缸内径。活塞与活柱接触的尺寸根据活

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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；

①活塞外径d对内孔D1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。 ②端面T对内孔D1的垂直度公差值，按7级精度选取。 ③外径d的圆柱度公差值，按9、10、11级精度选取。

利用Pro/Engineer的模型分析模块，能够即快又准确的计算出零件的体积和各个截面的面积。只要给它输入该材料的密度后，就能够计算出零件的质量。使用起来方便、快捷、准确。

下面以活塞为例进行说明

打开活塞的零件图后，在分析中点击模型分析，然后选择零件体，再输入其密度7.9×10-6kg/mm3,完成后便输出如下数值

体积=2.34×109mm3； 面积=2.67×107mm2； 密度=7.9×10-6kg/mm3； 质量=1.85kg。

图2.14 活塞 图2.15 活塞三维实体造型图

5、柱头

柱头是支柱上安装三用阀的地方，承受和传递支柱的载荷。

柱头与活柱的连接方式为焊接，其外径可根据活柱外径确定，上端销孔尺寸则由标准件弹性销的尺寸所决定，安装三用阀的孔也由三用阀的外径确定。

柱头的结构形式如2.14所示

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图2.16 柱头 图2.17 柱头三维实体造型图

2.6单体液压支柱的橡胶件和塑料件

单体液压支柱及三用阀中所使用的各种橡胶件和塑料件共15件，详见下表2.1。

表2.1单体液压支柱的橡胶件和塑料件

项目 类别 单 体 液 压 支 柱 名称 Y形密封圈 防尘圈 O形密封圈 活柱导向环 活塞导向环 皮碗防掎圈 活塞防掎圈 底座防掎圈 O形密封圈 安全阀垫 卸载阀垫 单向阀阀垫 规 格 — — 100×3.1 80×3.1 97×10×2.5 99.4×10×2.5 99.4×2×2.5 80×1.5×2.5 100×1.5×2.5 材 料 P228丁腈橡胶 P228丁腈橡胶 P229 P229 聚甲醛 聚甲醛 聚甲醛 聚甲醛 聚甲醛 P229 P229 P229 WS—520 QJ5511—1 WS—520 QJ5511—1 P907 数量 1 1 1 1 1 1 1 1 2 1 1 1 1 1 备 注 外径×高×厚 外径×高×厚 外径×高×厚（不切口） 外径×高×厚 外径×高×厚 三 用 阀 42×3.5 28×3.5 13×1.9 6×2 27×3.5 14×3 其中大流量三用阀的安全阀部分，有一特 制密封圈 所谓防挤圈是指防止O形密封圈受挤的一个圈，故它在安装时应该放在O形密封圈或Y形密封圈的低压一侧。

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防尘圈的作用是紧抱单体液压支柱的活柱，在支柱升降时防止煤粉进入液压缸。 Y形密封圈是单体液压支柱的活柱通过活塞和支柱油缸密封的关键零件，又是支柱在承载时的承压件。同时在支柱回柱时，它又能使支柱的活柱快速回缩而达到回收的目的。

2.7本章小结

本章介绍了单体液压支柱的结构总体方案及工作原理。确定了用于特殊条件下使用的重型外部注液式单体液压支柱支柱。详细的介绍了单体液压支柱的主要零部件，以及各零部件的材料和作用，并对各个零部件进行尺寸的计算与选择。

