单体液压支柱优质毕业设计.doc

设计任务书内容
1. 支柱设计——专题部分
设计支柱总体结构，绘制支柱总装配图1张；
支柱关键零件设计计算
①校核支柱稳定性；
②校核中心加载、偏心加载时油缸、活柱强度；
③校核底座、挡环、限位台阶强度；
④完成复位弹簧造型设计

2. 三用阀设计
设计三用阀结构、绘制三用阀装配图；
完成关键零件设计计算；
①单向阀设计计算；
②卸载阀弹簧造型设计；
③安全阀弹簧设计；
④强度校核
3. 其它
绘制部分零件零件图；
编写毕业设计计算说明书1份；

计算和说明
结果
1. 设计参数和设计规范
1.1设计参数
支柱使用乳化剂10%-20%乳化液。设计参数以下：
工作载荷：25T，工作液压：318kgf/，初撑力7.85T，最大高度：2540mm，最小高度：1700mm，泵站压力：100kgf/，三用阀距顶梁距离：537mm。
1.2 设计规范
单体液压支柱：
支柱在最大高度时，中心加载为额定工荷1.5倍时，支柱不得失稳;
支柱在最大高度时，两端铰接，中心加载为额定工作载荷1.5倍时，其危险断面上最大广义应力满足;
支柱在最大高度时，两端铰接，同侧偏心50mm。加载为支柱额定工作载荷时，其危险断面上最大广义应力应小于材料许用应力； 强度校核时认为有初挠度，支柱压缩至最小高度，轴向加载为额定工作载荷两倍时，油缸压力许可保持至安全阀关闭压力，加载5分钟，各个零件不得有任何破坏欲变形；
升柱速度大于60mm/s，降柱速度大于40mm/s
三用阀：
单向阀开启压力。安全阀最大流量3L/min，安全阀最大流量时许可压力增高值为额定工作压力25%；
支柱升柱时间，降柱时间<20s；卸载手把作用力；在压力下，卸载阀不许渗漏。

目 录
第 1 章 概论 1
1.1中国煤层贮存情况 1
1.2用途 1
1.3适用范围 2
1.4单体液压支柱发展概况 3
1.4.1中国外单体液压支柱发展趋势 3
1.4.2使用单体液压支柱突出优点 4
第 2 章 总体和关键零件设计 5
2.1单体液压支柱工作原理、结构和方案比较 5
2.1.1外注式单体液压支柱 5
2.1.2内注式单体液压支柱 6
2.2 材料确实定 9
2.3单体液压支柱关键零件尺寸计算 10
2.3.1 液压缸尺寸计算 10
2.3.2 缸盖尺寸计算 11
2.3.3 活塞杆尺寸计算 12
2.4.4 活塞尺寸计算及加工要求 13
2.3.5 柱头设计 16
2.3.6 铰接顶盖设计 16
第 3 章 关键零部件强度和稳定性验算 17
3.1 缸筒及活塞杆中心加载强度校核 17
3.1.1 支柱稳定性校验 25
3.2 偏心加载缸筒及活塞杆校核 26
3.2.1偏心加载时缸筒及活塞杆强度校核 26
3.2.2 支柱稳定性校核 33
第 4 章 其它零件校核和复位弹簧设计 34
4.1复位弹簧设计计算 34
4.2 其它零件强度校核 37
4.2.1 手把体挡环和限位台阶强度校核 37
4.2.2 校核底座和活塞接触时强度 38
第 5 章 三用阀设计 39
5.1 单向阀设计计算 40
5.2 卸载阀设计计算 46
5.3安全阀弹簧设计计算 57
第 6 章 支柱拆装和试验 61
6.1三用阀组装 61
6.2支柱组装 62
6.3支柱拆卸 63
6.4试验 63
6.5使用注意事项 64
6.6支柱故障和维修 65
6.6.1常见支柱故障及排除方法 65
6.6.2 维修注意事项 69
第 7 章 其它 70
经济分析 73
结 论 74
致 谢 75
参考文件 76

