完整版DZ型单体液压支柱毕业论文.docx
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完整版DZ型单体液压支柱毕业论文
摘要
本论文所设计的是适用于大倾角煤层使用的单体液压支柱，主要目的是为了保证工作人员的安全。
大倾角煤层下很容易发生倾倒、下滑现象，有时甚至会发生冒顶事故。
普通的单体液压支柱不能满足要求，所以要对其进行改进，本次主要改进的部位是顶盖部分，由原来的通用式改为现在的防倒式。
通过楔卡的安装，其独特的“L”型设计，可以卡住顶梁底部的“л”型扁钢，实现了支柱与顶梁的相互结合，这样便在很大程度上缓解了以上可能发生的事故。
其次，本次设计除了采用传统的绘图工具AutoCAD实现二维制图外，还利用ProEngineer软件进行三维实体造型，充分发挥出了ProEngineer的优点，使商家与使用者对产品在感观上有更进一步认识和了解。
关键词：
大倾角；顶盖；防倒式；楔卡；三维实体造型。
Abstract
Thispaperisdesignedforlargeinclinationcoalbedusemonomeraimistoensurethesafetyofstaff,theso-calledbiginclinationcoalbedmeanscoalbedinclinationthan25°eastcoalbed。
Itsmainimprovementsaretoppart,fromaceremonytopresentadefensedown.Wedgecardsthroughtheinstallationandimprovementtoundergroundminingworksafer，Secondly,thisdesigntoolAutoCADdrawingsinadditiontousingthetraditionaltwo-dimensionalmappingofachievement，AlsousedProEngineersoftware3Dentitiesshape,andgivefullplaytotheadvantagesofaProEngineer，Businessesanduserstoviewtheproductsinafurthersenseofawarenessandunderstanding.
Keywords:
Greatinclination;defensedown;Wedgecards;
3Dmodellingentities.
目 录
摘要1
Abstract2
第1章绪论5
1.1我国煤层贮存状况5
1.2用途6
1.3使用范围6
1.4单体液压支柱发展概况7
1.4.1国内、外单体液压支柱的发展趋势7
1.4.2使用单体液压支柱的突出优点8
第2章单体液压支柱的结构和工作原理10
2.1分类10
2.2技术特征10
2.3单体液压支柱的工作原理11
2.4单体液压支柱的结构12
2.5零部件尺寸的计算与选择13
2.5.1给定参数13
2.5.2油缸与活柱体13
2.5.3单体液压支柱三用阀和复位弹簧16
2.5.4单体液压支柱用锻件18
2.6单体液压支柱的橡胶件和塑料件24
第3章单体液压支柱结构及尺寸的验算26
3.1已知设计参数26
3.2油缸稳定性的验算26
3.3活塞杆的强度验算27
3.4缸体强度验算29
第4章单体液压支柱的使用与维护30
4.1支柱的拆装和试验30
4.1.1三用阀的组装30
4.1.2支柱组装31
4.1.3支柱的拆卸32
4.1.4试验33
4.2使用注意事项33
4.3支柱的故障与维修35
4.3.1常见支柱故障及排除方法35
4.3.2维修注意事项38
经济分析40
结论41
致谢42
参考文献43
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使用范围
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。
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：
（1）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。
（2）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。
（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。
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。
第2章单体液压支柱的结构和工作原理
2.1分类
1、按用途分类
（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）。
工作液压油在机体内形成闭路循环。
（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
支柱型号组成和排列方式如下：
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单体液压支柱的工作原理
1、工作介质
外注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。
2.4单体液压支柱的结构
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：
图2—1外注式单体液压支柱装配图
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—2所示：
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