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第3章 单体液压支柱结构及尺寸的验算

3.1已知设计参数

立柱初撑力：P1=157KN 立柱工作阻力：P=300KN 油缸外径：D0=114mm

油缸内径：D=100mm 活柱外径：D1=95mm

活柱内径：D2=78mm 支柱最大高度：2000mm 支柱最小高度：1240mm 液压行程：760mm

3.2油缸稳定性的验算

验算活塞杆全部伸出并受最大同心纵向载荷的稳定性。

油缸稳定性条件为

J22 Pk>P 即 Pk=1PkPJ10.6MNlJ1J1P（3.1）

式中 Pk ——稳定的极限力；

P——最大工作阻力；

J1——活塞杆断面惯性矩， J41d4164=2.18×106mm； J2——缸体断面惯性矩， JD40D44264=3.38×106mm 。 根据

J2J=1.2 及 l2Pl=0.9查极限计算图得：k16.4 11J1 立柱稳定性的极限力为

2 Pk=PkJ10.6MN=600KN J115

3.2）3.3）3.4） （

（

（

立柱的最大工作阻力P=300KNPk可满足稳定条件上述Pk值仅当活塞杆头部

距离在载荷下发生最大挠度处的距xl时才适用

J12.18106 x=2280=2280=6555mml （3.5）

P300103所以适用。

3.3活塞杆的强度验算

1、在承受同心最大载荷情况下油缸的初挠度1 1式中

12l1l2Gl1l2cos2al2pl1.027mm （3.6）

1——活塞杆与导向套处的最大配合间隙， 1=0.25cm；

a——活塞杆全部外伸时，导向套前端至活塞末端间距， a=151mm； 2——活塞和油缸的最大配合间隙， 2=0.355mm；

l——活塞杆全部外伸时，活塞杆头部销孔至油缸尾部销孔间距

l=l1+l2=1971mm；

G——立柱总重， G=415kg；

——油缸轴线与水平面的交角， =83。 2、油缸的最大挠度

 当 5， l1l2 时

d 1lk1k2l1l2t1t2 （3.7）

式中 k1P0.8×10-3； （3.8） EJ1P0.4×10-3； （3.9） EJ2k2t1tg57.3k1l11.08； （3.10） t2tg57.3k2l20.4； （3.11） E——钢的弹性模量， E=2.1×105Mpa。

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3、 活塞杆的合成应力

合ppdplx 89.6MPa （3.12）

AWW式中 A——活塞杆的断面积， AD21D222308.7mm2； （3.13）

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W——活塞杆的断面模数， W332D1D3237564.5 mm2。

ns4.02n 安全 合（3.15）

活塞杆材料为45#钢， s=360 Mpa； n —— 一般最小取1.4。 3.4缸体强度验算

油缸壁厚验算

D10022.54.43.2 时，按中等壁厚缸体公式计算 s PDs2.3Pc 

式中 P——油缸内工作压力， P=38.2 Mpa；

c——计入管壁公差及侵蚀的附加厚度，一般取 c=2mm；

——强度系数，当无缝钢管时， =1；

——缸壁厚，取22.5 mm；

b ——缸体材料，27SiMn无缝钢管b=980 Mpa；

n——许用安全系数，一般在3.5～5范围内选取。

把上列公式化为： p(Dsc)2.3(38.2(1022.50.2)97.6MPa sc)2.3(22.50.2)17

3.14）

3.16）

3.17）

3.18）

（

（ （ （ nb10.04[n]nb10.04[n] （3.19） [][] 所以可以安全使用。

3.5制定活塞的工艺路线

制定工艺路线的出发点，应当是使零件的加工精度（尺寸精度、形状精度、位置精度）和表面质量等技术要求能得到合理的保证。在生产纲领已经确定为中批量生产的条件下，可以考虑采用通用机床配以专用夹具并尽量使工序集中来提高生产率。除此以外，还应当考虑经济效果，以便使生产成本尽量下降。 1、工序的合理组合

确定加工方法以后，就按生产类型、零件的结构特点、技术要求和机床设备等具体生产条件确定工艺过程的工序数。确定工序数的基本原则： （1）工序分散原则

工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。 （2）工序集中原则

工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。

一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。

加工工序完成以后，将工件清洗干净。清洗是在80—90°C的含0.4%—1.1%苏打及0.25%—0.5%亚硝酸钠溶液中进行的。清洗后用压缩空气吹干净。保证零件内部杂质、铁屑、毛刺、砂粒等的残留量不大于200mg。 2、工序的集中与分散

