煤岩抗截强度测定装置.docx
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煤岩抗截强度测定装置
辽宁工程技术大学
课程设计
题目：
煤岩抗截强度测定装置
作者：
指导教师：
专业：
机械工程及自动化（液压传动与控制）
时间：
1绪论....................................................1
1.1前言................................................1
1.2国外抗截强度测定工作的研究现状......................2
1.3我国抗截强度测定工作的研究现状......................2
2抗截强度测定装置总体方案设计............................3
2.1抗截强度测定装置的组成..............................3
2.2抗截强度测定装置的原理..............................4
2.3抗截强度测定装置的特点..............................4
2.4抗截强度测定装置的技术要求..........................5
2.5抗截强度测定装置的设计要求参数......................5
3抗截强度装置执行元件设计................................6
3.1确定执行元件的型式..................................6
3.2确定系统主要参数....................................6
3.2.1确定系统工作压力...............................6
3.3确定执行元件主要尺寸................................7
3.3.1液压缸内径D的确定...........................7
3.3.2活塞杆直径d的确定.............................7
3.3.3液压缸壁厚σ的确定.............................7
3.3.4液压缸的外径D1的确定.........................8
3.3.5液压缸行程S的确定...........................8
3.3.6液压缸缸筒长度L的确定........................8
3.3.7塞杆长度H的确定..............................9
3.4执行元件的流量计算.................................9
3.5执行元件材料的确定................................10
3.5.1缸筒材料....................................10
3.5.2活塞材料.....................................10
3.5.3缸盖材料.....................................10
3.5.4活塞杆材料...................................10
4抗截强度测定装置液压系统设计...........................11
4.1确定液压系统方案................................11
4.2确定液压油源.......................................11
4.2.1开式系统与闭式系统的选择.....................11
4.2.2单泵、双泵与多泵系统选择.....................12
4.2.3定量系统与变量系统的选择....................12
4.3拟定液压系统原理图...................................12
4.4液压系统工作过程.....................................13
4.5换向回路的选择.......................................13
4.6液压泵的选择......................................14
4.7电机的选择........................................14
