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河南理工大學萬方科技學院本科畢業(yè)論文
摘要
本論文所設計的是適用于大傾角煤層使用的單體液壓支柱，主要目的是為了保證工作人員的安全。大傾角煤層下很容易發(fā)生傾倒、下滑現(xiàn)象，有時甚至會發(fā)生冒頂事故。普通的單體液壓支柱不能滿足要求，所以要對其進行改進，本次主要改進的部位是頂蓋部分，由原來的通用式改為現(xiàn)在的防倒式。通過楔卡的安裝，其獨特的“L”型設計，可以卡住頂梁底部的“л”型扁鋼，實現(xiàn)了支柱與頂梁的相互結(jié)合，這樣便在很大程度上緩解了以上可能發(fā)生的事故。其次，本次設計除了采用傳統(tǒng)的繪圖工具AutoCAD實現(xiàn)二維制圖外，還利用Pro/Engineer軟件進行三維實體造型，充分發(fā)揮出了Pro/Engineer的優(yōu)點，使商家與使用者對產(chǎn)品在感觀上有更進一步認識和了解。
關(guān)鍵詞：大傾角； 頂蓋； 防倒式； 楔卡； 三維實體造型。 Abstract
This paper is designed for large inclination coal bed use monomer hydraulic pillars. Main aim is to ensure the safety of staff, the so-called big inclination coal bed means coal bed inclination than 25° east coal bed。Its main improvements are top part, from a ceremony to present a defense down.Wedge cards through the installation and improvement to underground mining work safer，Secondly, this design tool AutoCAD drawings in addition to using the traditional two-dimensional mapping of achievement，Also used Pro/Engineer software 3D entities shape, and give full play to the advantages of a Pro/Engineer，Businesses and users to view the products in a further sense of awareness and understanding.
Key words: Great inclination; defense down; Wedge cards;
3D modelling entities.
目 錄
摘要 1
Abstract 2
第1章 緒論 5
1.1 我國煤層貯存狀況 5
1.2 用途 6
1.3 使用范圍 6
1.4 單體液壓支柱發(fā)展概況 7
1.4.1 國內(nèi)、外單體液壓支柱的發(fā)展趨勢 7
1.4.2 使用單體液壓支柱的突出優(yōu)點 8
第2章 單體液壓支柱的結(jié)構(gòu)和工作原理 10
2.1 分類 10
2.2 技術(shù)特征 10
2.3 單體液壓支柱的工作原理 11
2.4 單體液壓支柱的結(jié)構(gòu) 12
2.5 零部件尺寸的計算與選擇 13
2.5.1 給定參數(shù) 13
2.5.2 油缸與活柱體 13
2.5.3 單體液壓支柱三用閥和復位彈簧 16
2.5.4 單體液壓支柱用鍛件 18
2.6 單體液壓支柱的橡膠件和塑料件 24
第3章 單體液壓支柱結(jié)構(gòu)及尺寸的驗算 26
3.1 已知設計參數(shù) 26
3.2 油缸穩(wěn)定性的驗算 26
3.3 活塞桿的強度驗算 27
3.4 缸體強度驗算 29
第4章 單體液壓支柱的使用與維護 30
4.1 支柱的拆裝和試驗 30
4.1.1 三用閥的組裝 30
4.1.2 支柱組裝 31
4.1.3 支柱的拆卸 32
4.1.4 試驗 33
4.2 使用注意事項 33
4.3 支柱的故障與維修 35
4.3.1 常見支柱故障及排除方法 35
4.3.2 維修注意事項 38
經(jīng)濟分析 40
結(jié)論 41
致謝 42
參考文獻 43
44
第1章 緒論
1.1 我國煤層貯存狀況
我國是煤炭資源最為豐富的國家，煤炭的儲量和產(chǎn)量占世界第一位。煤炭已經(jīng)成為我國所依賴的重要能源。我國的煤炭資源分布地域極廣，煤層貯存狀況也各式各樣，主要有如下幾個特點：