制订工艺路线时，应考虑工序的数目，采用工序集中或工序分散是其两个不同的

原则。所谓工序集中，就是以较少的工序完成零件的加工，反之为工序分散。 （1）工序集中的特点

工序数目少，工件装，夹次数少，缩短了工艺路线，相应减少了操作工人数和生产面积，也简化了生产管理，在一次装夹中同时加工数个表面易于保证这些表面间的

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相互位置精度。使用设备少，大量生产可采用高效率的专用机床，以提高生产率。但采用复杂的专用设备和工艺装备，使成本增高，调整维修费事，生产准备工作量大。 （2）工序分散的特点

工序内容简单，有利选择最合理的切削用量。便于采用通用设备。简单的机床工艺装备。生产准备工作量少，产品更换容易。对工人的技术要求水平不高。但需要设备和工人数量多，生产面积大，工艺路线长，生产管理复杂。

工序集中与工序分散各有特点，必须根据生产类型。加工要求和工厂的具体情况进行综合分析决定采用那一种原则。

一般情况下，单件小批生产中，为简化生产管理，多将工序适当集中。但由于不采用专用设备，工序集中程序受到限制。结构简单的专用机床和工夹具组织流水线生产。

由于近代计算机控制机床及加工中心的出现，使得工序集中的优点更为突出，即使在单件小批生产中仍可将工序集中而不致花费过多的生产准备工作量，从而可取的良好的经济效果。 3、加工阶段的划分

零件的加工质量要求较高时，常把整个加工过程划分为几个阶段： （1）粗加工阶段

粗加工的目的是切去绝大部分多雨的金属，为以后的精加工创造较好的条件，并为半精加工，精加工提供定位基准，粗加工时能及早发现毛坯的缺陷，予以报废或修补，以免浪费工时。

粗加工可采用功率大，刚性好，精度低的机床，选用大的切前用量，以提高生产率、粗加工时，切削力大，切削热量多，所需夹紧力大，使得工件产生的内应力和变形大，所以加工精度低，粗糙度值大。一般粗加工的公差等级为IT11~IT12。粗糙度为Ra80~100μm。 （2）半精加工阶段

半精加工阶段是完成一些次要面的加工并为主要表面的精加工做好准备，保证合适的加工余量。半精加工的公差等级为IT9~IT10。表面粗糙度为Ra10~1.25μm。 （3）精加工阶段

精加工阶段切除剩余的少量加工余量,主要目的是保证零件的形状位置几精度,尺寸精度及表面粗糙度,使各主要表面达到图纸要求.另外精加工工序安排在最后,可防止或减少工件精加工表面损伤。

精加工应采用高精度的机床小的切前用量，工序变形小，有利于提高加工精度．精

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加工的加工精度一般为IT6~IT7，表面粗糙度为 Ra10~1.25μm。 （4）光整加工阶段

对某些要求特别高的需进行光整加工，主要用于改善表面质量，对尺度精度改善很少。一般不能纠正各表面相互位置误差，其精度等级一般为IT5~IT6,表面粗糙度为Ra1.25~0.32μm。

此外，加工阶段划分后，还便于合理的安排热处理工序。由于热处理性质的不同，有的需安排于粗加工之前，有的需插入粗精加工之间。

但须指出加工阶段的划分并不是绝对的。在实际生活中，对于刚性好，精度要求不高或批量小的工件，以及运输装夹费事的重型零件往往不严格划分阶段，在满足加工质量要求的前提下，通常只分为粗、精加工两个阶段，甚至不把粗精加工分开。必须明确划分阶段是指整个加工过程而言的，不能以某一表面的加工或某一工序的性质区分。例如工序的定位精基准面，在粗加工阶段就要加工的很准确，而在精加工阶段可以安排钻小空之类的粗加工。

