采煤机液压支架立柱仿真设计.doc

第1章 前言
液压支架以液压为动力实现升降、前移等运动，既能支撑又能维护顶板的支护设备，为采煤工作面综合机械化的主要设备。和刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。
1.1立柱设计的意义
我国是世界主要产煤国家，煤矿总数超过全世界其他所有国家煤矿的总和。综采技术经过30多年发展，积累了丰富的经验，高产高效矿井建设已初见成效。发展综采技术是建设高产高效矿井的重要任务，加大技术改造力度，优化工作面配套、提高设备可靠性、提高开机率是高产高效矿井建设的发展趋势。
我国自70年代初开始大规模引进国外综采设备，发展综合机械化采煤。与此同时，煤炭科学研究院及相关厂矿共同开始了对液压支架的科研和技术攻关，至80年代末，已先后研制成功薄煤层、中厚煤层、厚煤层和特厚煤层综采成套设备和技术，基本上取代了进口，促进了煤炭工业的快速发展。到1997年全国国有重点煤矿综合机械化程度已达到48．38％，相继建成一批高产高效的矿井。国产综采设备的水平有了较大的提高，一些技术指标接近或达到国际先进水平。我国综采设备已开始打入国际市场，先后出口到美国、印度、土耳其、俄罗斯等国家。液压支架是综采工作面的重要设备之一，其投资约占综采工作面成套设备总投资的70％左右，其作用不仅是支护顶板、维护安全作业空间，而且要推移工作面输送机和采煤机。因此，液压支架的性能和可靠性是决定综采成败的关键因素之一。
液压支架与滚筒采煤机(或刨煤机)、刮板输送机、转载机及胶带输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面顶板，隔离采空区，防止矸石窜入工作面，保证作业空间，并且能够随着工作面的推进而机械化移动，不断地将采煤机和输送机推向煤壁，从而满足了工作面高产、高效和安全生产的要求。
在煤矿机械中液压缸的应用比较广泛，掘进机、采煤机的摇臂，刮板输送机的可伸缩机头部分的动作都是靠液压缸的伸缩来实现，尤其是在液压支架中，几乎所有的动作都是通过液压缸（通常称为立柱千斤顶）的往复运动来实现的。一个150米长的综采工作面，一般就有1000多个立柱千斤顶在工作，如果是放顶煤工作面，立柱千斤顶数量则更多。作为液压系统地执行元件立柱千斤顶数量庞大且往复运动次数多，容易出现问题，维护和更换密封所需要的总时间就长，直接影响了开机率和工作面的推进速度。所以，立柱千斤顶的高可靠性是煤矿综采工作面高产高效的前提。
随着煤炭开采技术的发展和国家对煤炭开采回收率的调控，液压支架的开采高度也向两极化发展，薄煤层支架走向越来越低，中厚煤层支架走向越来越高，对支护强度的要求也越来越高，支架适应的煤层倾角也越来越大，支架形式主要的发展趋势是向两柱掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，架型结构进一步完善，设计方法更先进，参数向高工作阻力、大中心距(1.75 m、2m)发展，结构件材料越来越多地采用高强度钢材，例如屈服极限69MPa以上的钢板，支架的寿命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性试验循环次数达50 000次。立柱千斤顶也随之向大缸径、大伸缩比发展，复杂的地质条件对立柱稳定性的要求也越来越高。经统计郑煤机集团近两年生产的产品中，适用于大采高、大倾角、薄煤层的液压支架占了70%左右。
目前，国内的行业标准《MT313-92液压支架立柱技术条件》、《MT97-92液压支架千斤顶技术条件》中对立柱千斤顶的实验要求相对宽松(表一)，总体低于国外标准。国内煤机企业的发展不仅仅局限于国内市场，还要抢占国际市场，产品的性能要经得住国际上其他国家相应标准的检验。立柱千斤顶结构相对比较稳定，进而提出应用现代化软件和手段对千斤顶、立柱进合理分组，建立立柱、千斤顶三维参数化模型，对千斤顶、立柱的安全系数、强度、稳定性等进行计算校核，并开发简单易用的千斤顶、立柱的分析校核软件，为优化立柱、千斤顶结构参数提供理论依据，提高设计效率和缩短加工制造过程，进而为企业创造更大效益。
表1-1：国内立柱千斤顶强度试验标准与欧洲标准对比表
MT97-92
MT313-92
EN1804-2
千斤顶至最大行程，轴向以额定工作压力150﹪加载，保持5min
立柱至最大行程，轴向以额定工作压力150﹪加载，保持5min
工作油缸用其许可压力的80%全部伸出，接着将压力腔闭锁住，然后用一个外力对工作油缸加载，外力大小为许可力的2.0倍或1.5倍(冲击)
千斤顶处于最大和最小长度，分别对活塞腔和活塞杆腔以额定泵压125﹪加载，保持5min
立柱至全行程，活塞腔以额定泵压125﹪加载，保持5min