4.8溢流阀的选取......................................15
4.9换向阀的选取......................................16
4.10滤油器的选择.....................................16
4.11液压油箱的设计......................................17
4.11.1液压油箱的功能...............................17
4.11.2液压油箱容积的计算...........................17
4.11.3液压油箱结构的设计...........................18
4.12管路的选择.......................................20
4.13液压缸的安装与调试...............................21
4.13.1液压缸的安装................................21
4.13.2液压缸的调试..............................22
5结论...................................................22
6参考文献...............................................24
1绪论
1.1前言
在巷道掘进工作中，掘进机与煤岩体是主体与客体的两个方面，只有对客体的各种性质有明确的了解，才能设计出高效的掘进机截割头。
因此，掌握煤岩体的性质是十分重要的。
多年实践表明，“坚固性”一词大体上反映了煤岩破碎的难易程度，可以用于对煤岩进行分级。
为煤矿设计采掘机构或煤矿选用采掘机构时，一定要掌握煤层的物理机械属性，按“量体裁衣”原则，有针对性的设计或选用采掘机械。
煤层的物理机械性质有许多种，煤层抗截强度便是其中一种。
煤层抗截强度通常用A[N/mm]表示，又称A值。
以前，我国一直采用f作为采掘机械选型和设计的主要依据。
由于f值测定方法不严格，f值本身很不确切，因此，研制井下A值测定装置，进而在煤矿中开展A值测定的专门工作，是极其必要的。
而抗截强度是一个反映煤岩性质的综合性指标，可以用于以划分煤岩抵抗钻进的难易程度和煤岩抵抗截割的难易程度，是设计掘进机工作机构、确定截齿上的截割阻力、计算截割头所需要的截割功率的重要参数。
为了测定煤岩的抗截强度，了解其力学性能，我设计了抗截强度测定装置。
1.2国外抗截强度测定工作的研究现状
20世纪50年代，前苏联学者提出在煤岩体上直接进行截割，从而测定作用在刀具上的截割阻力的方法，制造了JIKC仪，以标准工作方式对采煤工作面进行截割，得到该煤层的抗截强度A值。
前苏联把煤层A值当作煤炭生产的基础条件，组织专业队伍进行大规模的普测，把采集的A值经权威部门认证，作为个方面应用的依据，应用起来既方便又准确。
至今俄罗斯各煤矿主要开采煤层的A值均已标准化，属于煤矿信息资源。
波兰、德国和美国等国家都先后开展了对煤层截割阻力的测定工作。
德国把这一工作作为评估煤层是否可用刨煤机开采的依据，称为煤层可刨性测定工作。
美国也早已研制出在实验室和在煤矿井下截割阻力的测定装置，再为各用户设计采煤机螺旋滚筒时，都向用户说要抗截强度等技术参数，若用户不能提供，则应提供相关煤层的试块，又没过公司测定，然后据此为用户设计专用采煤机滚筒。
我国有几个煤矿已经按这种工作程序从美国公司订购滚筒，使用效果很好。
1.3我国抗截强度测定工作的研究现状
我国在20世纪80年代曾根据前苏联B.M.列伊包夫提出的扩钻炮眼测定煤岩A值的理论，研制一台井下A值测定装置。
装置研制后，曾在矿下进行井下实测，并把实测数据在采煤机螺旋滚筒负荷的计算机模拟中加以利用，实践证明数据基本可靠。
但由于它的转进和牵引由同一台电机完成。
当钻进较硬的煤岩时，出现钻杆卡死的现象，所以它只能测量较软的煤岩的A值。
该设备的的数据采集装置也存在安装和记录不方便的缺点。
2抗截强度测定装置总体方案设计
2.1抗截强度测定装置的组成
截割试验台原理如图2.1所示，该试验台由手动绞车2通过滑轮4调整蝶形座7沿立柱3上下移动，然后由卡紧器1固定住，从而调整截割上下位置，接下来由专用扳手调节推进螺母6来调整截割臂12的伸出长度，以确定切削深度，之后，测控系统5工作，油泵向齿条液压缸10供油之后，由于活塞杆是固定在蝶形座上，因此缸体会左右运动，从而带动齿扇8，进而带动固定在截割臂12端部的截齿进行截割。
