安徽理工大学毕业设计 前 言 毕业论文与毕业设计 毕业论文是在校大学生最后一次知识的全面检验，是对学生基本知识、基本理论 和基本技能掌握与提高程度的一次总测试。大学生在学习期间，已经按照教学计划的规 定，学完了公共课、基础课、专业课以及选修课等，这种考核是单科进行，考查对本门 学科所学知识的记忆程度和理解程度。但毕业论文则不同，它是着重考查学生运用所学 知识对某一问题进行探讨和研究的能力。写好一篇毕业论文，既要系统地掌握和运用专 业知识，还要有较宽的知识面并有一定的逻辑思维能力和写作功底。这就要求学生既要 具备良好的专业相关知识，又要有深厚的基础课和公共课知识。通过毕业论文的写作，使学 生发现了自己的长处和短处，以便在今后的工作中有明确的目的性地克服缺点，也便于学校和毕 业生录用单位全面地了解和考察每一个学生的业务水平和工作态度，便于发现人才。同时 还可以使学校全面考察了解教学质量，总结经验改进工作。 还有设计在某些特定的程度上就是创新，可以是在原有基础上改良，即推陈出新；也 可以是完全的创新，如独辟蹊径；既指新观念、新思维和新思潮，亦指新材料、新技术、 新样式；它既要能满足大家一直在变化的需求，更要能够引领人类的生活方式。作为未来 的设计师，毕业设计的重要任务在于科学而准确地把握主题的内涵，追求卓越独特的设 计创意，同时也要不断地探索新的艺术形式，为设计注入新鲜血液，丰富艺术传达中的 表现手法，从而提升设计作品的表现力和感染力。 毕业设计是对即将步入社会的毕业设计能力的一次全面考核，毕业设计不是 “作 秀”，亦不是 “走过场”，毕业设计的过程必须严格遵照科学性原则。用正确的设计理论 指导设计实践，科学合理的设计方法不仅能有效地协调、组织设计过程的各个阶段和环 节，还能够大大缩短设计周期，提高设计效率。因此，进行毕业设计时，应持以科学 严谨的态度和遵循科学合理的操作规范来进行，不论是实际性课题还是虚拟性课题，都 要做到完整而规范，确保在生产、施工应用等所有的环节的操作性和可靠性。 1 安徽理工大学毕业设计 基于Solidworks 液压支架双伸缩式立柱 结构设计与仿线、立柱是液压支架支撑和承载的主要部件，也是液压缸的一种。2、结合煤 矿地下的使用工况，液压支架的工作特点，以及其他伸缩立柱装置的优缺点的同时，认 为双伸缩式立柱具有工作较平稳、工作所承受的压力大、性能可靠等优点。3、根据要求，对双 伸缩式立柱进行结构设计。这中间还包括立柱工况分析及参数确定、主要零件结构设计与计 算。在此基础上利用三维软件Solidworks对其进行零件建模、装配、运动仿真。 关键词：液压支架；双伸缩式立柱；结构设计；仿真 Structure Design and Simulation of Double Telescopre legs of hydraulic powered Supports Based on Solidworks Sheng Lei Xu Abstract: 1, hydraulic powered support column is the main support and bearing components, is also a hydraulic cylinder. 2, with the use of coal underground working conditions, hydraulic support the work of features, columns and other telescopic devices at the same time the advantages and disadvantages of that double-telescopic column with a stable work, work pressure and reliable performance advantages. 3, on request, the double-telescopic column for structural design. Including the status of the column and parameters, the main parts of the design and calculation. On the basis of this 2 安徽理工大学毕业设计 use of three-dimensional software Solidworks their parts modeling, assembly, movement simulation. Keywords:Hydraulic powered support; double telescopic column; structural design, simulation 3 安徽理工大学毕业设计 第1章 绪 论 1 液压支架简述 20 世纪50 年代前在国内外煤矿生产中基本上采用木支架，木顶梁或金属摩擦支柱 和铰接顶梁来支护顶板。