立柱或支撑千斤顶伸出全长的70～80%且剩余行程立柱≥100mm，千斤顶则≥30mm。用许可压力的60%撑紧并将压力腔闭锁。接着用一个自由落下的物体对立柱和支撑千斤顶进行二次冲击的外加载，对立柱来说，自由落体≥10 000kg；对支撑千斤顶来说≥1 000kg。此时必须达到许可压力值的1.5倍（±5%）。压力从初始值至所要求的最大值的升压必须在最大为30ms内实现。
千斤顶活塞杆处于2/3行程处，活塞腔以额定泵压200﹪加载，保持5min
立柱处于2/3全行程，以额定工作载荷200﹪轴向加载，保持5min

立柱至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心30mm位置，以110﹪额定工作载荷轴向加载，保持5min
在柱顶侧和柱底侧用一种球形推力轴承系统来传递力，那么作用力只偏心加在柱顶侧球头半径的0.3倍处。柱底侧的支承轴承必须对应于柱底形状来设计。柱底支承轴承的直径不得大于立柱或支撑千斤顶直径的25%，压力值需计算

立柱至最大行程，轴向预加额定初撑载荷，以15kN·m能量冲击柱头2次
立柱和支撑千斤顶全部伸出，开始时予加力为许可的立柱力和千斤顶力的10%。必须使立柱和支撑千斤顶的压力腔闭锁住。紧接着通过一个外力使立柱和支撑千斤顶加载至许可的立柱和千斤顶力。该力必须保持住3分钟，而立柱和支撑千斤顶并不让缩

提拉点必须进行加载检验，直至达到许可力的4倍也不允许发生破断。
1.2国内外研究现状
我国目前已经形成一支有一定规模的从事液压支架的设计、研究、制造和检验的专业队伍，积累了丰富的经验，已经开发研制了多种适合我国煤矿不同生产地质条件的液压支架。支架最大高度已达6.3m，最小高度为0.5m；适应最大倾角可达55°；最大工作阻力达10800kN。不仅有用于一般工作面的液压支架，还有用于放顶煤采煤、分层铺网采煤等条件下的特种用途液压支架。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方面提出许多新的要求，促使立柱的结构更加合理和有了很大的发展。
1.2.1结构和功能
(1)单伸缩立柱
结构简单、可靠，属液压无级调高，调整高度方便，但调高范围小，用在调高范围不大的支架上，许多种放顶煤支架装配单伸缩立柱。
(2)机械加长杆双伸缩立柱
结构比较简单，调高范围较大，有液压无级和加长杆有级两种调高方式，使用中经常用液压无级调高。操作人员需根据采煤工作面煤层厚度的变化及时调整机械加长杆的高度（有级调高）以满足支护要求，如果有级调高调整的不及时，会出现支架被压死或顶空的问题。调整加长杆的高度费时、费力。多用于煤层厚度变化较大的中厚煤层支架上。
(3)液压双伸缩立柱
调高范围大，属液压无级调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。该类立柱多用于薄煤层和大采高支架上。由于该类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。
(4)三伸缩立柱
一般为三级液压无级调高，有的在双伸缩立柱上加一段接长杆，主要是为增加立柱的调高范围，以满足某些特殊结构支架对立柱增加调高的要求。国外较早使用了这种立柱，其调高范围很大，但结构复杂，第三级缸内压力很高，对材料和加工都要求很高。目前中国还没有研制这种立柱。
(5)千斤顶的型式很多，大多为单伸缩双作用，个别为单伸缩单作用千斤顶。按进、回液方式可分为外进液和内进液千斤顶，大多为外进液的。按活塞固定方式可分为固定活塞式和浮动活塞式千斤顶，固定活塞式的占绝大多数，只有推移千斤顶中有一部分为浮动活塞式的。按在液压支架上的功能可分为推移千斤顶、侧推千斤顶、前梁千斤顶、护帮千斤顶、伸缩梁千斤顶、平衡千斤顶、防倒千斤顶、防滑千斤顶、调架千斤顶、底调千斤顶、抬底座千斤顶等。用在放顶煤支架的还有尾梁千斤顶、插板千斤顶、拉后输送机千斤顶等。
1.2.2设计方法和手段
国外，从九十年代起已广泛采用三维仿真和光弹模拟技术，并通过建立液支架的整体有限元模型开发出计算机仿真软件系统对支架的受力进行分析，使支架设计与实际工况尽可能的相似，而中国目前上述技术正在研究阶段，也只对特殊支架，如国家重点攻关项目，部分的采用这种技术而大批量常规设计并没有采用。
1.2.3标准和试验要求方面
国际上发达国家对立柱千斤顶所使用的原材料、工艺要求和试验要求等都用大量的标准加以规定，中国也相继制订了多项行业系列标准、企业标准，但试验强度总体讲低于国外标准。特别是疲劳试验，国内千斤顶以额定工作载荷全行程往复运动，累计10000次；立柱升至最大行程，在柱头和缸底同侧偏心20mm，以额定工作载荷连续循环轴向加载，循环次数大于2000次，活塞腔加以背压，大缸活塞杆腔(与小缸活塞杆腔同时)加以泵站公称压力降柱，在空载升柱，循环次数2000次。欧洲标准规定立柱或支撑千斤顶液压行程伸出90%5%。偏心加载进行6000次加载循环，轴向中心加载循环15000次。全伸出状态时的压力检验100次。
1.2.4 操作与控制技术
国产液压支架多采用手动操作，其移架速度为12～20秒，部分支架采用电液控制系统，也是对电液控制部分采用引进的模式。国外支架在液压控制技术上已配置故障诊断的预警装置，可实现液压支架降、移、升和各千斤顶的协同工作以及和采煤机、刮板机的联动和远程控制。
1.2.5制造工艺
(1).缸径：国外已达到Φ500mm 中国目前最大为Φ400mm。
(2).工艺方法：国外对Φ200以内深孔为实现10m长一次加工，并根据需要切割而成。中国目前最长为3m 国外可采用热镦技术加工油缸，即把金属加热至比流动状态低50～100℃时，用万吨水压机沿轴向反复镦冲加工。成型的缸筒有完整的缸底（不需再焊），同时对缸口一般扩孔成型，给缸口加工创造条件。国内基本上采用推镗珩磨或滚压加工缸筒而后焊接缸底的工艺方法。
(3).加工精度
国外一般比国内高一到二级，如活塞的密封面，国内一般为f9,国外则为f8,甚至为f7。
1.2.6其它差别
(1).镀层：国内是锡青铜打底镀硬铬；DBT公司是镀软铬加硬铬，活柱采用化学铍特殊材料，波兰采用不锈钢皮包活柱技术，耐腐蚀性更好。
(2).稳定性：国外活塞和导向套多采用双导向环，稳定性好；国内一般为单导向环。
(3).密封：国内采用单一的橡胶或聚氨酯；国外采用复合密封，接触面硬度较大，耐磨性好，内部为弹性好的材料，通过这种搭配，密封性能和补偿性能强。
(4).材质：国内均为27SiMn，热处理硬度为HB240—280；国外二级缸采用材质较好，热处理硬度在HB320左右，缸壁薄。