截割所用人工煤岩由水泥和煤矸石颗粒配比而成，由于实际煤岩有层理节理以及压力显现等原因，而人工岩壁则没有层理和节理，所以强度要比真实煤岩大。
其截割断面如图测控系统中安装的压力传感器和截割臂处安装的位移传感器在截割过程中实时采集数据，然后通过专用软件进行处理。
图2-1抗截强度测定装置结构示意图
Fig.2-1Anti-cross-sectionalstrengthmeasuringdevicestructurediagram
2.2抗截强度测定装置的原理
该装置采用液压传动，它固定在一基础上，在此基础上再固定一个台架，台架上可固定2m
的试块。
蝶形座7两端圆环滑装在立柱3上，利用手动绞车2、钢丝绳和固定在立柱3顶部的滑轮4调整蝶形座的高度，以适应不同的截割高度或改变截割间距。
高度调整合适以后，利用卡紧器将蝶形座固定在立柱上。
截割臂12和扇齿8固定在一起，利用专用扳手可以调整截割臂的伸出长度，以改变刀具截割试块的深度。
扇齿与蝶形座铰接，可相对摆动。
齿条液压缸10的缸体在扇齿一侧有齿条，与扇齿的轮齿啮合。
双活塞杆9的两端与蝶形座固接。
刀具11安装在截割臂的前端。
当泵站5向液压缸供油时，齿条液压缸的缸体沿活塞杆轴向运动，通过齿条带动扇齿连同截割臂绕其铰接点摆动，使刀具做弧线截割。
通过压力记录仪14检测刀具截割过程中的力，由数据处理装置15统计分析，并进行显示、打印和记录。
2.3抗截强度测定装置的特点
抗截强度测定装置具有以下特点：
1）该装置结构紧凑，操作方便，工作可靠，性能稳定。
2）利用台架加压固定试块，可以在一定程度上模拟工作面煤岩的受压状态。
3）刀具呈弧线截割，这种工作方式更接近于掘进机截割头上的截齿的运动规律。
4）该装置不仅可以水平截割，而且还能实现垂直方向的截割，这种垂直于煤岩层理方向的截割更接近于掘进机的实际工况。
因此，这样测出的抗截强度值更有实际价值。
5）整个实验过程实现实时在线检测，所有测定结果即可由仪表显示其大小，又能通过函数记录仪绘制其变化曲线，而且各种数据都能经单板机处理后直接打印输出，信号获取极为方便。
6）该装置适用于在实验室条件下使用，稍加改装也可在井下实测。
2.4.抗截强度测定装置的技术要求
本次设计的抗截强度测定装置主要用于实验室内来测定煤岩的抗截强度，稍加改装也可用于井下实地检测，对于温差以及工作环境要求不高，但粉尘多及负载较繁重，而且主机经常处于起制动状态，外负载和冲级较大。
同时，要求测定对于不同截割速度下的抗截强度。
因而液压系统应满足以下方面：
1）要保证液压系统有足够的可靠性。
要选择可靠、耐冲击、抗污染能力强的液压元件。
2）液压回路中要有良好的过载保护措施。
3）为保证液压油的清洁度，必须设置可靠，高效的滤油装置，这是确保液压元件正常、可靠工作必不可少的措施。
4）保证工作装置工作平稳，操作灵活、轻便。
5）保证液压元件及辅助装置在恶劣的环境工作可靠性和较长的使用寿命，并且具有适应外载荷急剧变化的能力。
2.5抗截强度测定装置的设计要求参数
要求能够液压系统完成的主要是直线运动，所以选择执行元件为液压缸，液压缸水平放置，活塞杆两端固定，油口设计在活塞杆上。
缸壁一侧设计齿条与蝶形座啮合。
要求负载为50KN，截割长度为1m。
液压系统设计的步骤大致如下：
1.明确设计要求，进行工况分析。
2.初定液压系统的主要参数。
3.拟定液压系统原理图。
4.计算和选择液压元件。
5.估算液压系统性能。
6.绘制工作图和编写技术文件。
根据液压系统的具体内容，上述设计步骤可能会有所不同，下面对各步骤的具体内容进行分别设计。
3抗截强度装置执行元件设计
3.1确定执行元件的型式
执行元件将液压能转换为机械能以实现往复运动或回转运动的元件，它的型式要是根据机构输出动作、经济学分析以及整机布置的要求等确定。
一般，连续回转的机构用液压马达，直线运作机构用液压缸。
本装置主要是通过带动截割臂截割煤岩的往复运动，所以采用液压缸为执行元件。
通过改变变量泵的流量以改变缸的速度。
从经济方面考虑，采用双活塞杆液压缸来代替两个单活塞杆液压缸，不但大大的节约了成本和空间，也避免了两个单活塞杆液压缸的受力不均的问题，降低了加工难度。
3.2确定系统主要参数
确定系统主要参数的目的是为了拟定液压系统图，为选择或设计液压元件提供依据。
这些参数主要是系统的工作压力、液压这行元件的工作压力和流量、液压缸有效面积等。
确定主要参数的依据是液压元件的负载和速度：