按照加工原则。该零件加工可按下图工艺路线进行。

表3.1 加工工序的方案

工序号 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 工序名称 煅造 清砂 车61mm端面 粗精车φ99.4外圆 粗精车φ82外圆 粗精车φ80外圆 粗精车φ94.8外圆 粗精车φ80槽 粗精车φ78.5槽 粗精车φ75槽 清理孔，去毛刺，打号 清洗 工序内容 毛坯铸成形 清除浇注系统，冒口，型砂，飞边，飞刺等 以基准面为基准进行车端面 以端面定位，车外圆 以侧面定位装夹，车外圆面 以侧面定位，按线找正，装夹工件，车外圆 以分割面为装夹基面，按线找正，装夹工件，粗精车外圆 以端面及外圆面为基准车槽 以端面为基准车槽 以外圆面为基准车槽 工艺装备 卧式车床 卧式车床 卧式车床 卧式车床 卧式车床 卧式车床 卧式车床 卧式车床 20

130 检验、入库 3.6本章小结

本章主要是进行支柱部分结构的尺寸验算。油缸稳定性的验算，活塞杆和缸体的强度验算。这些验算确定了各零件的安全尺寸，以便使支柱安全的使用。

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第4章 单体液压支柱的使用与维护

4.1支柱的拆装和试验

4.1.1三用阀的组装 1、组装前的装备

（1）合格的三用阀零件在组装前必须用压力油冲洗干净，任何有毛刺、铁屑或生锈的零件均不得组装。

（2）装好全部O形密封圈。 （3）六角导向套的组装

把安全阀垫装入六角导向套中，要装到底，并检查安全阀垫工作面是否平整。在阀座和六角导向套接触时，阀垫压缩量应控制在0.15～0.25mm。 （4）注油阀体的组装

将单向阀座连同限位套一起装入注油阀体中，并装入8钢球，再用一字型螺丝刀拧紧螺套（拧紧程度要适当，以防单向阀座变形），并把卸载阀垫装入注油阀体。 2、组装

将阀针装入阀座中，阀针端面不应露出阀座端面，并检查运动是否灵活，再转入阀套内，然后将连接螺杆拧入阀套并拧紧。用镊子将六角导向套装入阀套内，检查六角导向套轴向运动是否灵活，应无卡阻，然后装入8钢球、弹簧座、安全阀弹簧，用调压工具拧紧调压螺丝。

安全阀部分装好以后，将阀套装入装配套筒中。单向阀锥型弹簧装在连接螺杆上，套上左阀筒并与装配套筒拧紧，用套筒扳手将注油阀体拧入螺杆。然后拧下装配套筒，换上右阀筒。三用阀组装完毕之后，需根据《矿用单体液压支柱》（MT112—93）中的有关规定对其进行调压和试验。安全阀的开启压力调定是用调压工具调整调压螺丝的进退来实现的。

调好安全阀应涂上M10乳化剂封存。 4.1.2支柱组装 1、组装前的准备

（1）用压力油洗净活柱、油缸、活塞、底座、手把体等零件，不允许零件上有铁屑和污物。

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（2）在手把体的内表面、顶盖与柱头配合面、底座与液压缸配合面及活塞与活柱配合面涂防锈油。

（3）在活塞、底座上装入O型密封圈和防挤圈，注意防挤圈的位置应紧靠O型密封圈的低压侧。

（4）把Y形密封圈、防挤圈和导向环安装在活塞上，注意活塞导向环外径应大于活塞的最大外径。 2、活柱体的组装顺序

（1）将防尘圈和活塞导向环按次序（注意方向）装在手把体上。

（2）将手把体套入活柱体。在限位钢丝圈槽中先装上一个O形密封圈（作为装配工具），这样手把体上的防尘圈就能顺利通过，然后取下O形密封圈，将限位钢丝圈涂油装在活柱上，并测量限位钢丝圈的外径（应比油缸的外径小0.5mm以上）。 （3）将活塞装入活柱。 （4）把复位弹簧挂在活柱体中。 3、支柱整体组装

（1）将装好的活柱体装入油缸，并将手把体装好，穿上连接钢丝。

（2）将顶盖装入活柱体，用弹性圆柱销连接好，所有弹性圆柱销均不允许露出，其开口应垂直于支柱的轴向方向。注意使顶盖方体轴线与柱头阀孔轴线平行。 （3）将复位弹簧挂在底座弹簧环上，并将底座装入油缸，穿好底座连接钢丝。 （4）装上三用阀，并使三用阀卸载孔轴线垂直于支柱轴线。 4、组装注意事项

