单体液压支柱的结构设计和防倒装置分析解读.docx
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单体液压支柱的结构设计和防倒装置分析解读
单体液压支柱的结构设计和防倒装置分析
定稿日期:
2014年09月20日
单体液压支柱结构设计和防倒装置分析
摘要
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。
煤炭的开采是高危行业,井下条件十分恶劣,矿井工作人员时刻有着生命危险,在这样的条件下设计一种安全、可行、易操作的矿用机械就具有着深远的意义,这样才能保证矿井工作人员的安全,提高采煤的效率。
在本论文中先通过论述普通单体液压支架的发展,和分类,液压单体支柱的工作原理和结构使之对单体液压支柱支柱有了初步的了解,三用阀、底座、限位装置和复位弹簧查阅了大量的资料和图纸对单体液压支架有了初步的了解,但是对于设计还是有些欠缺,希望在以后的工作实际中和论文内容相结合能有更好的的认实。
在了解的基础上我对普通的单体液压支柱进行了最初步的改造,比如在单体液压支柱的四角盘上加上螺母,再用钢丝绳穿过去,再用挂钩使之与顶板的锚网相连接达到固定的效果,这种方法简单而且易于操作,在实际工作能够得到广泛的效果能够达到防倒的目的,是综采工作以及巷道支护中得到广泛应用,能够更好的保护井下工人的生命安全,则操作简单易行是它最大的优点,像这种能够实施易行的改造装置则是我在本文论述的一个方向和重点。
还在这些简单的防倒设计的基础上对山东省煤炭工业管理局机械化局专利产品高型切顶支柱防滑防倒装置进行了简单的结构介绍和分析,以突出那些简单易行改装的好处,用它和其他的改装进行对比以突出它们的优点。
关键词:
单体液压支架大倾角煤层内注式三用阀防倒装置
Abstract
Ascendanddescendthehorizontalmovetypestereoscopicstopthegaragetoislocalinrecentyearsofnewlyarisenproperty,consistinconstructingmechanizationstereoscopicstopthegarage.Themainpurposeofdesigningaimasthecurrentparkinglottheproblemthatexits,anddesignastereoscopicgarageforwithlessplacestoppingputtingmorecars.Themethoddependonelectricalengineering,trolley...etc.theambulationthecarregardingflatsurfaceparkinglotasthecores,andmakeuseofthePLCtocontrolthesystemtocontrolthecarthepositiontochangeintothe.Consequentlydesigned125hardwareelectriccircuitforascendanddescendingthestereoscopicgarageofhorizontalmovetypes.Combinetoproceedstothistheplait,andimprovedthespeed.Thatmethodhasthewidespreadmeaning.Wanttorealizethispurpose,andmustchoosefitofcontact,passthethepointtoattaintomaketheelectricalengineeringthepositiveandnegativefunctionthatturn.Theheatoffitchoiceavoidbecauseoftheelectriccurrentaftertheelectricappliancesoverbigbutresultinofneednotwanttolose,andproceedstocarrytheaegis.Routeoftraveloffitchoiceswitch,thenattaintopositionthefunction.
Keywords:
Stereoscopicgaragecontactproceedsregarding
第1章绪论..................................................................................................11.1我国煤层赋存状况.......................................................................11.2单体液压支柱发展概况...............................................................21.2.1国外单体液压支柱应用简况................................................21.2.2我国单体液压支柱的发展概况............................................21.2.2使用单体液压支柱的突出优点............................................31.3单体液压支柱分类.............................................................................41.3.1按用途分类..............................................................................41.3.1外注式单体液压支柱..............................................................51.3.2内注式单体液压支柱..............................................................61.4国外单体液压支柱类型.....................................................................6第2章单体液压支柱的结构和工作原理..................................................82.1单体液压支柱的工作原理...........................................................82.1.1工作介质..................................................................................82.1.2动力来源..................................................................................82.1.3降柱方式..................................................................................82.2单体液压支柱的结构...................................................................82.2.1单体液压支柱三用阀、限位装置和复位弹簧....................92.2.2单体液压支柱用锻件..........................................................112.3单体液压支柱的橡胶件和塑料件.................................................18第3章单体液压支柱结构及尺寸的验算................................................213.1已知设计参数...................................................................................213.2油缸稳定性的验算...........................................................................213.3活塞杆的强度验算...........................................................................22