计算和说明
结果
第 1 章 概论
1.1中国煤层贮存情况
中国是煤炭资源最为丰富国家，煤炭储量和产量占世界第一位。煤炭已经成为中国所依靠关键能源。中国煤炭资源分布地域极广，煤层贮存情况也各式各样，关键有以下多个特点：
1、从围岩和煤层贮存关系上来说，中国不仅有贮存在软岩顶板下煤层和通常顶板条件下煤层，还有赋存在坚硬顶板条件下煤层。坚硬顶板下煤层开采难度相当大，常常有几千平方米悬顶出现，一旦垮落即可造成严重事故。
2、从煤层贮存地质条件来说，因为地质条件复杂，由地壳运动而造成被断层破坏煤层较多。在一块煤田中，总有几条贯穿整个煤田、大落差断层，至于较小断层更是层出不穷。
3、从煤层本身贮存条件上来说，在中国境内煤层有近水平煤层，有倾斜煤层，有急倾斜煤层，还有直立倒转煤层；不仅有相当稳定大片煤层，也有像中国南方“鸡窝”状贮存煤层。
能够看出，中国是世界上煤层贮存条件最为复杂国家。在开采实践过程中，工程技术人员所碰到困难和处理困难方法是全世界绝无仅有。近几年煤矿冒顶事故频繁发生，所以，单体液压支柱在采矿工业中是很关键。它保障着国家财产和人员生命安全，尤其在大倾角煤层中，更能表现它关键性。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善——采取防倒式顶盖。
1.2用途
外注式支柱是一个外部供液恒阻式单体液压支柱。它可和金属顶梁配套使用，也可单独做点柱用，供煤矿通常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它临时性支护。

计算和说明
结果
1.3适用范围
外注式支柱使用于下列煤层条件：
1、煤层倾角大于急倾斜回采工作面。
2、煤层顶、底板条件
（1）工作阻力为245KN支柱，底板抗压强度应为28MP以上。如底板较软，支柱压入底板深度以不恶化顶板完整性及不影响支柱回收为限，不然，应采取“穿鞋”或加大底座等方法。
（2）适适用于一人工作时进行支护作业。
（3）顶板冒落情况很好，冒落后不影响支柱回收。
（4）在分层开采人工假顶工作面或地质结构较复杂条件下使用时，应采取安全方法。
（5）在煤质较软爆破采煤工作面使用时，应对活柱体外表面采取保护方法，以防崩坏。且不能当贴帮柱用。
本支柱不宜使用在下列条件工作面：
3、煤质较硬炮采工作面，和周期来压尤其强烈或有冲击地压工作面。
4、工作面采高太低，不能确保顶板下沉后支柱安全回收所需最小高度。
5、不一样工作特征或不一样工作阻力支柱，均不能在同一工作面混用。

计算和说明
结果
1.4单体液压支柱发展概况
1.4.1中国外单体液压支柱发展趋势
现在，中国煤矿回采工作面支护装备，除一部分整体自移式液压支架外，关键仍使用六十年代早期发展摩擦式金属支柱，用这种支柱装备回采工作面产煤量约占百分之七十以上。六十年代早期，回采工作面几乎全部使用木支架。当初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替换木支护，并经历了大约三年时间大量推广应用。其最突出效果之一是大幅度降低了木材消耗。和此同时，也促进大家认识到矿山支护是一门综合技术，和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作用。中国在六十年代已开始了液压支柱研究，经过一度中止后，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，进行了技术判定，现已经投入成批生产，并正在有计划逐步进行回采支护更新换代工作。近几年中国大量实践证实，使用单体液压支柱有着良好技术经济效果，适合国情，适应煤矿具体情况，是进行回采支护第二次技术改革一个方向。不过在大倾角煤层支护作业中，使用通用式顶盖还是含有一定缺点。所以，此次设计关键针对这一问题进行处理和改善。国外关键产煤国家中，单体液压支柱曾经在回采工作面广泛采取，最早研制、使用国家（如英国）在四十年代后期就已经有产品问世。其后，联邦德国、日本、波兰、苏联等国家在五十年代相继采取，如联邦德国萨尔矿区大致经历十年左右时间在条件适应工作面基础上全部使用。从1956年到1963年，使用单体液压支柱产量达84.8%，五年左右时间内使用量增加了7～8倍。国外单体液压支柱使用情况表明，在六十年代早期技术即达成成熟阶段。