可供元件的种类、质量和价格。
3.2.1确定系统工作压力
根据有关资料，该机构的负载F
为50KN,选用工作压力P1为5MPa，背压力P
选为0.5MP，这种情况下液压缸内径D与活塞杆直径d满足d=0.55D。
工作压力选取依据如下表：
表3-2工作压力选取表
Tab3-2Workingpressureselectiontable
负载/N
＜5000
500～10000
10000～20000
20000～30000
30000～50000
＞50000
工作压力/MPa
≤0.8～1
1.5～2
2.5～3
3～4
4～5
＞5
背压选取参照如下表：
表3-3压力损失选取表
Tab3-3Pressurelossesselecttable
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
阀名
Δpn（×105Pa）
单向阀
0.3～0.5
背压阀
3～8
行程阀
1.5～2
转阀
1.5～2
换向阀
1.5～3
节流阀
2～3
顺序阀
1.5～3
调速阀
3～5
3.3确定执行元件主要尺寸
3.3.1液压缸内径D的确定
液压缸内径D和活塞杆直径d可根据最大总负载和选取的工作压力来确定。
F=50KN
由D=
=130.3mm（3-1）
按标准取D=140mm
式中：
F——液压缸的工作负载；
P
——液压缸的工作压力。
3.3.2活塞杆直径d的确定
由d=0.55D=71.5mm（3-2）
按标准取d=80mm
式中：
D——液压缸内径。
3.3.3液压缸壁厚σ的确定
由σ=
（3-3）
式中：
σ——液压缸壁厚；
D——液压缸的内径；
——试验压力，一般为最大工作压力的（1.25-1.5）倍；
[σ]——缸筒材料的许用应力（[σ]=0.4σ
）。
缸筒材料选用20号无缝钢管取[σ]=100MPa
因此，同时可确定σ=10mm。
3.3.4液压缸的外径D1的确定
液压缸的外径由液压缸的内径和壁厚确定。
由D
≥D+2σ（3-4）
=140+2×10=160mm
选取D
=160mm
3.3.5液压缸行程S的确定
一般来说，液压缸的最大行程要比工作行程长一点,避免撞缸。
所以确定S=500mm。
3.3.6液压缸缸筒长度L的确定
液压缸缸筒长度由活塞最大行程S、活塞长度B、活塞杆导向套长度A、活塞杆密封长度和特殊要求的其他长度确定。
其中活塞长度B=（0.6～1.0）D；导向套长度A=（0.6～1.5）d。
为了减少加工难度，一般液压缸缸筒长度不应大于内径的20～30倍。
所以，
活塞长度B=0.6×140=84mm。
导向套长度A=0.6×80=48mm。
缸筒长度L≥B+2A+S/2=84+96+250=430mm。
取L=450mm。
3.3.7塞杆长度H的确定
活塞杆的长度由液压缸缸筒长度和液压缸缸外长度确定。
由H≥2L+C（3-5）
=900+300=1200mm
取H=1300mm（两根活塞杆的和）
式中：
L——液压缸缸筒长度
C——液压缸缸外长度
将以上计算所得数据统计于下表以便于绘图：
表3-4液压缸系数表
Tab3-4Hydrauliccylindercoefficienttable
名称
液压缸内径D
活塞杆直径d
液压缸壁厚σ
液压缸外径D1
数值
140mm
80mm
10mm
160mm
液压缸工作行程
液压缸缸筒长度L
活塞长度B
导向套长度A
活塞杆长度H（2根）
500mm
450mm
84mm
48mm
1300mm
3.4执行元件的流量计算
液压缸的最大流量：
q
=A·V
=0.061m
/s（3-6）
式中：
A——液压缸的有效面积A；
V
——液压缸的最大速度。
液压缸的最小流量：
q
=A·V
=0.031m
/s（3-7）
式中：
V
——液压缸的最小速度。
液压缸的最小流量q
，应等于或大于流量阀或变量泵的最小稳定流量。
若不满足此要求时，则需重新选定液压缸的工作压力，使工作压力低一些，缸的有效工作面积大一些，所需最小流量q
也大一些，以满足上述要求。
3.5执行元件材料的确定
本次设计的执行元件为液压缸，液压缸的材料一般有铸铁和无缝钢管两种。
为保证活塞在液压缸内移动顺利，对该液压缸内孔有圆柱度要求，对内孔轴线有直线度要求，内孔轴线与两端面间有垂直度要求，内孔轴线对两端支承外圆的轴线有同轴度要求。
除了这些还特别要求：
内孔必须光洁无纵向刻痕；若为铸铁材料时，则要求其组织紧密，不得有砂眼、针孔及疏松。
3.5.1缸筒材料
由于无缝钢管加工余量小、工艺性能好，生产准备周期短，缸筒材料选35号无缝钢管。