（1）從圍巖和煤層貯存的關(guān)系上來說，我國不僅有貯存在軟巖頂板下的煤層和一般頂板條件下的煤層，還有賦存在堅硬頂板條件下的煤層。堅硬頂板下煤層開采難度相當大，常常有幾千平方米的懸頂出現(xiàn)，一旦垮落即可造成嚴重的事故。
（2）從煤層貯存的地質(zhì)條件來說，由于地質(zhì)條件復雜，由地殼運動而造成的被斷層破壞的煤層較多。在一塊煤田中，總有幾條貫穿整個煤田的、大落差的斷層，至于較小的斷層更是層出不窮。
（3）從煤層自身的貯存條件上來說，在我國境內(nèi)的煤層有近水平煤層，有傾斜煤層，有急傾斜煤層，還有直立倒轉(zhuǎn)的煤層；不僅有相當穩(wěn)定的大片煤層，也有像我國南方的“雞窩”狀貯存煤層。
可以看出，我國是世界上煤層貯存條件最為復雜的國家。在開采的實踐過程中，工程技術(shù)人員所遇到的困難和解決困難的方式是全世界絕無僅有的。近幾年煤礦冒頂事故頻繁發(fā)生，因此，單體液壓支柱在采礦工業(yè)中是非常重要的。它保障著國家財產(chǎn)和人員的生命安全，尤其在大傾角煤層中，更能體現(xiàn)它的重要性。但通用式單體液壓支柱不能滿足要求，所以對其頂蓋進行改進——采用防倒式頂蓋。
1.2 用途
外注式支柱是一種外部供液的恒阻式單體液壓支柱。它可與金屬頂梁配套使用，也可單獨做點柱用，供煤礦一般機械化工作面支護頂板，或供綜合機械化工作面作端頭支護及其他臨時性支護。
1.3 使用范圍
外注式支柱使用于下列煤層條件：
（1）煤層傾角大于25°～35°的急傾斜回采工作面。
（2）煤層頂、底板條件
①工作阻力為300KN的支柱，底板抗壓入強度應為28MP以上。如底板較軟，支柱壓入底板的深度以不惡化頂板的完整性及不影響支柱的回收為限，否則，應采取“穿鞋”或加大底座等措施。
②適用于一人工作時進行支護作業(yè)。
③頂板冒落情況較好，冒落后不影響支柱的回收。
④在分層開采人工假頂工作面或地質(zhì)構(gòu)造較復雜的條件下使用時，應采取安全措施。
⑤在煤質(zhì)較軟的爆破采煤工作面使用時，應對活柱體外表面采取保護措施，以防崩壞。且不能當貼幫柱用。
本支柱不宜使用在下列條件的工作面：
（1）煤質(zhì)較硬的炮采工作面，以及周期來壓特別強烈或有沖擊地壓的工作面。
（2）工作面采高太低，不能保證頂板下沉后支柱安全回收所需的最小高度。
（3）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 單體液壓支柱發(fā)展概況
1.4.1 國內(nèi)、外單體液壓支柱的發(fā)展趨勢
目前，我國煤礦的回采工作面支護裝備，除一部分整體自移式液壓支架外，主要的仍使用六十年代初期發(fā)展的摩擦式金屬支柱，用這種支柱裝備的回采工作面的產(chǎn)煤量約占百分之七十以上。
六十年代初期，回采工作面幾乎全部使用木支架。當時開始了第一次支護技術(shù)改革，即摩擦式金屬支柱配以鉸接頂梁代替木支護，并經(jīng)歷了大約三年時間大量推廣應用。
其最突出的效果之一是大幅度的降低了木材消耗。與此同時，也促使人們認識到礦山支護是一門綜合的技術(shù)，與巖層控制及采掘工序緊密相關(guān)，對加強頂板管理促進安全生產(chǎn)起著舉足輕重的作用。
我國在六十年代已開始了液壓支柱的研究，經(jīng)過一度中斷后，于七十年代初繼續(xù)進行研究試制工作，至七十年代末完成了工業(yè)性試驗，進行了技術(shù)鑒定，現(xiàn)已經(jīng)投入成批生產(chǎn)，并正在有計劃的逐步進行回采支護的更新?lián)Q代工作。近幾年國內(nèi)的大量實踐證明，使用單體液壓支柱有著良好的技術(shù)經(jīng)濟效果，適合國情，適應煤礦的具體情況，是進行回采支護第二次技術(shù)改革的一個方向。
但是在大傾角煤層的支護作業(yè)中，使用通用式頂蓋還是具有一定的缺陷。因此，本次設計主要針對這一問題進行解決與改進。
國外主要產(chǎn)煤國家中，單體液壓支柱曾經(jīng)在回采工作面廣泛采用，最早研制、使用的國家（如英國）在四十年代后期就已有產(chǎn)品問世。其后，聯(lián)邦德國、日本、波蘭、蘇聯(lián)等國家在五十年代相繼采用，如聯(lián)邦德國薩爾礦區(qū)大體經(jīng)歷十年左右的時間在條件適應的工作面基本上全部使用。從1956年到1963年，使用單體液壓支柱的產(chǎn)量達84.8%，五年左右時間內(nèi)使用量增長了7～8倍。國外單體液壓支柱的使用情況表明，在六十年代初期技術(shù)即達到成熟階段。
1.4.2 使用單體液壓支柱的突出優(yōu)點
1、初撐力高
一般地，初撐力可以達到7～10t，為摩擦式金屬支柱的3～10倍（摩擦式金屬支柱用液壓升柱裝置時初撐力2～3t，不用液壓升柱裝置時初撐力僅1t左右）。
2、恒阻的性能