1954 年英国首先研制出液压支架，通过对液压支架的逐步完善 改进，进而普遍推广使用使采煤工作面采煤过程中的落煤,装煤，运煤和支护等工序全部 实现了机械化。到20 世纪90 年代初，寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用 了放顶煤技术。随着计算机技术和自动化技术的普及应用与提高为煤矿生产自动化和提 高生产提供了新的出路。 支架上使用的液压缸也发展延伸了许多种类型，轻载，重载。单缸单作用，单缸 双作用，多缸单作用，多缸双作用。这里主要设计双作用伸缩液压缸。 优点：调高范围大，属液压无极调高，操作便捷灵活，但结构较为复杂，加工要求高，成本 高。本型立柱大多数都用在薄煤层和大采高支架上。缺点：由于本型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。 2 液压支架立柱特点 液压支架上的立柱其实就是推力液压缸的一种，其特点如下： ①：立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，他直接影响支架的工作性能。因此， 立柱除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度， 密封性好，结构相对比较简单并能适合支架的工作需要。 ②立柱一般由活塞，活塞杆，缸体三部分所组成。由于支架工作时，立柱承载大， 而降柱力较小，故活塞杆直径均较大，常采用空心结构，以保证足够的刚度活塞一般用 Y 型密封圈，铜环导向，缸体底部焊接。缸体与缸盖之间用钢丝，螺纹或卡环连接。为 了防止外部煤层等脏物进入缸体，在导向套上要装防尘圈。对于单伸缩立柱，为了扩大 支架的支护高度范围，可采用机械加长杆，如图 1.1 图1.1 带有机械加长杆的双作用伸缩式立柱 1—缸头，2—油口，3—前端盖，4—缸体，5—活塞，6—活塞杆，7—后端盖 4 安徽理工大学毕业设计 图1.2 双伸缩式立柱 1—后端盖，2，3，4 ，5，6，7—卡箍，内卡键，鼓型密封圈，导向环，8—下活 柱，9 活塞，10—缸筒，11，12，13，14—导向环，导向衬套，蕾型密封圈，防尘圈， 15 柱头，16 底阀 ③立柱的头部结构均为球形，与顶梁或底座之间的连接采用销轴或压块固定，以 使立柱在工作时由一定的适应性。 ④立柱的供液方式由内供液和外供液两种方式。除双伸缩立柱采用内供液方式外， 单伸缩立柱多为外供液，这种方式结构简单加工维修方便。 双伸缩式立柱工作原理图： 图1.3 双伸缩立柱原理图： A ，B ，C ：液口 1 一级缸体，2 一级活塞，3 底阀，4 二级活塞，5 活塞杆 5 安徽理工大学毕业设计 3 双伸缩式立柱结构及工作原理 如图1.3 所示，升柱时高压液体从液口A 进入立柱，液口B 和C 连通回液管路， 升柱过程分为两个阶段，首先下活柱伸出只有下活柱完全伸出后，柱内单向阀才能开启 使上活柱伸出，降柱时，高压液体从 B 和C 同时进入，液口A 连通回液管路。降柱过 程也分为两步完成。第一步是下活柱缩回缸体内此时上活柱由于柱内单向阀处于闭锁状 态，所以不会下缩，当下活柱完全缩回后，单向阀阀芯顶杆与缸体凸台相碰而使单向阀 开启，上活柱下腔可以回液，故上活柱缩回。 承载时，顶板对上活柱的作用力将由上活柱下腔被闭锁的液体承受并传递给下活 柱，这时上下活柱所承受的压力是相等的。所以这种立柱也称等负载双伸缩立柱。当下 活柱内的液体达到安全阀的调定压力时，安全阀开启，下活柱缩回，当下活柱完全缩入 缸体中，只有上活柱承载时，顶板的作用力使上活柱缩回。 4 双伸缩式立柱运行及负载特点： 这种立柱由于下活柱先伸先缩，上活柱后伸后缩。在煤层变化不大时，上活柱的 伸出长度是不变的。因此上活柱相当于立柱的液压加长杆。由于上活柱的长度可以自由 调节，比单伸缩立柱调节机械加长杆方便的多 ，所以目前应用的越来越多，它的缺点 是价格较高。 由于等负载双伸缩立柱上，下活柱活塞面积不等，所以在相同的泵站压力下，上活柱伸 出撑紧顶板的初撑力小于下活柱伸出撑紧顶板的初撑力。因此，在煤层厚度变化较大时， 上活柱的伸出长度有时也要变化，造成初撑力太小，不利于板顶维护。 另外，在承载时，由于负载相同，上活柱下腔的压力会大于下活柱下腔的压力，如果压 力太大，会造成下活柱形成的缸体在高压下膨胀变形，影响下活柱的正常升降，甚至导 致导向套和立柱咬死。所以，在煤层厚度变化较大时或冲击地压大的煤层，使用这种等 负载双伸缩立柱要给以注意。 