1.3 以往立柱千斤顶设计过程存在的问题

1.底阀； 2.外缸； 3.中缸； 4.活柱； 5.导向套； 6.卡键； 7.挡圈
图1-1 双伸缩立柱示例
目前机械设计的手段依然是以平面制图为主，三维制图软件的应用还没有普及，平面图中尺寸与尺寸之间虽然有关联性却没有互动的功能，即图形不能随尺寸驱动。在立柱设计过程中的主要问题是：制图工作量大，设计效率低；图纸更改重复次数多，出错率高；尺寸更改随机性大；强度计算工作量大，计算不全面。
1.3.1 制图工作量大、效率低
在液压支架设计中立柱的设计相对比较精细，图纸量大，尺寸、公差、配合比较严格，如图1所示的双伸缩立柱，一套图纸中不包括密封件和底阀的等外购件就有30张，图纸上沟槽多，配合紧凑，制图工作量大。
现在立柱的设计主要是修改性设计，即找一套相同或者近似缸径的设计图纸，根据需要进行行程调整，实在无法满足性能要求时才对活塞或者导向套尺寸进行优化。图一所示的立柱图纸中与行程相关的零件、组件图有8张，只改动行程就需要相应变动缸体、活塞杆、接头位置等尺寸，由于没有参数化功能，每张图纸都需手动修改，修改工作量大。
1.3.2 图纸更改重复次数多、出错率高
由于立柱关联尺寸较多，平面设计方法需要改动相关联的每一张图纸，重复劳动较多，如图1所示，改动行程修要修改8张图纸，如果改变密封沟槽或者导向套结构，所有的图纸都需要更改。在计算机上频繁的切换图纸、更改尺寸容易产生视觉疲劳，错误出现的几率就大，对于立柱这种关键部件来说，不存在修补的可能，任何一个环节尺寸的推算错误，就会给生产造成巨大损失。
1.3.3 尺寸更改随机性大
改变立柱行程式立柱设计中最简单也是最常用的一种设计方法，在更改过程中立柱闭合长度和行程一起变动，两端的活塞和导向套部份长度不变。但立柱的结构不是一成不变的，适应于大采高和大倾角的立柱侧重于稳定性方面，加大活塞和导向套长度来增长立柱伸出后的重合段，适应于薄煤层的立柱更侧重于大的伸缩比，通过减小活塞和导向套长度来实现，仅调节行程不能满足性能时，立柱设计的工作主要是重新分配两端活塞和导向套的尺寸。这时人为的因素就起了很大的作用，同样的行程和闭合长度要求，不同的人选取的更改位置不同，设计的图纸就会不同，尺寸更改的随机性就大。如果采用参量化的设计方法，只有一个尺寸是开放的，可以更改，其余尺寸是不允许更改的，那么不同的人也能设计出相同的图纸，有利于图纸标准化程度的提高。
1.3.4 计算工作量大、不全面
立柱在设计过程中计算是最大的工作量，在现在的设计中，经验值占了一大部分，一般采用类比的方法，小零件的安全系数不做计算，除非在实践中有损坏现象才去校核，在设计时往往只去计算缸体、活塞杆等关键件的安全系数。对整个设计来说，经验和类比所占的比例较多，设计中有一定的盲目性。解决复杂运算工作量大的问题可以提高计算的普及性。
1.4 立柱和千斤顶在加工、使用中存在的主要问题
煤炭科学院总院北京开采所已设计200余种类型的液压支架，所配用的立柱、千斤顶基本上满足了支架各种要求，但在诸多方面均存在一些问题。为使立柱、千斤顶的结构更加合理，可靠性更高，便于加工、使用和维修，90年代初，在改进结构，并进行标准化、系列化和通用化设计之前，到用户和工厂进行了一次普遍调查，了解到存在的一些主要问题。
1.4.1 加工中的主要问题
（1）使用材料的物理机械性能低于设计要求，有的材料甚至是钢厂的不合格品。
（2）没按设计要求进行热处理或处理的不符合设计要求，有的零、部件的加工精度、粗糙度不够，有的安装中损坏了零、部件，最常见的是密封件损坏。
（3）液压件装配前清洗的不干净，钢屑等脏物划坏密封面和密封件。
（4）外购件不合格。
1.4.2 使用中的主要问题
（1）顶板有异常变化，采煤工作面基本顶来压强烈，对支架有冲击载荷，造成立柱、千斤顶缸内压力过大，安全阀溢流量不够，损坏支架结构件、立柱和千斤顶。
（2）安全阀有锈蚀，煤、岩尘堵塞，开启压力超过设计的调定压力，使支架、立柱、千斤顶过载。
（3）管路系统污染严重，坚硬颗粒擦伤密封面，失去密封性能。
（4）使用的乳化液防腐性能差，使油缸锈蚀严重，不能密封。
（5）长期存放前没有注入防腐性能好的乳化液，造成油缸锈蚀。库房温度过低，油缸中乳化液冻结胀坏油缸（缸径变大）。
第2章 立柱的形式
2.1．液压单伸缩立柱
液压单伸缩立柱的简称为单伸缩立柱，这种立柱只有一段液压行程S，结构简单，性能可靠，伸缩比最小。由于缸径大小不受结构的限制，广泛应用在轻型支架中。单伸缩立柱的主要组成零件是：缸体、活柱、活塞、导向套。
图2-1 单伸缩立柱A型、D型、E型结构

图2-2 单伸缩立柱B型、C型、F型结构
2.2．机械加长杆立柱
机械加长杆立柱简称为加长杆立柱，这种立柱由一段液压行程S1和机械行程S2组成二级伸缩，可靠性高，由于机械加长段伸出和缩回时需要多人配合操作，行程为几段定长没有液压行程调节方便，一般适用于煤层厚度变化不大或者不频繁的工作面或者端头、端尾。主要组成零件是：缸体、开口活柱、加长杆、活塞、导向套。

图2-3 加长杆立柱A型、D型结构

图2-4 加长杆立柱B型、C型、E型结构
2.3．液压双伸缩立柱
液压双伸缩立柱简称为双伸缩立柱，行程S1和S2全是液压行程，伸缩比最大，二级缸的底部装有单向阀，立柱伸出时先出二级缸，伸完后缸体内增压打开底阀活柱伸出；立柱缩回时先缩回二级缸，二级缸全部收回时缸底接触底阀顶杆，打开底阀，活柱开始收回。由于底阀的作用，在工作状态下，二级缸内的压力远远大于外缸内压力，二级缸的强度是双伸缩立柱设计的一个瓶颈。由于伸缩比大，双伸缩立柱广泛应用用于大采高、薄煤层支架，尤其适用于煤层厚度不均或者采煤高度频繁变化的工作面。双伸缩立柱的主要组成零件是：缸体、二级缸、活柱、活塞、导向套。

图2-5 双伸缩立柱A型、D型结构

图2-6 双伸缩立柱B型、C型、E型结构
立柱以缸口的连接形式分类为：螺纹式，卡键式。卡键式拆卸方便但零件琐碎、加工量大；螺纹式加工量小，对设备的精度要求高，目前立柱缸口连接类型正在从螺纹式、卡键式向矩形螺纹发展。