在較小的頂板下沉量情況下，支柱即可達到額定的工作阻力，并保持恒阻的特點（摩擦式金屬支柱在頂板下沉量大，支柱下縮到100mm至400mm以上時才能達到最大工作阻力）。顯然，單體液壓支柱能很快達到較高的工作阻力，大大改善了頂板維護狀況。
3、支柱承載力均勻
初撐力大與恒阻的特點，使各支柱能較均勻的承受載荷，這是優(yōu)于摩擦式金屬支柱的重要特點，對保持中等穩(wěn)定以下工作面頂板的完整是十分有利的。
4、支、撤速度快
單體液壓支柱的升柱與降柱，靠液壓系統(tǒng)來完成。內(nèi)注式支柱只須扳動手柄、外注式支柱用注液槍從外部注液、扳動卸載閥排液等輕微操作即可完成回撤與支設作業(yè)，其速度一般比摩擦式支柱提高一倍左右。
5、促進安全生產(chǎn)、降低輔助材料消耗
由于初撐力高與頂板接觸嚴實，回撤與支設速度快，控制頂板效果好，提高了工作面推進速度，冒頂事故明顯減少，促進了安全生產(chǎn)，相應地降低了木材消耗。
第2章 單體液壓支柱的結(jié)構(gòu)和工作原理
2.1 分類
1、按用途分類
（1）通用型支柱。用于一般條件下使用。
（2）重型支柱。用于特殊條件下使用。
2、 按升柱時工作液循環(huán)方式分類
（1）內(nèi)部注液式單體液壓支柱（簡稱內(nèi)注式）。 工作液壓油在機體內(nèi)形成閉路循環(huán)。
（2）外部注液式單體液壓支柱（簡稱外注式）。從泵站供給乳化液，通過注液槍注入支柱。
3、 按材質(zhì)分類
（1）熱軋低碳合金鋼單體液壓支柱。
（2）冷拔低碳合金鋼單體液壓支柱。
（3）輕金屬合金鋼單體液壓支柱。
我國批量生產(chǎn)、使用的是熱軋低碳合金鋼支柱。
2.2 技術(shù)特征
支柱型號組成和排列方式如下：
類型及特征代號用漢語拼音大寫字母表示：D表示單體液壓支柱，第一特征代號中N表示內(nèi)注式支柱；W表示外注式支柱。第二特征代號中S代表雙伸縮，無字母代表單伸縮，Q代表輕合金。主參數(shù)用阿拉伯數(shù)字表示；補充特征代號一般不用。修改序號用加括號的大寫拼音字母（A）、（B）、（C）……表示，用來區(qū)分類型、主參數(shù)、特征代號均相同的不同產(chǎn)品。
2.3 單體液壓支柱的工作原理
1、工作介質(zhì)
外注式單體液壓支柱工作介質(zhì)為乳化液，回柱時乳化液排至工作面采空區(qū)。
2、動力來源
外注式的工作介質(zhì)是由設在巷道中的泵站經(jīng)高壓軟管、注液槍等組成的管路系統(tǒng)供給，并由泵站保證支柱一定的初撐力。
3、降柱方式
一般靠活柱的自重和復位彈簧降柱。
2.4 單體液壓支柱的結(jié)構(gòu)
DZ型單體液壓支柱為外部注液的單體液壓支柱。
單體液壓支柱有活柱體、油缸、三用閥、頂蓋、底座體、復位彈簧、手把體、活塞等主要零部件組成。如圖2—1所示：
圖2—1 外注式單體液壓支柱裝配圖
2.5 零部件尺寸的計算與選擇
2.5.1 給定參數(shù)
直徑Φ100mm； 工作阻力300KN； 最大高度2000mm。
2.5.2 油缸與活柱體
1、油缸
油缸是支柱下部承載桿件。
如圖2—2所示：
圖2—3油缸
（1）主要技術(shù)要求
有足夠的強度，能長期承受最高工作壓力以及短期動態(tài)試驗壓力而不會產(chǎn)生永久變形。
有足夠的剛度，能承受活柱側(cè)向力，而不至于產(chǎn)生彎曲。
內(nèi)表面在活塞密封件及導向環(huán)的摩擦力作用下，能長期工作，且磨損少，幾何精度高，確?；钊芊?。
（2）材料
缸筒材料一般要求有足夠的強度和沖擊韌性，根據(jù)油缸的參數(shù)、用途和毛坯，可選用的材料是27SiMn。
（3）缸筒的計算
①立柱的工作阻力，缸內(nèi)壓力，缸筒內(nèi)徑之間的關(guān)系為
P=D22p
式中 p——缸筒內(nèi)壓力，N/mm2；
D2——缸筒內(nèi)徑，mm；
P——立柱工作阻力，KN。
Kb= 則 p=
式中 pR——乳化液泵的工作壓力；
Kb——一般在0.52～0.78之間。
Kb===0.52
初撐力= Kb×工作阻力=0.523×300=157KN
②預算缸徑尺寸和缸壁厚度
缸筒內(nèi)壓力為
p===38.2MPa
式中 P——立柱工作阻力300KN；
D2——缸筒內(nèi)徑100mm。
缸筒材料為27SiMn無縫鋼管，s=833.85 MPa
[]===555.9 MPa
缸壁厚度為
=
=
=3.1mm
考慮到缸口要車槽口和臺階，所以選用缸壁厚度為7mm。
（4）缸筒的加工要求
①缸筒內(nèi)徑采用H8、H9配合；
②缸筒內(nèi)徑D的圓度公差值可按9、10、11級精度選取，圓柱度公差值可按8級選??；
③缸筒端面T的垂直度公差值可按7級精度選取。
2、活柱體尺寸的確定
活柱體是支柱上部承載桿件。根據(jù)油缸的外徑可以確定出活柱的內(nèi)外徑分別為78 mm和95 mm。
