单体液压支柱的结构设计第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：3、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。

4、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。

5、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、按型号分类（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压支柱的工作原理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：注液枪卸载手把泵站供液卸载图2.1 外注式单体液压支柱装配图图2.2单体液压支柱的三维实体造型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2.3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=4D 22p （2.1） 式中 p ——缸筒内压力，N/mm 2；D 2——缸筒内径，mm ；P ——立柱工作阻力，KN 。

K b =初撑力工作阻力 则 p=R bp K （2.2） 式中 p R ——乳化液泵的工作压力；K b ——一般在0.52～0.78之间。

K b =R p p =2038.2=0.52 （2.3）初撑力= K b ×工作阻力=0.523×300=157KN （2.4） ②预算缸径尺寸和缸壁厚度缸筒内压力为p =224P D π=3243001010π⨯⨯⨯=38.2MPa （2.5） 式中 P ——立柱工作阻力300KN ；D 2——缸筒内径100mm 。

缸筒材料为27SiMn 无缝钢管，20.7510L D +σs =833.85 MPa （2.6） [σ]=s n σ=833.851.5=555.9 MPa （2.7） 缸壁厚度为 σ=22D1)=1001)2 =3.1mm （2.8）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、活柱体尺寸的确定图2.4 活柱体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78 mm 和95 mm 。

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 =20.7510L D +mm=7600.7510010+⨯mm=151mm （2.9） 式中 L ——立柱最大工作行程，mm ；D 2——缸筒内径，mm 。

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。