计算和说明
结果
1.4.2使用单体液压支柱突出优点
1、初撑力高
通常地，初撑力能够达成7～10t，为摩擦式金属支柱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、恒阻性能
在较小顶板下沉量情况下，支柱即可达成额定工作阻力，并保持恒阻特点（摩擦式金属支柱在顶板下沉量大，支柱下缩到100mm至400mm以上时才能达成最大工作阻力）。显然，单体液压支柱能很快达成较高工作阻力，大大改善了顶板维护情况。
3、支柱承载力均匀
初撑力大和恒阻特点，使各支柱能较均匀承受载荷，这是优于摩
擦式金属支柱关键特点，对保持中等稳定以下工作面顶板完整是十分有利。
4、支、撤速度快
单体液压支柱升柱和降柱，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和支设作业，其速度通常比摩擦式支柱提升一倍左右。
5、促进安全生产、降低辅助材料消耗
因为初撑力高和顶板接触严实，回撤和支设速度快，控制顶板效果好，提升了工作面推进速度，冒顶事故显著降低，促进了安全生产，对应地降低了木材消耗。

计算和说明
结果
第 2 章 总体和关键零件设计
2.1单体液压支柱工作原理、结构和方案比较
2.1.1外注式单体液压支柱
额定工作阻力为245～294KN，现在投入生产共12种规格。其关键特点为：工作介质乳化液由远距离液压泵站经过橡胶管路，经专用注液枪注入缸体。升柱靠乳化液泵站压力供给，降柱利用活柱体自重和复位弹簧进行。回柱时，柱内乳化液需排出柱体，每支设一根支柱需排出一次乳化液。
外注式单体液压支柱关键优点是，结构比较简单，零部件少，易于维修。支柱关键部件是三用阀，组装于一体，拆装便利，井下通常可立即拆换。初撑力靠泵站压力取得，可靠性高。另外，因为以泵站压力来升柱，升柱速度高于手工作业内注式液压支柱，通常要高3～4倍，所以能提升支柱支设效率。外注式支柱因为靠外部供液和零件少，使支柱自重减轻了5kg，大大降低了工人劳动强度。
这种支柱关键缺点是：工作液来自外部，要配置全套乳化液泵站，而且从泵站到工作面一端要装设高压胶管干线，从管路干线到支柱注液口要接通联接注液枪高压胶管支线，形成了一套管路系统。离开了泵站和管路系统外注式液压支柱就不能单独使用。外注式液压支柱回柱时，因为必需将内腔乳化液排放到外面，每一棵支柱回撤一次必需从柱内排放1～2kg乳化液，而且不能回收复用，所以增加了成本。排出乳化液流失在工作面底板上，还会使底板岩面（尤其是泥质页岩）膨胀变软，支柱底座易插入，不能很好地发挥支护效果。

计算和说明
结果
2.1.2内注式单体液压支柱
额定工作阻力为245KN，现在投入生产共9种规格，工作介质为乳化液。回撤支柱靠油缸中液压油流向活柱内腔形成闭路循环。由内柱式支柱本身手摇泵进行升柱，初撑力大小由人力操作手柄来决定。降柱则靠支柱活柱自重进行。柱体内腔液压是闭路循环系统，不需要外部供液。支柱活柱上升高度由柱体内贮油量多少来决定。支柱安全阀、单向阀、卸载阀分别装设于不一样位置，不能在井下随时调换。
内柱式支柱关键优点是：因为支柱本身进行液压油循环，不需从外部供液，节省了全套泵站及管道系统，支柱本身能够独自使用。内注式支柱三用阀是分别装设在支柱内腔，能够预防煤粉等外界赃物污染，阀类性能不易受损；内注式支柱液压系统形成闭路循环，仅需补充微量油耗，不会向柱体外部排出油液，既节省了油液，也不会浸湿底板，劳动条件也有所改善。
内注式单体液压支柱关键缺点是：支柱结构比较复杂，内腔中零部件多，加工量和加工难度较大，维护和检修工作量大，内部零件损坏时，必需运至地面进行检修；靠手摇泵升柱，初撑力大小差异很大，不轻易确保有较均匀初撑力；人力摇动手柄升柱速度较慢，通常地每摇一次手柄升柱形程约20～30mm；自重也较大，比同类型外注式液压支柱自重增多了3～5kg。
两种类型支柱有不一样特点，也各有不一样优缺点，各矿区应依据自己具体条件并结合积累经验综合分析，依据矿井地质条件和生产工艺选择外注式单体液压支柱。