在外注式單體液壓支柱的活柱外側(cè)還裝有限位裝置，其是限制活柱升高，保證油缸與活柱具有一定重合長度，防止活柱拔出和損壞的裝置。限位裝置有限位套、限位環(huán)、鋼絲擋圈和限位臺階等多種形式。缸徑為100mm的DZ型支柱采用活柱上限位臺階限位。
支柱升高，活柱上限位裝置與手把體接觸后，如果繼續(xù)供液，活柱也不再升高。因此，限位裝置必須具有一定強度，使其承受初撐力時，不至于損壞。
限位臺階高度尺寸計算過程如下
H=mm=mm=151mm
式中 L——立柱最大工作行程，mm；
D2——缸筒內(nèi)徑，mm。
圖2—4 活柱體
2.5.3 單體液壓支柱三用閥和復位彈簧
1、外注式單體液壓支柱三用閥的選擇
三用閥顧名思義，即有三種用處的閥。它是外注式單體液壓支柱的心臟，支柱靠它的單向閥完成開柱和支撐；靠它的卸載閥完成支柱的回收；靠它的安全閥在支柱過載時使支柱緩慢下縮，保護支柱不致受損。外注式支柱將三個閥組裝在一起，便于更換和維修。
三用閥利用左右閥筒上的螺紋裝在支柱柱頭上，并用閥筒上的O形密封圈與柱頭密封。
圖2—5 三用閥
1—左閥筒；2—注油閥體；3—限位套；4—單向閥閥座；5—壓緊螺套；6—鋼球Φ8；7—錐形彈簧；8—卸載閥墊；9—卸載閥彈簧；10—連接螺桿；11—閥套；12—閥座；13—O形圈Φ13×1.9；14—O形圈Φ28×3.5；15—安全閥針；16—安全閥墊；17—六角導向套；18—O形圈Φ42×3.5；19—彈簧座；20—安全閥彈簧；21—調(diào)壓螺絲；22—右閥筒
2、復位彈簧
采用復位彈簧降柱可加速支柱下降速度。復位彈簧一頭掛在柱頭上，另一頭掛在底座上，并使它具有一定的預緊力。并且使用復位彈簧支柱的底座不能焊在油缸上，而必須活接，且采用連接鋼絲與油缸連接。
復位彈簧是單體液壓支柱在進行回收時，使活柱筒快速回重要零件。檢驗復縮的位彈簧時，應根據(jù)支柱實際支設狀況，將其拉伸到最大使用高度后保持24小時，最多允許彈簧有4mm的殘余變形，這樣的復位彈簧才算合格。
2.5.4 單體液壓支柱用鍛件
外注式單體液壓支柱中有5個零件是用模鍛加工而成。它們分別是頂蓋、手把體、底座、活塞和柱頭。
1、頂蓋
本次單體液壓支柱主要針對大傾角煤層的工作狀況而設計的，在大傾角工作面中單體支柱的傾倒與下滑問題一直都很嚴重,頂板冒落甚至大面積垮落事故時有發(fā)生,嚴重威脅著工作面的安全生產(chǎn)。改進單體液壓支柱頂蓋的結(jié)構(gòu)將有助于改善以上幾種情況，因此，我采用了防倒式頂蓋。
防倒頂蓋的基本結(jié)構(gòu)如圖2—5所示,它由頂蓋底板、楔卡、擋板組成。楔卡安裝在頂蓋底板導槽內(nèi)。楔卡為“L”形。每只防倒頂蓋內(nèi)安裝兩只楔卡,每只楔卡有一個側(cè)面帶有斜度。防倒頂蓋取代普通頂蓋后,通過楔卡卡住頂梁底部的π型扁鋼,實現(xiàn)支柱與頂梁的相互聯(lián)接。由于兩只楔卡均帶有斜度,因而安裝時可以相互砸緊?；刂鶗r,只須錘擊楔卡的小端,使楔卡張開,脫離頂梁,便可按正常程序回拆支柱。防倒頂蓋與頂梁聯(lián)接后,限定了支柱與頂梁的支設狀態(tài)。
頂蓋是可更換件。它通過三個彈性圓柱銷與活柱體的柱頭（或接長柱筒）連接在一起，將頂板巖石的壓力傳遞到支柱上，并利用四爪與楔卡防止頂板來壓時支柱滑倒失效。
（1）尺寸的計算
楔卡的高度是由頂梁的厚度、寬度和煤層的角度所決定的；
h=a+c+b×tanα
式中 h——楔卡的高度；
a——楔卡厚度；
c——頂梁厚度；
b——頂梁寬度；
α——煤層傾角。
其余尺寸均由自行設計而定。
如圖所示
圖2—6 防倒頂蓋結(jié)構(gòu) 圖2—7 頂蓋的三維實體造型圖
1— 楔卡;2——擋板;3——頂蓋底板
2、手把體
手把體是單體液壓支柱上唯一的一個可用手抓住的零件，對搬運、支設、移動支柱非常重要。手把體內(nèi)裝有防塵圈、導向環(huán)。它通過手把體連接鋼絲與油缸相連接，能繞油缸自由轉(zhuǎn)動便于操作和搬運。
手把體內(nèi)孔的尺寸根據(jù)油缸外徑、活柱外徑、手把體連接鋼絲、防塵圈和導向環(huán)的尺寸確定，防塵圈和導向環(huán)的尺寸根據(jù)活柱外徑選取。
圖2—8 手把體 圖3—9 手把體三維實體造型圖
3、底座
底座體由底座、彈簧掛環(huán)、O形密封圈、防擠圈等組成。它是支柱底部密封和承載的零件。它通過底座連接鋼絲與油缸相連接。
底座體外徑由油缸內(nèi)徑而定，各凹槽部分分別由安放在此處的標準件的尺寸決定，而各標準件的尺寸是根據(jù)油缸內(nèi)徑值查表而得。
結(jié)構(gòu)形式如圖2—10所示。
圖2—10 底座體 圖2—11 底座體三維實體造型圖
4、活塞
