第1章绪论1.1课题背景山西介休倡源煤炭有限责任公司是山西凯嘉能源集团有限责任公司属下企业。

公司前身为介休市连福镇镇办煤矿，2005年8月，由山西义棠煤业有限公司整体并购，2006年4月，省煤整办批准山西介休倡源煤炭有限责任公司整合金山坡煤矿和西兴煤矿, 2007年12月, 山西义棠煤业有限公司、山西中通投资有限公司、介休义民投资有限公司三方签署合作协议，共同投资建设山西介休倡源煤炭有限责任公司。

公司注册资本为1.6亿元，现有资产总额8亿多元，员工1600多名，其中:中专以上学历员工450多名，初级以上职称员工90多名。

公司位于介休市连福镇，朝南相望是生态原始、风景独特的天峻山，西距介休市20km，北距大运高速、108国道及南同浦铁路干线义安站20km，东与介沁公路相邻, 地理位置优越，交通便利。

公司井田面积4.62km2，可采煤层6层，可采储量32702kt，设计能力为90万吨/年。

公司实行董事会领导下的总经理负责制，股东会、董事会、监事会、党总支、工会组织齐全，有14个职能部门以及综采、普采等9个生产基层队。

倡导文明，源远流长。

公司秉承“以德为魂，诚信为本”的企业精神，近年来，在生产经营、企业管理、员工队伍、企业文化、环境建设、后勤保障等方面都发生了巨大的变化,使一个名不见经传的小煤矿改造成为年产90万吨原煤的新型煤炭企业，使一个生态恶化的旧矿井改造成为环境优美的绿色生态矿井。

公司被介休市人民政府授予“优秀管理先进单位”等荣誉称号。

在凯嘉集团的统领下，公司将以“高水平规划、高标准建设、高质量管理”为指导思想，致力于基础建设和未来发展，全体员工将以百折不挠的精神和敢为人先的勇气，高起点、高标准，努力把公司打造成为管理科学、装备先进、安全文明、集约高效的标准化煤炭企业。

1.2液压支架简述20世纪50年代前在国内外煤矿生产中基本上采用木支架，木顶梁或金属摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。

1954年英国首先研制出液压支架，通过对液压支架的逐步完善改进，进而普遍推广使用使采煤工作面采煤过程中的落煤,装煤，运煤和支护等工序全部实现了机械化。

到20世纪90年代初，寻找到适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技术。

随着计算机技术和自动化技术的普及应用与提高为煤矿生产自动化和提高生产提供了新的出路。

支架上使用的液压缸也发展延伸了许多种类型，轻载，重载。

单缸单作用，单缸双作用，多缸单作用，多缸双作用。

这里主要设计双作用伸缩液压缸。

优点：调高范围大，属液压无极调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高。

本型立柱主要用于薄煤层和大采高支架上。

缺点：由于本型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。

支架技术特征参数：型号：ZY5000/17/35型掩护式液压支架高度：（最低～最高）1.7～3.5m宽度：（最小～最大）1.43～1.6m中心距：1.5m初撑力：（P=31.5MPa）3877 KN工作阻力：4000 KN对底板前端比压：0.64～2.5 MPa支护强度：0.80～0.87 MPa移架步距：700mm泵站压力：31.5MPa操作方式：邻架控制1.3液压支架立柱特点液压支架上的立柱实际上是推力液压缸的一种，其特点如下：①：立柱是支架实现支撑和承载的主要部件，他直接影响支架的工作性能。