式中p——缸筒内压力，Nmm2；
D2——缸筒内径，mm；
P——立柱工作阻力，KN。
Kb=则p=
式中pR——乳化液泵的工作压力；
Kb——一般在0.52～0.78之间。
Kb===0.52
初撑力=Kb×工作阻力=0.523×300=157KN
②预算缸径尺寸和缸壁厚度
缸筒内压力为
p===38.2MPa
式中P——立柱工作阻力300KN；
D2——缸筒内径100mm。
缸筒材料为27SiMn无缝钢管，s=833.85MPa
[]===555.9MPa
缸壁厚度为
=
=
=3.1mm
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
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78mm和95mm。
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
H=mm=mm=151mm
式中L——立柱最大工作行程，mm；
D2——缸筒内径，mm。
图2—4活柱体
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；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，使活柱筒快速回重要零件。
检验复缩的位弹簧时，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
式中h——楔卡的高度；
a——楔卡厚度；
c——顶梁厚度；
b——顶梁宽度；
α——煤层倾角。
其余尺寸均由自行设计而定。
如图所示
图2—6防倒顶盖结构图2—7顶盖的三维实体造型图
1—楔卡;2——挡板;3——顶盖底板
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。
图2—8手把体图3—9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—10所示。
图2—10底座体图2—11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。
如图所示
图2—12活塞图2—13活塞三维实体造型图
利用ProEngineer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7.9×10-6kgmm3,完成后便输出如下数值
体积=2.34×109mm3；
面积=2.67×107mm2；
密度=7.9×10-6kgmm3；
质量=1.85kg。
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。
柱头的结构形式如下图所示
图2—14柱头图2—15柱头三维实体造型图
删除很多页，详细的全套的图纸说明联系qq：
序号
故障
故障原因
消除方法
1
支设设活柱不从缸体伸出
1、泵站无压力或压力低；
2、减压阀关闭；
3、注液嘴被赃物堵塞；
4、密封失效；
5、注液枪失灵；
6、管路滤网喷塞。
1、检查泵站；
2、打开截止阀；
3、清理注液嘴；
4、检查Y形圈及O形密封圈；
5、检查注液枪；
6、清洗过滤网。
2
活柱降柱速度慢或不降柱
1、复位弹簧掉了；
2、复位弹簧损坏；
3、油缸有局部凹陷；
4、活柱表面损坏；
5、防尘圈损坏
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
续表1
3
工作阻力低
1、安全开启开关或关闭压力低；
2、密封件失效
1、检查安全阀；
2、更换密封件
4
工作阻力高
1、安全阀开启压力高；
2、安全阀垫挤入溢流间隙
1、重新调定安全阀；
2、更换阀垫
6
乳化液从底座溢出
1、活塞上Ф100x3.1O形圈损坏；
2、油缸变形或镀层损坏而生锈；
3、底座密封面破坏
1、更换O形圈；
2、更换油缸；
3、更换底座
7
乳化液从柱头Ф42孔溢出
1、Ф42x3.5O形圈损坏；
2、柱头密封面损坏
1、更换O形圈；
2、更换活柱体
8
乳化液从单向阀或卸载溢出
1、单向阀、卸载阀损坏；
2、单向阀、卸载阀密封面污染
1、更换三用阀；
2、清洗单向阀、卸载阀
9
顶盖损坏
使用不当
换顶盖、改进操作方法
续表2
10
液压缸弯曲或砸扁
1、操作不当；
2、突然来压时安全阀来不及打开支柱大大超载；
3、支柱压成“死柱”时用绞车拉液压缸；
4、用锤砸扁
1、改进操作方法；
2、应适当增加支护密度；
3、更换液压缸
11
手把断裂
用绞车回柱时支柱未卸载或降柱行程不够硬拉所致
1、改进操作方法；
2、更换手把
12
活柱弯曲
突然来压时安全阀来不及打开
适当增加支护密度
13
注液枪漏液
1、密封圈损坏；
2、单向阀座污染；
3、单向阀弹簧损坏
1、更换漏液部密封圈；
2、清洗或更换单向阀座；
3、更换弹簧
14
枪管和阀体间隙窜液
1、注液管松动；
2、密封圈损坏；
1、涂厌氧胶拧紧注液枪管；
2、更换密封圈
15
注液枪顶杆处窜液
1、密封圈损坏；
2、顶杆密封面损坏
1、更换密封圈；
2、更换顶杆
2.5.5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。
有橡胶件，经汽油清洗后应迅速取出吹干，如浸汽油时间较长，会引起橡胶件变形变质。
（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。
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
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