计算和说明
结果
外注式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、活塞等关键零部件组成，其特征曲线图2-1所表示：

图2-1-1
1、工作介质
外柱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、动力起源
外注式工作介质是由设在巷道中泵站经高压软管、注液枪等组成管路系统供给，并由泵站确保支柱一定初撑力。
3、降柱方法
通常靠活柱自重和复位弹簧降柱。
4.缸筒结构分析
缸筒结构多样通常依据缸筒和端盖链接型式选择，而连接形式又取决于额定压力、用途和使用环境等原因。
1） 法兰连接 结构简单已加工，易装卸。但质量比螺纹连接大，但比拉杆连接小，外径较大。

计算和说明
结果
2） 内、外螺纹连接 重量较轻，外径较小。但端部结构复杂，装卸时要用专门工具，拧端部时有可能把密封圈拧扭。
3） 外半环连接 重量比拉杆连接轻但缸体外径要加工，半环槽消弱了缸体对应地要加厚缸壁厚度。
4） 内半环连接 结构紧凑、重量轻不过安装时端部进入缸体较深，密封圈有可能被进油孔边缘擦伤。
5） 拉杆连接 缸体最易加工、安装拆卸、结构通用性大但重量较重外形尺寸较大。
6） 焊接 结构简单尺寸小但缸体有可能变形。
7) 钢丝连接 结构简单、重量轻、尺寸小。
依据以上分析并结合实际工作环境和要求单体液压支柱底部采取钢丝连接。

计算和说明
结果
2.2 材料确实定
矿用单体液压支柱对缸筒性能要求含有1.足够强度，能长久承受最高工作压力里短期动态试验压力而不致产生永久变形。2.有足够刚度，能承受活塞侧向力和安装反作用力而不致产生弯曲。3.内表面在活塞密封件及导向环摩擦力作用下能长久工作而磨损小，尺寸公差等级和形位公差等级足以确保活塞密封件密封性。4.需要焊接缸筒还要要求含有良好可焊性，方便在焊接不产生裂纹和过大变形。
依据以上要求可选择27SiMn作为缸筒和活塞杆材料，材料处理工艺以下：
活柱：水淬，回火，HB260~290。
油缸：水淬，回火，HB280~320。
查《机械零件设计手册》表3-11得：27SiMn具体参数，，， 。

材料-27SiMn

计算和说明
结果
2.3单体液压支柱关键零件尺寸计算
2.3.1 液压缸尺寸计算
依据公式
取D=max｛D，｝圆整使其符合标准值，查《机械设计手册-液压传动》表21-6-2，取D=100mm。
因为单体液压支柱受交变载荷依据《机械设计手册-液压传动》表21-6-8选择安全系数n=1.5，则许用应力。
依据《液压工程师技术手册》表3.3-42，按重载型液压缸设计得壁厚。
故液压缸外径。
缸筒惯性矩

缸筒制造加工要求：缸筒内径D采取H8级配合，依据《机械零件设计手册》表2-73查得；缸筒内径D圆度、锥度、圆柱度公差小于内径公差二分之一；缸筒直线度公差在500mm长度上小于0.03mm；为便于安装和不损坏密封元件缸筒内孔口应倒角。