图2-7立柱分类层次图
2.4.组成立柱的主要组件、部件和零件
立柱主要由活柱组件、缸体部件、缸口导向套组件、加长杆组件和中缸底阀等组成。
2.4.1 活柱组件
由活柱、密封件、导向环、活塞导向环和固定连接件组成。
（1）活柱由活塞、柱管和柱头焊接而成。柱塞一般选用40Cr钢，柱管大多选用高强度厚壁无缝钢管，材料可焊性好的调质钢，常用的有27SiMn、25CrMo等；柱头多选用35号等强度高、可焊性好的钢材。组焊后精加工外表面，并要求有较高的光洁度以满足密封性能的要求。柱管工作时经常伸出在外面与采煤工作面的腐蚀性气体、液体接触，有时也会受到某些物件、煤、矸石的砸碰，为适应上述工作环境的要求，柱管表面大都镀乳白铬和硬锘，以增强抗腐蚀、耐摩擦和抗砸碰的能力。
柱塞应具有良好的密封性、可焊性、耐摩性及冲击和振动的性能。
（2）密封件种类较多，常用的形式有鼓形密封圈、山形密封圈和蕾形密封圈。鼓形密封圈耐压力高，可达60MPa，能双向密封，拆装方便，应用较多。主要缺点是高度和宽度都大，影响行程。在双伸缩立柱上使用不够合理，并使柱塞结构复杂，增加制造成本；山形密封圈的断面小，使立柱的结构紧凑，行程增加，并使柱塞的结构简化，造价降低，但安装时需要专用工具，这种密封圈是80年代中期研制的，较鼓形圈出现的晚，但因其优点较多，推广使用的较快；蕾形密封圈状如花蕾，具有耐压高、防挤性能强、密封可靠和寿命长的特点，但由于造价高，使用数量较少。
（3）活塞导向环与鼓形或山形密封圈配合，有防挤、导向和减摩作用，大都由聚甲醛制造。
（4）外导向环直接装在柱塞或装到外卡键上，起导向、减摩作用，由聚甲醛制造。
（5）固定连接件包括支撑环和外卡键。支撑环起托住鼓形密封圈和活塞导向环的作用；外卡键用于固定密封件和导向环，以保证在液压作用下不窜动、不脱落。
（6）限位方式常用的有3种：钢丝限位、限位套限位和柱塞凸台限位。大多数用柱塞凸台方式限位，立柱长度大、行程大时用限位套限位。如下图所示

（a）

（b）

（c）
图2—8柱塞密封、导向及限位方式
a ——钢丝限位；b ——柱塞突台限位；c ——限位套限位
1—外导向环；2—外卡键；3—支撑环；4—活塞导向环；5—密封圈；6—柱塞；
7—缸体； 8—柱管； 9—限位钢丝；10—限位套
2.4.2 缸体部件
缸体主要由缸底和缸筒焊接而成，缸底与支架底座铰接。缸体是立柱主要承载件之一。
（1）缸底大部分采用球头形，少数采用反球头形，这主要是为了减少偏载作用和适应立柱在底座上倾斜布置的要求，大多选用强度高、焊接性能好的35号钢锻造而成。
（2）缸筒需承受高压液体的作用，且要保证工作人员的安全，故要求材料的强度高，一般要求，延伸率大于12%。国内常用27SiMn、25CrMo4等材质的无缝钢管加工而成。缸筒内表面是高压密封面，要求较高的加工精度和粗糙度。我国缸筒内表面一般不镀防腐层，基本上可以满足使用要求。
（3）通液管是缸底通向阀接板的通道，钢管的焊接性能好，材料一般为20号、15号钢，内径为10——16mm，壁厚一般为6mm。当立柱通过胶管与控制块相连时可不需要此钢管。
2.4.3 缸口导向套组件
（1）导向套在活柱升降时起导向作用，与活塞杆间的间隙较小，要承受外载对活柱的横向力，多采用40Cr和27SiMn等材料制造。
（2）导向环多用聚甲醛制造，嵌于导向套内表面的沟槽中。导向环与活柱接触紧密，是一对硬度相差较大的摩擦副，有减摩作用，可防止活柱和导向套相互擦伤。
（3）密封件为单向密封的蕾形密封圈，其上一般装有用聚甲醛制造的起防挤作用的挡圈。
（4）防尘圈用来防止活柱表面的煤尘、岩尘和赃物进入油缸和液压系统，保证密封可靠，减少零件磨损。有JF型和GF型（有骨架）两种防尘圈，现多用JF型。
（5）导向套与缸口连接方式有螺纹连接、卡环连接和钢丝连接3种，前两种连接方式使用较多。
2.4.4 接长杆组件
（1）接长杆用来增加立柱的伸缩值，采用圆钢加工而成。在机械调高的分级部位加工成环形槽，以便扣入承载卡环。加长杆头部结构与尺寸与活柱柱头相同。
（2）卡环是传力件，一般制成半环形，以便于装入加长杆的环形槽中，要求用强度高的钢材加工。
（3）固定连接件包括套在卡环外面起固定作用的钢套和固定钢套的销子。
缸口连接、活柱导向、密封、防尘方式等，如图所示