（1）除油缸、底座等裸露表面电镀外，所有连接配合部分及活柱外圆均应涂防锈油。

（2）装配底座时应将防挤圈切口背向穿钢丝槽口，在打入底座时应注意避免穿钢丝槽口碰坏防挤圈。

（3）所有连接钢丝均打入槽口，不允许外露，并将手把体和底座的连接钢丝口用火漆或油漆腻子封死。

（4）支柱组装时，不允许用铁锤敲打油缸、活塞、活柱等零件。 （5）组装完毕的支柱在运输过程中不允许随意摔砸。 4.1.3支柱的拆卸

支柱的拆卸可按装配相反的工序进行，但应注意； 1、底座的拆卸应用活柱顶出。

2、先将活柱体抽出到最大高度，再拆卸手把体，以免活塞刮坏油缸。

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3、拆卸活塞时应使用卸活塞工具，用撞块冲击数次剪断O形密封圈可取出活塞。 4.1.4试验

支柱及三用阀组装完毕后，应按照《矿用单体液压支柱》（MT112—93）中的有关规定进行试验，合格后方可下井。

4.2使用注意事项

1、首先,应根据工作面采高，选择合适的支柱规格；根据工作面顶板压力大小，确定合理的支护密度。

2、支柱必须达到出厂试验要求或维修质量标准，方可下井使用.到矿的新支柱，也必须经过检查复试合格,才能下井使用。

3、检查乳化液泵机械电气部分是否正常,油箱乳化液是否够用，浓度是够合适。启动乳化液泵，待泵各部运转正常，供液压力达到泵站额定工作压力时方可向工作面供液。

4、将支柱移至预定支设地点后，先用注液枪冲洗注油阀体，然后将注液枪插入三用阀中并用锁紧套连接好。

5、支柱第一次使用前，应先升、降柱一次（最大行程），以排净缸体内空气，之后才能正常使用。

6、支设支柱时，应注意下列四点：

（1）支柱应垂直于顶、底板，支设在金属铰接顶梁下面，并有一定的迎山角，使支柱处于垂直受力状态且不易推倒。

（2）三用阀的单向阀应朝采空区方向或下顺槽，以利安全回柱。

（3）支柱与工作面运输机械应有适当的距离，避免采煤机撞倒支柱或撞坏油缸、手把体和三用阀。

（4）支柱顶盖的四爪应卡在顶梁花边槽上，不允许将四爪顶在顶梁上或顶梁接头处。支柱配合木顶梁使用或做点柱用时，应更换顶盖（换成不带爪子的柱帽）。 7、操纵注液枪向支柱内腔供液，并使支柱顶盖与金属顶梁接触，待支柱达到初撑力后，松开注液枪手把。注液枪卸载。摘下锁紧套后，轻轻敲打注液枪手把，在高压液体的作用下，注液枪便会自动推出。

8、使用中的支柱，活柱升高量已接近最小安全回柱高度时，应及时回撤，以免压死。

9、绝对禁止用锤、镐等金属物体猛力敲砸支柱任何部位，以免损坏支柱。若支柱被压成“死柱”，只能采取挑顶或卧底的方法取出，不允许爆破、锤砸或绞车拉拽。 10、支护过程中，不准以支柱手把体作为推移装置的支点，以免损坏支柱。

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11、回柱时应严格遵守有关回柱安全操作规程，确保安全生产。

将卸载手把插入三用阀卸载孔中。顶板状况较好时采取近距离卸载，工作人员转动卸载手把使卸载手把呈水平位置。此时卸载阀打开，活柱下缩到可以撤出为止。

顶板条件较差时应采用远距离卸载，即工作人员离开支柱至安全位置，拉动卸载手把上的牵引绳使卸载手把呈水平位置，卸载阀打开，活柱下缩到可以撤出为止。 12、回撤下来的支柱，应顶盖朝上竖直靠放，不准随意横放，以免水和煤粉进入支柱内腔和腐蚀表面。井下不允许存在无三用阀的支柱。若三用阀损坏，应及时更换三用阀。