缸筒内径
D=100mm

壁厚

缸筒外径

缸筒惯性矩

计算和说明
结果
2.3.2 缸盖尺寸计算
因为缸盖受压较小可选择45号钢铸造。
45号钢参数以下：、
a． 缸筒底盖设计 为获取较大底部表面积，采取拱形底部。其厚度设计公式以下：
设底盖高度H/缸底外径=(0.2~0.3)，得H=（25~37.5）取H=35mm。
，考虑加工复位弹簧挂钩取。
其中：--系数，当初，。考虑底部受压较大取2。
底部圆半径。
过分圆半径。
初选缸筒长度
b． 支柱手把设计 手把是缸筒上端盖，有对活塞杆导向功效和安装密封件承载体。
因为手把体手侧压且受力较底盖较小。可类比设计选择壁厚为5mm。
缸筒底盖和缸筒配合处表面粗糙度及加工工艺：缸盖内孔尺寸公差二分之一取H8，粗糙度不低于0.8；缸盖内孔和止口外径D圆柱度误差小于直径公差二分之一，轴线圆跳动在直径100mm上小于0.04mm。
最大行程S=840mm。导向长度。

底盖高度

活塞行程

导向长度

计算和说明
结果
2.3.3 活塞杆尺寸计算
矿用单体液压支柱因为搬动性强、承受压力大故在强度许可下尽可能降低重量。所以，活塞杆采取空心活塞杆设计。设计以下：
因该单体液压支柱为高压设备，工作液压
又不考虑单独设计导向环，故可选择活塞杆外径靠近缸筒内径而且同时考虑密封元件尺寸选活塞杆外径=0.095m。
考虑缸口要留限位台阶，台阶长度
活塞杆内径尺寸计算：依据抗压强度设计，空心活塞杆内径。
，暂取75mm。
活塞杆惯性矩

活塞杆制造加工要求：
1.缸筒内径D采取H8级配合，表面粗糙度Ra值通常为0.16~0.32um，需进行研磨。
2.热处理：调质，硬度241-285HB。
3.缸筒内径D圆度、锥度、圆柱度公差小于内径公差之半（在图上注出数字）。
4.缸筒直线度公差在500mm长度上小于0.03mm。
5.缸筒端面对内径垂直度公差在直径100mm上小于0.04mm。

尺寸和装配方法初选活塞杆长度。活塞杆内径尺寸计算：依据抗压强度设计，空心活塞杆内径。
，暂取54.mm。
依据已知条件验算活塞杆弯曲稳定性，因为液压缸支撑长度大于（10~15）d且受力全在轴线上，验算以下：(1)
活塞杆横截面惯性矩：

活塞杆制造加工要求：
1.缸筒内径D采取H8级配合，表面粗糙度Ra值通常为0.16~0.32um，需进行研磨。
2.热处理：调质，硬度241-285HB。
3.缸筒内径D圆度、圆柱度公差小于内径公差之半（在图上注出数字）。
4.缸筒直线度公差在500mm长度上小于0.03mm。
5.缸筒端面对内径垂直度公差在直径100mm上小于0.04mm。

活塞杆外径
内径

活塞杆惯性矩

计算和说明
结果
2.4.4 活塞尺寸计算及加工要求
活塞是支柱活柱体和液压缸之间密封零件，当支柱受力时承受一定载荷和弯矩。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。它经过活塞连接钢丝和活柱体相连接。活塞起活柱导向和油缸密封作用。活塞依据密封装置形式来选择其结构形式，而密封装置则按工作压力、环境、介质等条件来选定。
（1）材料 活塞材料通常不一样于缸筒材料，选择45钢。
（2）加工要求
活塞最大外径依据油缸内径所得，但不能完全等同和油缸内径，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。活塞和活柱接触尺寸依据活柱内径所得，其它凹槽尺寸计算原理同手把体一样，全部是依据密封结构形式来确定。
活塞通常分整体式活塞和组合式活塞两类，整体式活塞在活塞圆周上开沟槽，安置密封圈，结构简单，但给活塞加工带来困难，密封圈安装时也轻易拉伤和扭曲。组合活塞结构多样，关键由密封形式决定。组合活塞大多数能够数次拆装密封件使用寿命长。伴随耐磨导向环大量使用，多数密封圈和导向环联合使用，大大降低了活塞加工成本。故，选择组合式活塞。
因为活塞在液体压力作用下沿缸筒往复滑动，所以她和缸筒配合应合适，既不能过紧也不能间隙过大。配合过紧，不仅是最低开启压力增大，降低机械效率，而且轻易损坏缸筒和活塞滑动配合表面，间隙过大会引发液压缸内部泄露，降低容积效率，使液压缸达不到要求设计性能。所以活塞外径配合通常采取f9，外径对内孔同轴度公差小于0.02mm，断面和轴线垂直度公差小于0.04/100mm，外表面圆度和圆柱度公差通常小于外径公差二分之一，表面粗糙度视结构形式不一样而异。活塞宽度B由经验公式取，考虑活塞导向长度选B=70mm。