（a）

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

(g)

(h)

(i)

(j)
图2—9 缸口连接、活柱导向、密封和防尘方式
a 、b –单伸缩内螺纹连接； c 、d –双伸缩内螺纹连接；
e –单伸缩卡环连接；f –双伸缩卡环连接 g –单伸缩外螺纹连接；
h 、i、j –单伸缩弹簧钢丝连接；
1-缸体；2-导向套；3-活柱；4-导向环；5-密封圈；6-防尘圈；
7-连接钢丝；8-卡环；9-挡圈；10-中缸体；11-支撑环
2.4.5 底阀
底阀用于控制双伸缩立柱二级缸与活柱的伸缩顺序，并保持二级缸获得与一级缸相同工作阻力。它是机械开启的单向阀，其液压开启力可以调整，以便保证升柱时首先伸出一级缸，其结构如图

图2—10双伸缩立柱底阀
总结：立柱各部分的特点
组成
基 本 要 求 与 特 点
缸体
缸筒
1. 要求材料强度高，能承受高压，一般要求
2. 要求材料延伸率高，一般，保证缸筒在高压作用下不致发生脆裂，防止井下发生伤人等事故
3. 要求材料可焊性好。国内常用27SiMn、25CrMo4等材料
4. 一般缸筒用无缝钢管，经加工而成。缸筒内表面是活塞的密封表面，所以要求较高的加工精度与粗糙度。我国一般要求配合精度为，表面粗糙度--(--)
5. 缸筒内表面与乳化液接触，要求耐腐蚀，但除特殊要求外，一般无需镀层，便可满足要求
缸底
1. 为减少立柱受偏载作用，以及掩护式与支撑掩护式支架中适应立柱倾角位置的变化，大部分立柱缸底采用球头形式；个别厚煤层支架用立柱缸底则采用反球头形式
2. 要求材料强度高，可焊性好。一般锻压加工而成
活柱
活柱筒
1. 对材料强度、延伸率及可焊性等要求与缸筒的要求相同
2. 大部分是由合金无缝钢管与柱头、活塞缝焊接加工而成，个别小直径立柱的活柱采用圆钢加工而成
3. 活柱外表面必须耐磨、耐腐蚀，要求与导向套的配合精度一般，表面粗糙度为--(--)
4. 表面要有防腐耐磨镀层。常用的为双层镀铬，如先镀乳白铬，后镀硬铬，可用铜打底，镀硬铬或镀铜等
活塞组件
活塞
1. 要求活塞组件具有良好的密封性能、耐磨损性能及承受外力的冲击和振动等性能
2. 大部分立柱的活塞直接焊在活柱上，零件少，密封环节少，可靠性高
3. 个别采用小断面密封件的双伸缩立柱活塞直接在活柱筒上加工而成，没有专门的活塞
4. 个别立柱采用组装活塞式结构，零件多，增加了密封环节。大部分用于各类千斤顶，目前应用较少
密封圈
1. 鼓形密封圈。它是由两个夹不U形橡胶圈中间夹一块橡胶压制而成的整体实心密封圈。这种密封圈的优点是耐压力高，可适应工作压力2—60MPa；可以双向密封，装拆方便，活塞结构简单，应用较多。主要缺点是断面较大，影响立柱行程的发挥，用于双伸缩立柱时不太合理，其密封圈的制造比较复杂
2. 山形密封圈。它是一种山字形小断面橡胶密封圈，主要优点是除了能满足鼓形密封圈的各种性能之外，外形尺寸与断面较小，因此可保证立柱结构更合理紧凑，多用于双伸缩立柱的活塞密封