6 安徽理工大学毕业设计 第二章双伸缩立柱结构设计计算 2.1 ，原始数据： 一级缸行程1000mm，二级缸 700mm ， 工作压力：31.5Mpa 工作阻力 P=4000KN 2.2 ，设计要求： 内容：设计说明书，装配图，主要零件图2张。建模，整体装配及运动仿真。 要求：根据原始数据设计进行液压支架双伸缩式立柱的结构设计，进行各零 件的三维建模与立柱的整体装配及运动仿真。 双伸缩式立柱是一种推力液压缸。液压缸是液压系统中的执行元件，是液压系统中 的核心部件，不同类型的液压缸组成零部件也不同，但其大致由缸体、活塞、活塞杆、 缸底、缓冲装置、排气装置、支承座以及导向、密封、防尘装置等组成。根据设计的液 压缸的使用要求不同可选择设计各零部件。 2.3 工况分析并确定液压缸参数 1 支架的承载过程 支架的承载过程是指支架与顶板之间相互 力学作用的过程，包括初撑，承载增阻和恒阻 三个阶段。如图2.1 （一）初撑阶段 在升架过程中，当支架的顶板接触顶梁， 直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作 压力时，停止供液，液控单向阀立即关闭，这 一阶段称为支架的初撑阶段，此时支架对顶板 的支撑力为初撑力 支撑式支架的初撑力为： 图2.1 双伸缩式立柱工作曲线 b 式中 D—支架立柱的缸径，m Pb—泵站的工作压力，MPa n支架立柱的数量。 7 安徽理工大学毕业设计 由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱的缸径和立柱的数 量，合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层，减缓顶板下沉速度，增加其稳定 性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的方法来提高初撑力，以免缸径 过大。 （二）承载增阻阶段 支架初撑结后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板 的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。 （三）恒阻阶段 随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀的 调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下降，液体压力随之降低。当降到安全阀的调定压 力时，安全阀关闭。随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程，又由于安全阀的作用， 支架的支撑力维护在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段，此时，支架对顶板的支撑 力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的，支撑式支架的工作阻力为 式中 Pa—支架安全阀的调定压力，MPa  p  p n  10 3 4 a 其它意义同前。 2.立柱负载分析及确定 工作阻力为 P=4000KN. 立柱（液压缸）负载主要包括：初撑力、摩擦阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压 阻力等。 （1）：初撑力的大小是相对于工作阻力而言，并与顶板的性质有关。较大的初撑力 可以使支架较快iuaid达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定 性。对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑 力，约为工作阻力的80%；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作 阻力的60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载 威胁，应取较高的初撑力。 本设计选支撑掩护式支架，综合考虑取其初撑力为工作阻力的 60%。 所以，初定初撑力 Pc=4000×60%=2400 KN 8 安徽理工大学毕业设计 （2）摩擦阻力： 由于液压缸的摩擦阻力相对于初撑力很小，故可忽略不计。 （3）惯性阻力、重力： 液压缸垂直布置，但其较重的一级缸及缸头安装在支架底座上面，且其工作 时运动量很小，不属于快速往复运动型，故惯性阻力、重力可不以考虑。 （4）密封阻力和背压阻力： 将密封阻力考虑在液压缸的机械效率中去，取液压缸的机械效率为0.9 背压阻力是液压缸回油路上的阻力，初算时可不考虑，其数值在系统确定后 才能定下来。 