活塞宽度

计算和说明
结果
活塞密封沟槽设计：依据液压缸内径及资料臧克江《液压缸》表3-19
选择Yx和O型密封圈密封具体沟槽尺寸以下图：

查表得：d1=88mm，B1=18mm ，n=5，沟槽深度b=6mm,倒角C=45度。
挡环厚度T=B1-H1=18-12.5=5.5mm。查《机械零件设计手册》表
相关活塞O型密封沟槽：通常情况下，沟槽宽度是密封圈截面直径1.3~1.5倍，选择密封圈截面直径为2.65mm。因为该密封是静密封需要较大压缩量故取大值，取4mm。深度由查资料臧克江《液压缸》表3-17得沟槽深度l=2.07mm。活塞设置尼龙耐磨环，具体参数以下：

查耐磨环规格表得耐磨环沟槽尺寸以下：
B1=105mm，W1=2.5mm，F1=8.1mm，T=7.9mm，Z=2mm，S=0.3。

计算和说明
结果
则有缸筒和活塞杆长度：

其中：h—限位台阶长度
--活塞和缸筒有效接触宽度
--底盖突台到底盖上端口距离

活塞杆长度
缸筒长度

计算和说明
结果
2.3.5 柱头设计
柱头上承接顶盖下接活塞柱中部安放三用阀，柱头和活塞杆一样含有受压作用，柱头不许可用铸造方法生产零件替换，则可依据类比设计出柱头厚度=10mm，具体尺寸见图。
2.3.6 铰接顶盖设计
在大倾角工作面中单体支柱倾倒和下滑问题一直全部很严重,顶板冒落甚至大面积垮落事故时有发生,严重威胁着工作面安全生产。改善单体液压支柱顶盖结构将有利于改善以上多个情况，所以，我采取了防倒式顶盖。防倒顶盖基础结构图所表示,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。防倒顶盖替换一般顶盖后,经过楔卡卡住顶梁底部π型扁钢,实现支柱和顶梁相互联接。因为两只楔卡均带有斜度,所以安装时能够相互砸紧。回柱时,只须锤击楔卡小端,使楔卡张开,脱离顶梁,便可按正常程序回拆支柱。防倒顶盖和顶梁联接后,限定了支柱和顶梁支设状态。
顶盖是可更换件。它经过三个弹性圆柱销和活柱体柱头（或接长柱筒）连接在一起，将顶板岩石压力传输到支柱上，并利用四爪和楔卡预防顶板来压时支柱滑倒失效。
尺寸计算
楔卡高度是由顶梁厚度、宽度和煤层角度所决定；
h=a+c+b×tanα
式中 h——楔卡高度；
a——楔卡厚度； c——顶梁厚度；
b——顶梁宽度； α——煤层倾角。
其它尺寸均由自行设计而定。

计算和说明
结果
第 3 章 关键零部件强度和稳定性验算
3.1 缸筒及活塞杆中心加载强度校核
依据受力状态确定油缸和活塞柱最危险断面，画出最危险断面断面图并确定最危险点。显然，同一加载状态下油缸和活塞最危险断面就是最大弯矩作用面，以下图：