3. 梯形密封圈。这也是一种类似于山形密封圈的小断面纯橡胶密封圈，其优点与山形的相似，多用于双伸缩立柱
导向环
1. 与鼓形密封圈相配合的为LW型活塞导向环，双向都有。一般由聚甲醛制成。其功能有防挤、导向及减磨
2. 与山形密封圈相配合的为双向聚四氟乙烯挡圈与聚四氟乙烯楔形支承环
3. 与梯形密封圈相配合的双向聚甲醛导向环
限位方式
1. 限位结构的功能是增加活柱与缸体的重合段长度，保证立柱的最大行程高度时的稳定性与安全可靠性
2. 常用的有钢丝环限位，距离套限位等方式，或者根据结构允许无限位，即直接用活柱台阶或活塞限位。其中后两种限位方式比较可靠，应用较广
连接固定
1. 卡键连接固定
连接卡键为剖分式结构，便于装拆。用于在轴向将密封、导向组件等固定，以便保证在压力作用下不窜动，不脱落，保证可靠的密封与导向。多用于焊接活塞结构，也用于组装活塞结构
2. 螺钉压帽固定
多用于组装活塞结构。一般用螺母压紧固定，用螺钉与防松堵防松
缸口导向组件
导向套
1. 导向套在活柱升降时起导向作用。它与活塞杆表面既要紧密接触又要动作灵活，同时要承受住由外部载荷对活塞杆形式的横向压力、弯曲及振动等影响
2. 目前多采用聚甲醛的DM导向环压装到导向套内。导向环与活柱之间无间隙，而导向套内孔与活柱之间则留有间隙。导向套也可采用铜合金等材料制做，目前使用较少
密封圈
1. 蕾形密封圈。它是由一个夹布U形橡胶圈与唇内夹橡胶压制而成的单向实心密封圈
2. 蕾形密封圈密封可靠，适于工作压力<60MPa；装配方便，但密封圈本身的加工较复杂
3. 某些情况下，双伸缩立柱也采用小断面密封件，使结构紧凑
4. 固定密封，一般采用O形密封圈加挡圈
防尘圈
1. 防止活柱上的粉尘赃物带入油缸，保证可靠密封，减少零件磨损
2. 一般有JF型橡胶防尘圈与GF型骨架式防尘圈可供选用。后者不易翻出，可靠性好，但成本较高
缸口连接
1. 螺纹连接，结构简单，连接可靠，但加工困难，而且在井下使用久了容易生锈，拆装不方便
2. 钢丝连接，结构简单，但装拆较麻烦，耐压不高
3. 卡环连接，结构较复杂。主要传力件是卡环。为安装方便，采用割分结构，缸口尚需固定。这种结构耐压高、装拆容易
机械加长
加长杆
1. 为优质圆钢加工而成。在机械调高的分级部位加工出卡槽
2. 带机械加长段时，柱头与加长杆为一体，要求其结构尺寸与活柱头相同
卡环
1. 卡环是传力件，要求强度高，端面平行度好
2. 一般卡环为两个半圆环，以便装入加长杆的卡槽内
固定连接
一般包括套在卡环外面的钢套、销轴等，用作限位固定
底阀
1. 作用：在双伸缩立柱中控制二级缸与活柱的伸缩顺序，并保证两极缸获得相同恒定工作阻力
2. 原理特点：是机械（顶杆）控制的一种单向阀，其开启压力可以调整，以便保证升柱时首先动作一级缸
其它连接件
1. 立柱的进液连接大都采用外进液方式，即接头布置在油缸体上。这种方式结构简单，加工方便，但在搬运中要注意砸坏接头与管子
2. 内进液是指接头均布置在活柱上，活柱内焊钢管或打长孔。这种方式结构紧凑，搬运时不易损伤，但加工