3.5.2活塞材料
活塞材料一般选用耐磨材料，而且要保证活塞材料与缸筒材料不同，因此活塞选用灰铸铁HT200。
3.5.3缸盖材料
液压缸的端盖对于整体液压缸的密封尤其重要，本系统为中压系统，缸盖材料与缸筒要不同，因此选用45号钢。
3.5.4活塞杆材料
活塞杆材料为45号钢，需要先调质处理，表面电镀硬铬用来防锈，表面研磨。
4抗截强度测定装置液压系统设计
4.1确定液压系统方案
本系统为单执行元件，液压缸水平放置可以防止因重力作用使活塞加速下落，使动作平稳，还减少了节流阀的安置。
截割的动作常为周期性的，各机构均有一段间隙时间，因此液压泵的卸荷措施是必不可少的。
机构通过换向阀中位使液压泵的油直接返回油箱。
系统通过主油路的安全阀限压。
抗截强度测定装置由于需要测定不同截割速度下的抗截强度，只借助变量泵即可满足调速要求，因此简单、可靠。
除上述调速方法外，还可调节发动机转速，从而改变液压泵的供油量，这自然是常用的容积调速方法之一。
换向阀采用M型机能三位四通手动换向阀即可。
4.2确定液压油源
4.2.1开式系统与闭式系统的选择
按液流循环方式的不同，液压系统可分为开式系统与闭式系统两类。
在某些情况下，还采用开、闭混合式。
抗截强度测定装置采用的开式系统，其特点是液压泵直接从油箱中吸油，供执行元件使用后又返回油箱，即油液的循环必须经过油箱交换。
开式系统的优点是：
系统结构简单；有一个较大的油箱，能起到良好的自然散热作用，油中污物可在箱中沉淀，降低了滤油器的要求；可采用单泵、双泵或多泵，可以是定量泵或变量泵；系统中各回路之间可以是串联，亦可并联；可以用节流调速，也可用容积调速，或两者兼用。
因此，开式系统构成灵活，调速范围大。
开式系统的缺点是：
油箱的容积较大，油与空气接触，增加了混入空气的机会；为增加系统的稳定性，有时要在回路上增加背压阀，增加了回油阻力；当油泵无自吸能力时，需增设一个流量为主泵流量1.2倍的供油泵。
4.2.2单泵、双泵与多泵系统选择
按系统中主供油泵的数量，可分为单泵、双泵与多泵系统。
单泵系统系统构造简单，造价便宜，维修方便。
但在系统有几个执行元件时，油泵压力必须满足工作压力最高的执行元件的要求，流量也必须满足流量最大的要求，因而不能充分发挥油泵的作用。
单泵开式系统用于无需几个执行元件同时做复合运动的机器；或者虽然机器的几个机构需做复合运动，但总功率和压力不超过油泵能力的工况。
在各负载差别很大、复合运动要求较高的工程机械中，常用双泵或多泵系统。
双泵系统中各泵可单独为某独立机构供油，各机构能互不干扰地同时动作，完成复杂的复合运动，提高作业效率，充分发挥液压泵和电动机的功率作用。
但双泵系统结构复杂，造价较高。
综上所述，抗截强度测定装置采用的是单泵系统。
4.2.3定量系统与变量系统的选择
当系统中使用定量泵和定量马达或液压缸时，称为定量系统；使用变量泵或变量马达时，称为变量系统。
抗截强度测定装置采用的是变量泵，故为变量系统，其特点为在调节范围之内，可以充分利用发动机的功率，但其结构和制造工艺较复杂，成本较高。
4.3拟定液压系统原理图
液压系统原理图是用液压元件职能符号（无职能符号者用结构示意图）表示的系统工作原理图，它能清晰的表示出各元件之间的关系、动作原理、朝中和控制方式等。
拟定液压系统图的依据是机器的技术要求。
能满足同一台机器需要的液压系统原理图不是唯一的，可能因原件供应条件和设计者的观点与水平不同而异，目前尚无成熟的优化方法。
液压系统图如下所示：
1—油缸2—滤油器3—变量泵4—安全阀5—三位四通换向阀
6—双活塞杆液压缸
图4-1液压系统原理图
4.4液压系统工作过程
当换向阀5换到左位时，液压缸6左腔进油，带动截割头进行截割；当换向阀5换到右位时，液压缸6右腔进油，截割头退回左端。
换向阀5换到中位时，液压缸卸荷。
改变泵的排量，使液压缸进行不同速度的伸缩运动，通过截割头上的传感器传向计算机进行计算不同速度下的抗截强度。
4.5换向回路的选择
考虑到该装置在工作进给时候需要承受较大的工作压力，系统功率较大，速度较低。
而在快进、快退时负载较小，速度较快。
从节能，较少发热，系统结构，效率工作压力等方面考虑，泵源系统应选择用轴向柱塞泵。
换向阀用选择手动换向，三位四通，其结构如下图：
图4-2换向阀示意图
4.6液压泵的选择
液压泵的额定压力和流量应满足系统工作压力和流量的要求，其外形尺寸、安装方式、转动方向、工作条件等
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