13、因工作面粉尘大，故除了替换顶盖、三用阀外，其他零部件不允许在工作面拆装。

14、支柱在运输过程中应轻装轻卸，不准随意摔砸。需要使用工作面运输机时，应先在运输机上装满煤，然后将支柱放在煤层上。机头尾应有专人护送，以免损坏支柱。

15、注液枪使用后，应挂在支柱上，不允许随意乱仍，更不允许用注液枪敲打硬物。

16、高压胶管应避免被采煤机压坏或损坏。

17、短期不用的支柱，应将柱内液体放尽，封堵三用阀进液孔，以防赃物进入。

4.3支柱的故障与维修

工作面支柱应有专人负责操作和维修检查，支柱操作和维修人员应熟悉支柱结构及操作方法，做到发现故障时能及时处理。 4.3.1常见支柱故障及排除方法

支柱的常见故障及排除方法详见表4.1。

表4.1 单体液压支柱的故障及排除方法

序号 1 故障 故障原因 消除方法 1、泵站无压力或压力1、检查泵站； 低； 2、打开截止阀； 3、清理注液嘴； 封圈； 5、检查注液枪； 6、清洗过滤网。 支设设活2、减压阀关闭； 体伸出 4、密封失效； 5、注液枪失灵； 6、管路滤网喷塞。 柱不从缸3、注液嘴被赃物堵塞； 4、检查Y形圈及O形密25

2 1、复位弹簧掉了； 1、重挂复位弹簧； 2、更换复位弹簧； 3、更换油缸； 4、更换活柱； 5、更换防尘圈 2、更换密封件 活柱降柱2、复位弹簧损坏； 速度慢或3、油缸有局部凹陷； 不降柱 4、活柱表面损坏； 5、防尘圈损坏 3 4 5 工作阻力1、安全开启开关或关闭1、检查安全阀； 低 高 压力低； 2、密封件失效 1、安全阀开启压力高； 1、重新调定安全阀； 隙 2、更换阀垫 3、更换底座 2、更换活柱体 工作阻力2、安全阀垫挤入溢流间 1、活塞上Ф100x3.1O形1、更换O形圈； 乳化液从圈损坏； 而生锈； 3、底座密封面破坏 底座溢出 2、油缸变形或镀层损坏2、更换油缸； 6 7 8 9 乳化液从1、Ф42x3.5O形圈损坏； 1、更换O形圈； 柱头Ф422、柱头密封面损坏 孔溢出 乳化液从1、单向阀、卸载阀损坏； 1、更换三用阀； 单向阀或2、单向阀、卸载阀密封2、清洗单向阀、卸载阀 卸载溢出 面污染 顶盖损坏 使用不当 1、操作不当； 换顶盖、改进操作方法 2、突然来压时安全阀来1、改进操作方法； 3、更换液压缸 液压缸弯不及打开支柱大大超2、应适当增加支护密度； 曲或砸扁 载； 3、支柱压成“死柱”时用绞车拉液压缸； 4、用锤砸扁 10 用绞车回柱时支柱未卸1、改进操作方法； 所致 手把断裂 载或降柱行程不够硬拉2、更换手把 26

11 12 13 14 活柱弯曲 突然来压时安全阀来不 适当增加支护密度 及打开 1 、密封圈损坏； 注液枪漏2、单向阀座污染； 液 3、单向阀弹簧损坏 枪管和阀1、注液管松动； 体间隙窜2、密封圈损坏； 液 注液枪顶1、密封圈损坏； 杆处窜液 2、顶杆密封面损坏 1、更换漏液部密封圈； 2、清洗或更换单向阀座； 3、更换弹簧 1、涂厌氧胶拧紧注液枪管； 2、更换密封圈 1、更换密封圈； 2、 更换顶杆 4.3.2维修注意事项