因此，立柱除应具有合理的工作阻力和可靠的工作特性外，还必须由足够的抗压和抗弯强度，密封性好，结构简单并能适合支架的工作需要。

②立柱一般由活塞，活塞杆，缸体三部分组成。

由于支架工作时，立柱承载大，而降柱力较小，故活塞杆直径均较大，常采用空心结构，以保证足够的刚度活塞一般用Y型密封圈，铜环导向，缸体底部焊接。

缸体与缸盖之间用钢丝，螺纹或卡环连接。

为了防止外部煤层等脏物进入缸体，在导向套上要装防尘圈。

对于单伸缩立柱，为了扩大支架的支护高度范围，可采用机械加长杆，如图1.1图1.1带有机械加长杆的双作用伸缩式立柱1—缸头，2—油口，3—前端盖，4—缸体，5—活塞，6—活塞杆，7—后端盖图1.2双伸缩式立柱1—后端盖，2，3，4，5，6，7—卡箍，内卡键，鼓型密封圈，导向环，8—下活柱，9活塞，10—缸筒，11，12，13，14—导向环，导向衬套，蕾型密封圈，防尘圈，15柱头，16底阀③立柱的头部结构均为球形，与顶梁或底座之间的连接采用销轴或压块固定，以使立柱在工作时由一定的适应性。

④立柱的供液方式由内供液和外供液两种方式。

除双伸缩立柱采用内供液方式外，单伸缩立柱多为外供液，这种方式结构简单加工维修方便。

双伸缩式立柱工作原理图：图1.3双伸缩立柱原理图：A，B，C：液口1一级缸体，2一级活塞，3底阀，4二级活塞，5活塞杆1.4双伸缩式立柱结构及工作原理如图1.3所示，升柱时高压液体从液口A进入立柱，液口B 和C连通回液管路，升柱过程分为两个阶段，首先下活柱伸出只有下活柱完全伸出后，柱内单向阀才能开启使上活柱伸出，降柱时，高压液体从B和C同时进入，液口A连通回液管路。

降柱过程也分为两步完成。

第一步是下活柱缩回缸体内此时上活柱由于柱内单向阀处于闭锁状态，所以不会下缩，当下活柱完全缩回后，单向阀阀芯顶杆与缸体凸台相碰而使单向阀开启，上活柱下腔可以回液，故上活柱缩回。

承载时，顶板对上活柱的作用力将由上活柱下腔被闭锁的液体承受并传递给下活柱，这时上下活柱所承受的压力是相等的。

所以这种立柱也称等负载双伸缩立柱。

当下活柱内的液体达到安全阀的调定压力时，安全阀开启，下活柱缩回，当下活柱完全缩入缸体中，只有上活柱承载时，顶板的作用力使上活柱缩回。

1.5.双伸缩式立柱运行及负载特点：这种立柱由于下活柱先伸先缩，上活柱后伸后缩。

在煤层变化不大时，上活柱的伸出长度是不变的。

因此上活柱相当于立柱的液压加长杆。

由于上活柱的长度可以自由调节，比单伸缩立柱调节机械加长杆方便的多，所以目前应用的越来越多，它的缺点是价格较高。

由于等负载双伸缩立柱上，下活柱活塞面积不等，所以在相同的泵站压力下，上活柱伸出撑紧顶板的初撑力小于下活柱伸出撑紧顶板的初撑力。

因此，在煤层厚度变化较大时，上活柱的伸出长度有时也要变化，造成初撑力太小，不利于板顶维护。

另外，在承载时，由于负载相同，上活柱下腔的压力会大于下活柱下腔的压力，如果压力太大，会造成下活柱形成的缸体在高压下膨胀变形，影响下活柱的正常升降，甚至导致导向套和立柱咬死。

所以，在煤层厚度变化较大时或冲击地压大的煤层，使用这种等负载双伸缩立柱要给以注意。

第二章双伸缩立柱结构设计计算2.1 原始数据：一级缸行程1000mm，二级缸700mm，工作压力：31.5Mpa 工作阻力P=4000KN2.2 设计要求：内容：设计说明书，装配图，主要零件图2张。

建模，整体装配。

要求：根据原始数据设计进行液压支架双伸缩式立柱的结构设计，进行各零件的三维建模与立柱的整体装配及运动仿真。

双伸缩式立柱是一种推力液压缸。

液压缸是液压系统中的执行元件，是液压系统中的核心部件，不同类型的液压缸组成零部件也不同，但其大致由缸体、活塞、活塞杆、缸底、缓冲装置、排气装置、支承座以及导向、密封、防尘装置等组成。