第3章 立柱的设计与强度计算
随着煤炭行业的快速发展，煤机制造行业技术的飞速提高，对液压支架的要求也越来越高了，目前我们已能生产双柱支护强度为10800KN，支护高度达6.3m的液压支架，以无法同以前类比设计的方法进行有效的设计，而必须立足于我国现有的材料和工艺为基础，进行创新设计。
3.1 立柱计算原则
液压支架立柱的受力状态随工作面地质条件的变化而变化。立柱是液压支架的主要承载部件，其受力状况也随着夜压支架的变化而改变，因而，根据立柱的实际受力工况对立柱进行受力分析是不现实的。立柱的室内型式试验规范是综合了矿压、立柱实际使用条件、支护系统特征等因素对立柱承载能力提出的要求，因而，进行立柱设计时，一般按照型式试验规范的加载方式作为边界条件进行计算。我国现实行的标准还是MT313—92标准，但新的立柱试验标准讨论稿已于2006年11月向各煤机生产企业及煤机使用企业发出，该标准主要是在兼顾我国生产基础的条件下，参考欧洲现有的1804—2标准提出的，相对的试验条件比现有的313—92标准更为苛刻。具体表现为以下几个方面
MT313—92标准中对立柱进行室内型式试验时，要求立柱在最大高度条件下必须满足以下三个条件：
1) 能承受倍的额定载荷作用；
2) 两端同侧偏心30mm，能承受倍额定载荷作用。
3) 耐久性试验的次数为不少于2000次及累计行程不少于300m，要求立柱底阀开启。
讨论稿中依据的欧洲标准对立柱的试验时，要求立柱在最大高度条件下必须满足以下三个条件：
1) 能承受2倍的额定载荷作用。
2) 一端对中一端偏心，偏心的距离按照立柱球头的半径来定为，能承受倍额定载荷作用。
3) 耐久性能的试验次数为偏心加载6000次，要求立柱底阀开启；对中加载15000次，加载载荷为倍额定载荷作用。
对于这两个标准的比较，一般应采用新的试验标准的载荷条件要求对立柱强度校核。
3.2 立柱设计
立柱是液压支架的主要承载与高度调节件。它除了要具有较高的承载能力外，还应有较大的伸缩行程，以满足支架工作高度的要求。在厚煤层开采中，为了增大支架对煤层厚度变化的适应性，常需使支架的伸缩比较大。此时，单伸缩立柱就难以满足要求。虽然采用在支架上装设机械加长杆的方法，在一定程度上可以扩大其调高范围。但机械加长杆在安装后就成为固定活塞杆，需要调节时装拆比较困难。目前，在国内外一些大高度的新型支架上日益采用伸缩式立柱。由于本设计的采高的变化范围较小，因此采用单伸缩立柱结构。
3.2.1立柱缸筒内径的确定
立柱缸筒内径按下列公式计算：
（3.1）
式中：——立柱缸筒内径，；
F——支架承受的理论总载荷力，;