图3-1-1
(1) 计算系数
计算初折角

其中：--活塞杆和把手配合间隙；活塞和缸筒配合间隙。
--导向长度。
计算系数

初折角

计算和说明
结果
实际弹性模量：

其中：a—材料组织缺点系数；b—活塞杆截面不均匀系数
则有：

其中---缸筒长度和活塞杆长度
L—最大高度；--中心载荷；
—材料弹性模量，查相关资料MPa。
I---惯性矩
中心加载所以有=0.092
则有：；
=0.452
=0.617；
=0.892

则有：；

实际弹性模量

计算和说明
结果
结果以下表3-1：
表3-1
项目

数据
0.44/m
0.56/m
0.452
0.617
0.787
0.892
项目
g

A
C
数据
0.092
0.072
0.0416
0.464
0.155
0.09

（2）缸筒及活塞杆弯矩
活塞杆最大弯矩处为

所以，最大弯矩
油缸最大弯矩处为：

所以，最大弯矩
（3）油缸、活塞杆最危险断面上危险点诸应力计算校核
a.缸筒危险断面点应力计算
断面系数

活塞杆弯矩

缸筒弯矩

计算和说明
结果

图3-1-2
图3-1，假设5、7受拉，6、8受压，则有：

计算和说明
结果

c． 活塞杆危险断面应力计算
断面系数
图3-1，假设1、3受拉，2、4受压，则有：

计算和说明
结果
计算结果见下表
表3-2 单位 MPa

应力
项
危险点编号
1
2
3
4
5
6
7
8

-306.3
226.1
-65.4
-14.8
-12.1
12.08
-151
151

-31.164
-31.164
0
0
-31.164
-31.164
0
0

134.3
134.3
103.1
103.1
142
142
110.8
110.8
计算缸筒和活塞杆各点广义应力：
1点广义应力
2点广义应力
3点广义应力
4点广义应力

计算和说明
结果
5点广义应力
6点广义应力
7点广义应力
8点广义应力
按危险点求各点比值，分别求得比值为：K； ，分别算出各点比值以下，并填入下表
=2.2、3.76、5.8、7.6、5.2、5.4、3.7、6.3
中心加载油缸活塞杆各危险点广义应力和比值K数据列表
项目
编号

K
1
385.5
2.2
2
225.82
3.76
3
147.05
5.8
4
111.24
7.6
5
164.5
5.2

计算和说明
结果
6
156.1
5.4
7
227.6
3.7
8
135.45
6.3

c 缸筒和活塞杆强度校核
依据公式校核缸筒强度。
其中：--对应壁厚
k—强度系数（无缝钢管k=1）
--工作介质压力
c—加工误差及侵蚀附加厚度，常取c=1.5mm。
缸筒应力为：