活塞是支柱的活柱體和液壓缸之間密封的零件，當支柱受力時承受一定的載荷和彎矩?；钊涎b有Y形密封圈、皮碗防擠圈、活塞導向環(huán)、O形密封圈、活塞防擠圈等。它通過活塞連接鋼絲與活柱體相連接?；钊鸹钪鶎蚝陀透酌芊庾饔??；钊鶕?jù)密封裝置形式來選用其結(jié)構(gòu)形式，而密封裝置則按工作壓力、環(huán)境、介質(zhì)等條件來選定。
（1）材料 活塞材料一般不同于缸筒的材料，選用45鋼。
（2）加工要求
活塞最大的外徑根據(jù)油缸內(nèi)徑所得，但不能完全等同與油缸內(nèi)徑，因為活塞要延著油缸內(nèi)徑進行上下往復運動，所以要小于油缸內(nèi)徑?；钊c活柱接觸的尺寸根據(jù)活柱內(nèi)徑所得，其它凹槽尺寸的計算原理同手把體一樣，都是根據(jù)密封結(jié)構(gòu)形式來確定；
①活塞外徑d對內(nèi)孔D1的徑向跳動公差值，按7、8級精度選取。
②端面T對內(nèi)孔D1的垂直度公差值，按7級精度選取。
③外徑d的圓柱度公差值，按9、10、11級精度選取。
如圖所示
圖2—12 活塞 圖2—13 活塞三維實體造型圖
利用Pro/Engineer的模型分析模塊，能夠即快又準確的計算出零件的體積和各個截面的面積。只要給它輸入該材料的密度后，就能夠計算出零件的質(zhì)量。使用起來方便、快捷、準確。
下面以活塞為例進行說明
打開活塞的零件圖后，在分析中點擊模型分析，然后選擇零件體，再輸入其密度7.9×10-6kg/mm3,完成后便輸出如下數(shù)值
體積=2.34×109mm3；
面積=2.67×107mm2；
密度=7.9×10-6kg/mm3；
質(zhì)量=1.85kg。
5、柱頭
柱頭是支柱上安裝三用閥的地方，承受和傳遞支柱的載荷。
柱頭與活柱的連接方式為焊接，其外徑可根據(jù)活柱外徑確定，上端銷孔尺寸則由標準件彈性銷的尺寸所決定，安裝三用閥的孔也由三用閥的外徑確定。
柱頭的結(jié)構(gòu)形式如下圖所示
圖2—14 柱頭 圖2—15 柱頭三維實體造型圖
2.6 單體液壓支柱的橡膠件和塑料件
單體液壓支柱及三用閥中所使用的各種橡膠件和塑料件共15件，詳見下表2—1。
表2—1
項目
類別
名稱
規(guī) 格
材 料
數(shù)量
備 注
單
體
液
壓
支
柱
Y形密封圈
防塵圈
O形密封圈
活柱導向環(huán)
活塞導向環(huán)
皮碗防掎圈
活塞防掎圈
底座防掎圈
—
—
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
P228丁腈橡膠
P228丁腈橡膠
P229
P229
聚甲醛
聚甲醛
聚甲醛
聚甲醛
聚甲醛
1
1
1
1
1
1
1
1
外徑×高×厚
外徑×高×厚
外徑×高×厚（不切口）
外徑×高×厚
外徑×高×厚
三
用
閥
O形密封圈
安全閥墊
卸載閥墊
單向閥閥墊
42×3.5
28×3.5
13×1.9
6×2
27×3.5
14×3
P229
P229
P229
WS—520
QJ5511—1
WS—520
QJ5511—1
P907
2
1
1
1
1
1
其中大流量三用閥的安全閥部分，有一特制密封圈
所謂防擠圈是指防止O形密封圈受擠的一個圈，故它在安裝時應該放在O形密封圈或Y形密封圈的低壓一側(cè)。
防塵圈的作用是緊抱單體液壓支柱的活柱，在支柱升降時防止煤粉進入液壓缸。
Y形密封圈是單體液壓支柱的活柱通過活塞和支柱油缸密封的關(guān)鍵零件，又是支柱在承載時的承壓件。同時在支柱回柱時，它又能使支柱的活柱快速回縮而達到回收的目的。
第3章 單體液壓支柱結(jié)構(gòu)及尺寸的驗算
3.1 已知設計參數(shù)
（1）立柱初撐力：P1=157KN
（2）立柱工作阻力：P=300KN
（3）油缸外徑：D0=114mm
油缸內(nèi)徑：D=100mm
（4）活柱外徑：D1=95mm
活柱內(nèi)徑：D2=78mm
（5）支柱最大高度：2000mm
支柱最小高度：1240mm
液壓行程：760mm
3.2 油缸穩(wěn)定性的驗算
驗算活塞桿全部伸出并受最大同心縱向載荷的穩(wěn)定性。
油缸穩(wěn)定性條件為
Pk>P 即 Pk=
式中 Pk ——穩(wěn)定的極限力；
P——最大工作阻力；
J1——活塞桿斷面慣性矩， =2.18×106mm4；
J2——缸體斷面慣性矩， =3.38×106mm4 。
根據(jù) =1.2 及 =0.9查極限計算圖得：
立柱穩(wěn)定性的極限力為
Pk==600KN
立柱的最大工作阻力P=300KNPk可滿足穩(wěn)定條件上述Pk值僅當活塞桿頭部距離在載荷下發(fā)生最大撓度處的距x時才適用
x=2280=2280=6555mm
所以適用。
3.3 活塞桿的強度驗算
1、在承受同心最大載荷情況下油缸的初撓度1
1.027mm
式中 ——活塞桿與導向套處的最大配合間隙， =0.25cm；
——活塞桿全部外伸時，導向套前端至活塞末端間距， =151mm；
——活塞和油缸的最大配合間隙， =0.355mm；