——安全阀额定工作压力，，已知 ；

圆整，取。
3.2.2泵站压力的确定
本设计选用型乳化液泵站，压力，考虑各种损失，按计算。
故取
3.2.3立柱初撑力的计算
（3.2）
式中：——立柱初撑力，;
——泵站压力，。
代入相关数据，得：

3.2.4立柱工作阻力的计算
（3.3）
式中：——单根立柱工作阻力，；
——安全阀额定工作压力，。
代入相关数据，得：

3.2.5立柱缸筒壁厚的计算
支架立柱的壁厚一般为 ,即中等壁厚，按下式计算：
（3.4）
式中：——缸内工作压力，；
——考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取；
——强度系数，无缝钢管取；
——缸体材料许用应力，，缸体选用，
——立柱缸筒内径，。
代入相关数据，得：

圆整，取
故缸筒外径
缸筒内径
3.3立柱强度验算
3.3.1立柱缸筒强度验算
1.缸体壁厚验算
对最终采用的缸筒厚度应作四方面的验算：
A）额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全：

B）同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生；

式中：——缸筒发生完全塑性变形的力
由于
故
——缸筒材料屈服强度（MPa）
C）此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内：

式中：——缸筒耐压实验压力（MPa）

——缸筒材料弹性模数（MPa）
合金钢取
——缸筒材料泊桑系数
钢材取

查相关手册得该型密封圈的变动范围为5.1mm
故变形量不超过密封圈允许范围
D）最后，还应验算缸筒的爆裂压力

式中：——缸筒材料的抗拉强度

由于
综合以上，所选缸筒厚度符合要求
3.4一级缸的相关计算
3.4.1一级缸的外径的确定
根据缸筒的内径和密封手册，取
3.4.2一级缸壁厚的计算
支架立柱的壁厚一般为 ,即中等壁厚，按下式计算：
（4.4）
式中：——缸内工作压力，；
——考虑管壁公差即侵蚀的附加厚度，一般取；
——强度系数，无缝钢管取；
——缸体材料许用应力，，缸体选用，
——立柱缸筒内径，。
代入相关数据，得：

圆整，取
故缸筒外径
缸筒内径
3.5一级缸的强度验算
3.5.1一级缸强度验算
1.缸体壁厚验算
对最终采用的缸筒厚度应作四方面的验算：
A）额定工作压力应低于一定极限值，以保证工作安全：

B）同时额定工作压力也应与完全塑性变形压力有一定的比例范围，以避免塑性变形的发生；

式中：——缸筒发生完全塑性变形的力
由于
故
——缸筒材料屈服强度（MPa）
C）此外，尚须验算缸筒径向变形应处在允许范围内：

图4-11 L5段挠度曲线图
该图表明外缸的挠度及转角的变化情况，最大挠度出现在外缸的头部为，最小挠度在外缸的底部为，符合边界条件，挠度变化为。最大转角出现在外缸的头部为，最小转角出现在外缸底部为，转角变化为，从结果看外缸的刚性界于活柱与中缸之间。
从计算的结果还可以得出，立柱在偏载的作用下的总体变形情况为两头高，中间低的拱形。
依据临界力的计算公式，也可以计算出，该立柱的临界力为35243KN，安全系数达6.5。符合工程设计要求。

第5章 基于Matlab软件的中缸的受力分析
MATLAB语言是美国Mathworks公司研制开发的大型计算软件，自1985年问世以来，特别是1993年4.x Windows版本的出现，使得MATLAB语言的使用获得了巨大的发展。现在的主流版本已支持64位的Matlab 2006版。它的强大的矩阵处理与运算功能、丰富的图形绘制能力深受用户的青睐。该软件有着良好的输入输出接口，兼容C，C++等高级语言，有大量的数学原函数库，在