依据上面分析可得液压缸工作曲线 曲线,分别表示支架的初撑增阻和恒阻阶段的时间。 3.初步确定液压缸参数 表2.1液压缸内径系列： 液压缸 内径系列 8、10、12、16、20、25、32、40、50、63、80、（90）、100、（110） （GB/T2348-1993） 125、（140）、160、（180）、200、（220）、250、（280）、320、（360）、 400、（450）、500 表2.2活塞杆直径系列： 活塞杆直径系列 4、5、6、8、10、12、16、18、20、22、25、28、32、36、40、54、 （GB/T2348-1993） 50、56、63、70、80、90、100、110、125、140、160、180、200、 220、250、280、320、360 表2.3 液压缸外径系列（GB/T2348-1993）： 额定压力 内径 MPa 4050 6380 0 外径 16 5060 7695 245 20 5060 7695 245 25 5060 94219245 32 5463.194219245 9 安徽理工大学毕业设计 （1）二级缸的内径和壁厚 根据受力知道，只要满足二级缸受力，则一级缸定能满足，于是 由：  2 3 p  D p n 10 c 4 b 式中 D —— 支架立柱的缸径，m Pb ——泵站的工作压力，MPa N —— 支架立柱的数量。 Pc —— 撑力 得： D 2  4 P c =4×2400／(3.14×31.5×4×1000)  P b n 10 3 D=155.7mm 根据表2.1缸筒内径系列（GB／T2348-93），选二级缸内径 D =160mm 2 壁厚的计算：   P D / {2.3[  ]  3 P } m a x p m a x 式中  —— 壁厚 ——最高允许压力。 1.5 （ 工作压力） P P  P P m a x m a x n n P  1.5 P =1.5×31.5=47.25 MPa m a x n [ ] ——许用应力。[ ] = ／n（n安全系数） p p p —— 通常取1.5-2.5N ，根据液压缸的重要程度和工作压力等因素 选取，工作压力大n可选取小一些。则取n=2， 缸筒材料  p 的屈服强度 此取45号钢， =700 MPa ，  p [ ] = ／n=700/2=350 MPa p p   P D / {2.3[  ]  3 P } =47.25×160/（2.3×350-3×47.25） m a x p m a x =11.377mm 取20mm 则二级缸外径为160+2×20=200mm 验算：根据液压缸基本计算公式 4 F 4  480 D  2  d 2 =  0 . 12 2 =0.15756m P 10 6 3 . 14  31 .5 10 6 式中 理论推力F F= （效率）=0.5-0.7，取 0.6。 负载率 F     0 0 0 10 安徽理工大学毕业设计 取0.8。 活塞杆上实际受力，按最大受力记，取 1000KN F 0 0.60.8=480KNF=1000   工作压力=31.5MPaP 活塞杆直径 d 符合要求。 （2）一级缸内径和壁厚 留20mm作为二级缸与一级缸内壁距离，则一级缸内径 =200+20×2=240mmD 1 壁厚   P D / {2.3[  ]  3 P } m a x p m a x 47.25×220/（2.3=×350-3×47.25） =15.62mm 圆整 取20mm 依据表2.3，一级缸外径为240+2×20=280mm （3）初步确定活塞杆尺寸 一级活塞即二级缸外壁，不用再确定，二级缸内壁为 160mm，因此根据表 2.2得二级活塞杆外径为120mm,空心杆，内径为80mm 4，结构设计及强度验算 4.1 缸筒的设计与计算 缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、缸底、 油口等零件构成密封的容腔，用以容纳压力油， 同时它是活塞的运动“轨道”。 1.缸筒的技术参数选择（如图3.1） （1）缸体的材料：采用45钢，并应调质到 241～285HB； 图3.1缸筒的技术参数 （2）技术要求： ①缸体采用H9配合。表面粗糙并Ra为0.1～0.4μ m，当活塞用活塞环密封时，Ra 为0.2～0.4μ m；②缸体内径D的圆度、圆锥度、圆柱度公差不大于内径公差之半选取； ②缸体端面T的垂直度公差值可按7级精度选取； ③为避免腐蚀和提高寿命，缸体内应镀以厚度为30～40μ m的铬层，镀后进行珩 磨或抛光 11 安徽理工大

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