——活塞桿全部外伸時，活塞桿頭部銷孔至油缸尾部銷孔間距 =+=1971mm；
——立柱總重， =415kg；
——油缸軸線與水平面的交角， =。
2、油缸的最大撓度
當 ， 時
式中 0.8×10-3；
0.4×10-3；
1.08；
0.4；
E——鋼的彈性模量， E=2.1×105Mpa。
3、 活塞桿的合成應力
式中 A——活塞桿的斷面積， 2308.7mm2；
W——活塞桿的斷面模數(shù)， 37564.5 mm2。
安全
活塞桿材料為45#鋼， =360 Mpa；
—— 一般最小取1.4。
3.4 缸體強度驗算
油缸壁厚驗算
時，按中等壁厚缸體公式計算
式中 P——油缸內(nèi)工作壓力， P=38.2 Mpa；
c——計入管壁公差及侵蝕的附加厚度，一般取 c=2mm；
——強度系數(shù)，當無縫鋼管時， =1；
——缸壁厚，取22.5 mm；
b ——缸體材料，27SiMn無縫鋼管b=980 Mpa；
——許用安全系數(shù)，一般在3.5～5范圍內(nèi)選取。
把上列公式化為：
所以可以安全使用。
第4章 單體液壓支柱的使用與維護
4.1 支柱的拆裝和試驗
4.1.1 三用閥的組裝
1、組裝前的裝備
（1）合格的三用閥零件在組裝前必須用壓力油沖洗干凈，任何有毛刺、鐵屑或生銹的零件均不得組裝。
（2）裝好全部O形密封圈。
（3）六角導向套的組裝
把安全閥墊裝入六角導向套中，要裝到底，并檢查安全閥墊工作面是否平整。在閥座和六角導向套接觸時，閥墊壓縮量應控制在0.15～0.25mm。
（4）注油閥體的組裝
將單向閥座連同限位套一起裝入注油閥體中，并裝入8鋼球，再用一字型螺絲刀擰緊螺套（擰緊程度要適當，以防單向閥座變形），并把卸載閥墊裝入注油閥體。
2、組裝
將閥針裝入閥座中，閥針端面不應露出閥座端面，并檢查運動是否靈活，再轉(zhuǎn)入閥套內(nèi)，然后將連接螺桿擰入閥套并擰緊。用鑷子將六角導向套裝入閥套內(nèi)，檢查六角導向套軸向運動是否靈活，應無卡阻，然后裝入8鋼球、彈簧座、安全閥彈簧，用調(diào)壓工具擰緊調(diào)壓螺絲。
安全閥部分裝好以后，將閥套裝入裝配套筒中。單向閥錐型彈簧裝在連接螺桿上，套上左閥筒并與裝配套筒擰緊，用套筒扳手將注油閥體擰入螺桿。然后擰下裝配套筒，換上右閥筒。三用閥組裝完畢之后，需根據(jù)《礦用單體液壓支柱》（MT112—93）中的有關(guān)規(guī)定對其進行調(diào)壓和試驗。安全閥的開啟壓力調(diào)定是用調(diào)壓工具調(diào)整調(diào)壓螺絲的進退來實現(xiàn)的。
調(diào)好安全閥應涂上M10乳化劑封存。
4.1.2 支柱組裝
1、組裝前的準備
（1）用壓力油洗凈活柱、油缸、活塞、底座、手把體等零件，不允許零件上有鐵屑和污物。
（2）在手把體的內(nèi)表面、頂蓋與柱頭配合面、底座與液壓缸配合面及活塞與活柱配合面涂防銹油。
（3）在活塞、底座上裝入O型密封圈和防擠圈，注意防擠圈的位置應緊靠O型密封圈的低壓側(cè)。
（4）把Y形密封圈、防擠圈和導向環(huán)安裝在活塞上，注意活塞導向環(huán)外徑應大于活塞的最大外徑。
2、活柱體的組裝順序
（1）將防塵圈和活塞導向環(huán)按次序（注意方向）裝在手把體上。
（2）將手把體套入活柱體。在限位鋼絲圈槽中先裝上一個O形密封圈（作為裝配工具），這樣手把體上的防塵圈就能順利通過，然后取下O形密封圈，將限位鋼絲圈涂油裝在活柱上，并測量限位鋼絲圈的外徑（應比油缸的外徑小0.5mm以上）。
（3）將活塞裝入活柱。
（4）把復位彈簧掛在活柱體中。
3、支柱整體組裝
（1）將裝好的活柱體裝入油缸，并將手把體裝好，穿上連接鋼絲。
（2）將頂蓋裝入活柱體，用彈性圓柱銷連接好，所有彈性圓柱銷均不允許露出，其開口應垂直于支柱的軸向方向。注意使頂蓋方體軸線與柱頭閥孔軸線平行。
（3）將復位彈簧掛在底座彈簧環(huán)上，并將底座裝入油缸，穿好底座連接鋼絲。
（4）裝上三用閥，并使三用閥卸載孔軸線垂直于支柱軸線。
4、組裝注意事項
（1）除油缸、底座等裸露表面電鍍外，所有連接配合部分及活柱外圓均應涂防銹油。
（2）裝配底座時應將防擠圈切口背向穿鋼絲槽口，在打入底座時應注意避免穿鋼絲槽口碰壞防擠圈。
（3）所有連接鋼絲均打入槽口，不允許外露，并將手把體和底座的連接鋼絲口用火漆或油漆膩子封死。
（4）支柱組裝時，不允許用鐵錘敲打油缸、活塞、活柱等零件。
（5）組裝完畢的支柱在運輸過程中不允許隨意摔砸。
4.1.3 支柱的拆卸
支柱的拆卸可按裝配相反的工序進行，但應注意；
（1）底座的拆卸應用活柱頂出。
（2）先將活柱體抽出到最大高度，再拆卸手把體，以免活塞刮壞油缸。
（3）拆卸活塞時應使用卸活塞工具，用撞塊沖擊數(shù)次剪斷O形密封圈即可取出活塞。
4.1.4 試驗