根据设计的液压缸的使用要求不同可选择设计各零部件。

2.3工况分析并确定液压缸参数2.3.1支架的承载过程支架的承载过程是指支架与顶板之间相互力学作用的过程，包括初撑，承载增阻和恒阻三个阶段。

如图2.1（一）初撑阶段图2.1 双伸缩式立柱工作曲线图在升架过程中，当支架的顶板接触顶梁，直到立柱下腔的液体压力逐渐上升到泵站工作压力时，停止供液，液控单向阀立即关闭，这一阶段称为支架的初撑阶段，此时支架对顶板的支撑力为初撑力支撑式支架的初撑力为：式中 D —支架立柱的缸径，mPb —泵站的工作压力，MPan---支架立柱的数量。

由上式可知，支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力，立柱的缸径和立柱的数量，合理的初撑力是防止直接顶过早的因下沉而离层，减缓顶板下沉速度，增加其稳定性和保证安全生产的关键。

一般采用提高泵站工作压力的方法来提高初撑力，以免32104⨯=n p D p b c π缸径过大。

（二）承载增阻阶段支架初撑结后，随着顶板的下沉，立柱下腔的液体压力逐渐升高，支架对顶板的支撑力也随之增大，呈现增阻状态，这一过程为支架的承载增阻阶段。

（三） 恒阻阶段随着顶板压力的进一步增加，立柱下腔的液体压力越来越高，当升高到安全阀的调定压力时，安全阀打开溢流，立柱下降，液体压力随之降低。

当降到安全阀的调定压力时，安全阀关闭。

随着顶板的继续下沉，安全阀重复这一过程，又由于安全阀的作用，支架的支撑力维护在某一恒定数值上，这是支架的恒阻阶段，此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的，支撑式支架的工作阻力为式中 Pa —支架安全阀的调定压力，MPa其它意义同前。

2.3.2.立柱负载分析及确定工作阻力为3104a p p n π=⨯P=4000KN.立柱（液压缸）负载主要包括：初撑力、摩擦阻力、惯性阻力、重力、密封阻力和背压阻力等。

（1）：初撑力的大小是相对于工作阻力而言，并与顶板的性质有关。

较大的初撑力可以使支架较快达到工作阻力，防止顶板过早的离层，增加顶板的稳定性。

对于不稳定和中等稳定顶板，为了维护机道上方的顶板，应取较高的初撑力，约为工作阻力的80%；对于稳定顶板，初撑力不宜过大，一般不低于工作阻力的60%，对于周期来压强烈的顶板，为了避免大面积垮落对工作面的动载威胁，应取较高的初撑力。

本设计选支撑掩护式支架，综合考虑取其初撑力为工作阻力的60%。

所以，初定初撑力Pc=4000×60%=2400 KN （2）摩擦阻力：由于液压缸的摩擦阻力相对于初撑力很小，故可忽略不计。

（3）惯性阻力、重力：液压缸垂直布置，但其较重的一级缸及缸头安装在支架底座上面，且其工作时运动量很小，不属于快速往复运动型，故惯性阻力、重力可不以考虑。

（4）密封阻力和背压阻力：将密封阻力考虑在液压缸的机械效率中去，取液压缸的机械效率为0.9背压阻力是液压缸回油路上的阻力，初算时可不考虑，其数值在系统确定后才能定下来。

依据上面分析可得液压缸工作曲线图，图2.1曲线上的t0,t1,t2,分别表示支架的初撑增阻和恒阻阶段的时间。

2.3.3 初步确定液压缸参数表2.1液压缸内径系列：表2.2活塞杆直径系列：表2.3液压缸外径系列（GB/T2348-1993）：（1）二级缸的内径和壁厚根据受力知道，只要满足二级缸受力，则一级缸定能满足，于是由： 32104⨯=n p D p b c π式中 D —— 支架立柱的缸径，mPb ——泵站的工作压力，MPaN —— 支架立柱的数量。