活塞杆应力计算以下：

安全系数大于1则符合强度要求，则：，
。所以，缸筒和活塞杆强度符合要求。

计算和说明
结果
3.1.1 支柱稳定性校验
计算临界力
按设计手册公式：

K—末端系数
查《液压工程师技术手册》表3.3-40得K=1。
则缸筒

活塞杆

故：单体液压支柱不会失稳，符合设计要求。

缸筒临界力
活塞杆临界力力

计算和说明
结果
3.2 偏心加载缸筒及活塞杆校核
3.2.1偏心加载时缸筒及活塞杆强度校核
偏心距

则有：；
结果以下表3-1：
表3-1
项目

数据

0.557
0.452
0.617
0.787
0.892
项目
g

A
C
数据
0.119
0.089
0.059
0.46
0.19
0.128

（2）缸筒及活塞杆弯矩
活塞杆最大弯矩处为

计算和说明
结果
所以，最大弯矩

油缸最大弯矩处为：

所以，最大弯矩

弯矩图以下图：

图3-2-1

计算和说明
结果
（3）油缸、活塞杆最危险断面上危险点诸应力计算校核
a.缸筒危险断面点应力计算
断面系数
图3-1，假设5、7受拉，6、8受压，则有：

b.活塞杆危险断面应力计算
断面系数
图3-1，假设1、3受拉，2、4受压，则有：

缸筒断面系数

活塞杆断面系数

计算和说明
结果

计算结果见下表
表3-2 单位 MPa

应力
项
危险点编号
1
2
3
4
5
6
7
8

-718.2
638
-104.52
-24.32
-16.68
16.68
-221
221

-31.164
-31.164
0
0
-31.164
-31.164
0
0

134.28
134.28
103.12
103.12
141.97
141.97
110.81
110.81
计算缸筒和活塞杆各点广义应力：
1点广义应力

计算和说明
结果
2点广义应力
3点广义应力
4点广义应力

5点广义应力

6点广义应力

7点广义应力

计算和说明
结果
8点广义应力
按危险点求各点比值，分别求得比值为：K； ，分别算出各点比值以下，并填入下表
=1.08、1.41、4.72、7.25、5.11、5.5、3.25、6.1
中心加载油缸活塞杆各危险点广义应力和比值K数据列表
项目
编号

K
1
782.84
1.08
2
603.7
1.41
3
179.8
4.72
4
117.2
7.25
5
166.4
5.11
6
154.86
5.5
7
261.74
3.25
8
139.75
6.1

c 缸筒和活塞杆强度校核
依据公式校核缸筒强度。
其中：--对应壁厚
k—强度系数（无缝钢管k=1）
--工作介质压力
c—加工误差及侵蚀附加厚度，常取c=1.5mm。

计算和说明
结果
缸筒应力为：

活塞杆应力计算以下：

安全系数大于1则符合强度要求，则：，
。所以，缸筒和活塞杆强度符合要求。

计算和说明
结果
3.2.2 支柱稳定性校核
计算临界力
按设计手册公式：

K—末端系数
查《液压工程师技术手册》表3.3-40得K=1。
则缸筒

活塞杆

故：单体液压支柱不会失稳，符合设计要求。

缸筒临界力
活塞杆临界力

计算和说明
结果
第 4 章 其它零件校核和复位弹簧设计
4.1复位弹簧设计计算
依据弹簧作用确定弹簧基础参数：
弹簧类型：选择三类弹簧
弹簧安装高度：依据结构尺寸安装高度是1150mm。
弹簧行程：s=840mm；预拉伸量为30mm。
负荷类型：三类
制造精度：2级无初应力弹簧
最大工作负荷：预定580N
材料：弹簧钢丝组。
依据最大负荷查《机械设计手册》可选择弹簧有三种，见下表
表4-1

序号
参数
备注
d
D

q
1
4
25
66.7
2.41
27.7
66
0.0065
为无初应力弹簧
2
4
28
60.6
3.27
18.6
75.4
0.0074
3
5
50
61.2
8.92
6.88
141
0.022
（1）依据最大载荷和弹簧最大变形量计算弹簧刚度
1号：
2号：
3号：

计算和说明
结果
（2）依据计算所得弹簧刚度和查表所得刚度计算出弹簧工作圈数
，圆整取360圈。
，圆整取267圈。
，圆整取99圈。
当n=351时，弹簧自由高度
，所以，该弹簧不符合要求。
当n=258时，弹簧自由高度
；所以，该弹簧符合要求，可用。
当n=94时，弹簧自由高度
；所以，该弹簧不符合要求。
经过对三种弹簧对比，选择2号弹簧。
（3）依据《机械设计手册》确定该弹簧其它尺寸。
钢丝直径：d=4mm
弹簧中径：
弹簧内径：
有效工作圈数：n=267
节距：t=d=4mm

复位弹簧
钢丝直径

内径

有效工作圈数

计算和说明
结果
自由高度：
工作高度：
最大负荷下高度：
最大负荷：
最小负荷下高度：
最小负荷：
弹簧展开长度：

自由高度

计算和说明
结果
4.2 其它零件强度校核
4.2.1 手把体挡环和限位台阶强度校核
限位台阶和挡环接触面积A

计算接触应力

计算安全系数

所以，手把体强度满足要求。

限位台阶和挡环接触应力

计算和说明
结果
4.2.2 校核底座和活塞接触时强度
活塞和底座接触面积

油缸内孔总面积
确定液体反力

其中：---安全阀关闭压力；---工作液压
活塞和底座接触应力

--为工作载荷2倍
计算接触应力

安全系数
所以，底座和活塞接触强度满足要