支柱及三用閥組裝完畢后，應按照《礦用單體液壓支柱》（MT112—93）中的有關(guān)規(guī)定進行試驗，合格后方可下井。
4.2 使用注意事項
（1）首先,應根據(jù)工作面采高，選擇合適的支柱規(guī)格；根據(jù)工作面頂板壓力大小，確定合理的支護密度。
（2）支柱必須達到出廠試驗要求或維修質(zhì)量標準，方可下井使用.到礦的新支柱，也必須經(jīng)過檢查復試合格,才能下井使用。
（3）檢查乳化液泵機械電氣部分是否正常,油箱乳化液是否夠用，濃度是夠合適。啟動乳化液泵，待泵各部運轉(zhuǎn)正常，供液壓力達到泵站額定工作壓力時方可向工作面供液。
（4）將支柱移至預定支設地點后，先用注液槍沖洗注油閥體，然后將注液槍插入三用閥中并用鎖緊套連接好。
（5）支柱第一次使用前，應先升、降柱一次（最大行程），以排凈缸體內(nèi)空氣，之后才能正常使用。
（6）支設支柱時，應注意下列四點：
①支柱應垂直于頂、底板，支設在金屬鉸接頂梁下面，并有一定的迎山角，使支柱處于垂直受力狀態(tài)且不易推倒。
②三用閥的單向閥應朝采空區(qū)方向或下順槽，以利安全回柱。
③支柱與工作面運輸機械應有適當?shù)木嚯x，避免采煤機撞倒支柱或撞壞油缸、手把體和三用閥。
④支柱頂蓋的四爪應卡在頂梁花邊槽上，不允許將四爪頂在頂梁上或頂梁接頭處。支柱配合木頂梁使用或做點柱用時，應更換頂蓋（換成不帶爪子的柱帽）。
（7）操縱注液槍向支柱內(nèi)腔供液，并使支柱頂蓋與金屬頂梁接觸，待支柱達到初撐力后，松開注液槍手把。注液槍卸載。摘下鎖緊套后，輕輕敲打注液槍手把，在高壓液體的作用下，注液槍便會自動推出。
（8）使用中的支柱，活柱升高量已接近最小安全回柱高度時，應及時回撤，以免壓死。
（9）絕對禁止用錘、鎬等金屬物體猛力敲砸支柱任何部位，以免損壞支柱。若支柱被壓成“死柱”，只能采取挑頂或臥底的方法取出，不允許爆破、錘砸或絞車拉拽。
（10）支護過程中，不準以支柱手把體作為推移裝置的支點，以免損壞支柱。
（11）回柱時應嚴格遵守有關(guān)回柱安全操作規(guī)程，確保安全生產(chǎn)。
將卸載手把插入三用閥卸載孔中。頂板狀況較好時采取近距離卸載，工作人員轉(zhuǎn)動卸載手把使卸載手把呈水平位置。此時卸載閥打開，活柱下縮到可以撤出為止。
頂板條件較差時應采用遠距離卸載，即工作人員離開支柱至安全位置，拉動卸載手把上的牽引繩使卸載手把呈水平位置，卸載閥打開，活柱下縮到可以撤出為止。
（12）回撤下來的支柱，應頂蓋朝上豎直靠放，不準隨意橫放，以免水和煤粉進入支柱內(nèi)腔和腐蝕表面。井下不允許存在無三用閥的支柱。若三用閥損壞，應及時更換三用閥。
（13）因工作面粉塵大，故除了替換頂蓋、三用閥外，其他零部件不允許在工作面拆裝。
（14）支柱在運輸過程中應輕裝輕卸，不準隨意摔砸。需要使用工作面運輸機時，應先在運輸機上裝滿煤，然后將支柱放在煤層上。機頭機尾應有專人護送，以免損壞支柱。
（15）注液槍使用后，應掛在支柱上，不允許隨意亂仍，更不允許用注液槍敲打硬物。
（16）高壓膠管應避免被采煤機壓壞或損壞。
（17）短期不用的支柱，應將柱內(nèi)液體放盡，封堵三用閥進液孔，以防贓物進入。
4.3 支柱的故障與維修
工作面支柱應有專人負責操作和維修檢查，支柱操作和維修人員應熟悉支柱結(jié)構(gòu)及操作方法，做到發(fā)現(xiàn)故障時能及時處理。
4.3.1 常見支柱故障及排除方法
支柱的常見故障及排除方法詳見表4—1。
表4—1 單體液壓支柱的故障及排除方法
序號
故障
故障原因
消除方法
1
支設設活柱不從缸體伸出
1、泵站無壓力或壓力低；
2、減壓閥關(guān)閉；
3、注液嘴被贓物堵塞；
4、密封失效；
5、注液槍失靈；
6、管路濾網(wǎng)噴塞。
1、檢查泵站；
2、打開截止閥；
3、清理注液嘴；
4、檢查Y形圈及O形密封圈；
5、檢查注液槍；
6、清洗過濾網(wǎng)。
2
活柱降柱速度慢或不降柱
1、復位彈簧掉了；
2、復位彈簧損壞；
3、油缸有局部凹陷；
4、活柱表面損壞；
5、防塵圈損壞
1、重掛復位彈簧；
2、更換復位彈簧；
3、更換油缸；
4、更換活柱；
5、更換防塵圈
續(xù)表1
3
工作阻力低
1、安全開啟開關(guān)或關(guān)閉壓力低；
2、密封件失效
1、檢查安全閥；
2、更換密封件
4
工作阻力高
1、安全閥開啟壓力高；
2、安全閥墊擠入溢流間隙
1、重新調(diào)定安全閥；
2、更換閥墊
6
乳化液從底座溢出
1、活塞上Ф100x3.1O形圈損壞；
2、油缸變形或鍍層損壞而生銹；
3、底座密封面破壞
1、更換O形圈；
2、更換油缸；
3、更換底座
7
乳化液從柱頭Ф42孔溢出
1、Ф42x3.5O形圈損壞；
2、柱頭密封面損壞
1、更換O形圈；
2、更換活柱體
8
乳化液從單向閥或卸載溢出
1、單向閥、卸載閥損壞；
2、單向閥、卸載閥密封面污染