1、维修场地应清洁。零部件需经汽油清洗干净后再装配，严格防止赃物进入支柱内腔。因为赃物是破坏密封、造成渗漏的主要因素。

2、每根支柱都应建立维修卡片备查。每次检修时，均应详细记录故障情况、损坏零部件及检修工时等项目内容，以便统计支柱修复率、维修成本和维修质量，并有利于不断总结提高维修水平。

3、支柱维修后应当按试验要求和维修质量标准进行各项试验，各部合格后方可下井使用。

4、支柱维修好后，应将活柱降到底，放净乳化液，竖直靠放，存放于空气较清洁干燥的气温不低于0℃的场所。支柱除日常维修外，应定期进行检查保养。大修周期：支柱2年，三用阀1年，注液枪1年，截止阀3个月，过滤器3个月。大修基本内容： （1）清洗所有零部件；

（2）原则上应更换安全阀垫、单向阀座、卸载阀垫、Y形密封圈、防尘圈、导向环、皮碗防挤圈及所有O形密封圈；但如果其中某些零件在大修前不久刚更换过，则应通过检查，根据其完好程度，确定是否更换； （3）更换所有磨损和损坏的零件。 （4）重新组装，进行规定的各项试验。

4.4本章小结

本章主要详细的介绍了支柱的使用与维护。其中包括支柱整体和一部分的组装和拆卸，支柱使用过程中的注意事项以及支柱的故障与维修。本章的详细说明可使支柱最大限度增加其使用寿命和安全性，从而间接增加了适用性与经济性。

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经济分析

本设计采用防倒顶盖作为单体液压支柱的顶盖，使其更适用于大倾角的开采煤层中。它是利用现有的单体液压支柱进行的局部改造，因此，投资少，见效快。其不仅能达到通用顶盖的各项功能，更能适应急倾斜煤层的使用，同时，还保证了工作人员的安全问题。

防倒式顶盖的另一优点是节省人力资源，通过它特有的楔卡装置，使用安全、简洁、方便。其独特的拆装方式，可以减少一半的井下支护人员。

本次设计还采用了Pro/Engineer画图软件，大大改善了使用者对该产品的感观认识，省去了人们看实物的麻烦，它可以把产品的三维实体造型图形象的展现在人们面前。使用者不用通过看产品就能对产品有更进一步的了解与认识。

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结 论

单体液压支柱是矿山机械中不可缺少的部分，它在支护作业中起着致关重要的作用。

当今采矿工业中，安全问题不可忽视。而保证安全性环境的关键所在就是单体液压支柱的支护作用，尤其是在大倾角煤层中。因此，本次设计就是针对大倾角煤层而进行的。主要的改进部位是顶盖部分，防倒式顶盖通过楔卡以及其独特的安装与使用形式，解决了在冒顶事故发生时出现的一些问题。

计算机制图的改进也是本次设计的重要问题之一，使用Pro/Engineer软件制图，其优点很多，比传统的AutoCAD制图的立体感强，且它独特的参数化更方便设计者进行绘制与修改。

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致 谢

经过近四个月的毕业设计，使我对所学专业课有了更深刻的认识，让我接触、学习了从未涉及的领域。认识到了机械自动化技术对于社会发展起着举足轻重的作用。我也从中找到自己感兴趣的方面，激发了自己的学习热情。在本设计中我通过网络、图书馆等渠道翻阅了不少有关设计方面的资料，学到了很多以前没有学到的东西，同时也感觉到我们所学的知识对于以后的工作来说远远不够用。还不能完全独立完成某一项目，其间我受益最大的是我有了自己一套分析和解决问题的能力。

能够顺利完成这次设计，离不开老师等几位机电教研室老师们的辛勤指导，为了我弄懂每一个设计环节，老师不厌其烦的给我们讲解与指导，直到我彻底消化为止。从她身上我学到的不仅仅是专业知识，而且还有一丝不苟、无私奉献的精神。在此，我向她们表示真诚的谢意。

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