1、更換三用閥；
2、清洗單向閥、卸載閥
9
頂蓋損壞
使用不當
換頂蓋、改進操作方法
續(xù)表2
10
液壓缸彎曲或砸扁
1、操作不當；
2、突然來壓時安全閥來不及打開支柱大大超載；
3、支柱壓成“死柱”時用絞車拉液壓缸；
4、用錘砸扁
1、改進操作方法；
2、應適當增加支護密度；
3、更換液壓缸
11
手把斷裂
用絞車回柱時支柱未卸載或降柱行程不夠硬拉所致
1、改進操作方法；
2、更換手把
12
活柱彎曲
突然來壓時安全閥來不及打開
適當增加支護密度
13
注液槍漏液
1、密封圈損壞；
2、單向閥座污染；
3、單向閥彈簧損壞
1、更換漏液部密封圈；
2、清洗或更換單向閥座；
3、更換彈簧
14
槍管和閥體間隙竄液
1、注液管松動；
2、密封圈損壞；
1、涂厭氧膠擰緊注液槍管；
2、更換密封圈
15
注液槍頂桿處竄液
1、密封圈損壞；
2、頂桿密封面損壞
1、更換密封圈；
2、更換頂桿
4.3.2 維修注意事項
（1）維修場地應清潔。零部件需經(jīng)汽油清洗干凈后再裝配，嚴格防止贓物進入支柱內(nèi)腔。因為贓物是破壞密封、造成滲漏的主要因素。有橡膠件，經(jīng)汽油清洗后應迅速取出吹干，如浸汽油時間較長，會引起橡膠件變形變質(zhì)。
（2）每根支柱都應建立維修卡片備查。每次檢修時，均應詳細記錄故障情況、損壞零部件及檢修工時等項目內(nèi)容，以便統(tǒng)計支柱修復率、維修成本和維修質(zhì)量，并有利于不斷總結(jié)提高維修水平。
（3）支柱維修后應當按試驗要求和維修質(zhì)量標準進行各項試驗，各部合格后方可下井使用。
（4）支柱維修好后，應將活柱降到底，放凈乳化液，豎直靠放，存放于空氣較清潔干燥的氣溫不低于0℃的場所。
支柱除日常維修外，應定期進行檢查保養(yǎng)。大修周期：支柱2年，三用閥1年，注液槍1年，截止閥3個月，過濾器3個月。大修基本內(nèi)容：
①清洗所有零部件；
②原則上應更換安全閥墊、單向閥座、卸載閥墊、Y形密封圈、防塵圈、導向環(huán)、皮碗防擠圈及所有O形密封圈；但如果其中某些零件在大修前不久剛更換過，則應通過檢查，根據(jù)其完好程度，確定是否更換；
③更換所有磨損和損壞的零件。
④重新組裝，進行規(guī)定的各項試驗。
經(jīng)濟分析
本設計采用防倒頂蓋作為單體液壓支柱的頂蓋，使其更適用于大傾角的開采煤層中。它是利用現(xiàn)有的單體液壓支柱進行的局部改造，因此，投資少，見效快。其不僅能達到通用頂蓋的各項功能，更能適應急傾斜煤層的使用，同時，還保證了工作人員的安全問題。
防倒式頂蓋的另一優(yōu)點是節(jié)省人力資源，通過它特有的楔卡裝置，使用安全、簡潔、方便。其獨特的拆裝方式，可以減少一半的井下支護人員。
本次設計還采用了Pro/Engineer畫圖軟件，大大改善了使用者對該產(chǎn)品的感觀認識，省去了人們看實物的麻煩，它可以把產(chǎn)品的三維實體造型圖形象的展現(xiàn)在人們面前。使用者不用通過看產(chǎn)品就能對產(chǎn)品有更進一步的了解與認識。
結(jié)論
單體液壓支柱是礦山機械中不可缺少的部分，它在支護作業(yè)中起著致關(guān)重要的作用。
當今采礦工業(yè)中，安全問題不可忽視。而保證安全性環(huán)境的關(guān)鍵所在就是單體液壓支柱的支護作用，尤其是在大傾角煤層中。因此，本次設計就是針對大傾角煤層而進行的。主要的改進部位是頂蓋部分，防倒式頂蓋通過楔卡以及其獨特的安裝與使用形式，解決了在冒頂事故發(fā)生時出現(xiàn)的一些問題。
計算機制圖的改進也是本次設計的重要問題之一，使用Pro/Engineer軟件制圖，其優(yōu)點很多，比傳統(tǒng)的AutoCAD制圖的立體感強，且它獨特的參數(shù)化更方便設計者進行繪制與修改。
致謝
經(jīng)過近四個月的畢業(yè)設計，使我對所學專業(yè)課有了更深刻的認識，讓我接觸、學習了從未涉及的領域。認識到了機械自動化技術(shù)對于社會發(fā)展起著舉足輕重的作用。我也從中找到自己感興趣的方面，激發(fā)了自己的學習熱情。在本設計中我通過網(wǎng)絡、圖書館等渠道翻閱了不少有關(guān)設計方面的資料，學到了很多以前沒有學到的東西，同時也感覺到我們所學的知識對于以后的工作來說遠遠不夠用。還不能完全獨立完成某一項目，其間我受益最大的是我有了自己一套分析和解決問題的能力。
能夠順利完成這次設計，離不開李延鋒老師的辛勤指導，為了我們弄懂每一個設計環(huán)節(jié)，李老師不厭其煩的給我們講解與指導，直到我們徹底消化為止。從他身上我學到的不僅僅是專業(yè)知識，而且還有一絲不茍、無私奉獻的精神。在此，我向他們表示真誠的謝意。
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