3.3.1油缸的最大挠度................................................................23
3.3.2塞杆的合成应力....................................................................233.4缸强度验算.......................................................................................24第4章单体液压支柱的防倒装置............................................................254.1鞋柱防倒装置.............................................................................254.2挂钩防倒装置.............................................................................274.3高型切顶支柱防滑防倒装置.....................................................28第5章经济分析........................................................................................31第6章致谢................................................................................................33第7章参考文献........................................................................................34
第1章绪论
1.1我国煤层赋存状况
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。
社会市场经济进一步带动了我国地方煤矿的飞速发展。
现在已有360个年产3Mt以上的地方矿出现,形成了国有重点煤矿和地方中小型煤矿的并存局面。
由于我国的煤炭资源分布地域极广,煤层赋存状况也各式各样,主要有如下几个特点:
(1从围岩和煤层赋存的关系上来说,我国不仅有赋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从煤层自身的赋存条件上来说,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”状赋存煤层。
(3从煤层赋存的地质条件来说,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。
可以看出,我国是世界上煤层赋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。
1.2单体液压支柱发展概况
1.2.1国外单体液压支柱应用简况
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。
1.2.2我国单体液压支柱的发展概况
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。
1.2.2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。
综上所述可以看出单体液压支柱比摩擦式金属式支柱具有明显的优点。
单
体液压支柱的主要缺点是:
构造比较复杂,内注液式支柱结构更复杂,如果局部密封失效,即会导致整个支柱失去支撑能力;其次是维护检修量大,为保证支柱安全使用,定期检修、随时更换零件量大,因而使其维护费增高。
为保持每一根单体液压支柱的正常使用,每年所需的维修费用平均占支柱造价的20%左右,这比摩擦式支柱要高出若干倍。
但从综合效果比较,如安全状况的改善,单产的提高,降低辅助材料的消耗,以及最终的实际支护费用降低等方面分析,单体液压支柱则有明显的优势。
1.3单体液压支柱分类
1.3.1按用途分类
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。
1.3.2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。
工作液压油在机体内形成闭路循环。
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。
1.3.3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。
1.2我国的单体液压支柱类型
我国单体液压支柱基本上有两个类型,即内注式与外注式。
两种支柱的工作原理、性能等基本相同。
其技术性能、特点、优缺点,分别按内、外注液式予以介绍。
1.3.1外注式单体液压支柱
额定工作阻力为245~294KN,目前投入生产的共12种规格。
其主要特点为:
工作介质乳化液由远距离的液压泵站通过橡胶管路,经专用的注液枪注入缸体。
升柱靠乳化液泵站的压力供给,降柱利用活柱体的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的主要优点是,结构比较简单,零部件少,易于维修。
支柱的关键部件是三用阀,组装于一体,拆装便利,井下一般可立即拆换。
初撑力靠泵站压力获得,可靠性高。
此外,由于以泵站压力来升柱,升柱速度高于手工作业的内注式液压支柱,一般要高3~4倍,所以能提高支柱的支设效率。
外注式支柱由于靠外部供液以及零件少,使支柱自重减轻了5kg,大大降低了工人劳动强度。
这种支柱的主要缺点是:
工作液来自外部,要配备全套的乳化液泵站,并且从泵站到工作面一端要装设高压胶管干线,从管路干线到支柱的注液口要接通联接注液枪的高压胶管支线,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,由于必须将内腔的乳化液排放到外面,每一棵支柱回撤一次必须从柱内排放1~2kg的乳化液,并且不能回收复用,因而增加了成本。
排出的乳化液流失在工作面底板上,还会使底板岩面(特别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。
1.3.2内注式单体液压支柱
额定工作阻力为245KN,目前投入生产的共9种规格,工作介质为液压油。
回撤支柱靠油缸中的液压油流向活柱内腔形成闭路循环。
由内柱式支柱本身的手摇泵进行升柱,初撑力大小由人力操作手柄来决定。
降柱则靠支柱的活柱自重进行。
柱体内腔的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的多少来决定。
支柱的安全阀、单向阀、卸载阀分别装设于不同位置,不能在井下随时调换。
内柱式支柱的主要优点是:
由于支柱本身进行液压油循环,不需从外部供液,节省了全套的泵站及管道系统,支柱本身可以独自使用。
内注式支柱的三用阀是分别装设在支柱内腔的,可以防止煤粉等外界赃物的污染,阀类的性能不易受损;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,既节约了油液,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的主要缺点是:
支柱结构比较复杂,内腔中的零部件多,加工量与加工难度较大,维护与检修工作量大,内部零件损坏时,必须运至地面进行检修;靠手摇泵升柱,初撑力大小差异很大,不容易保证有较均匀的初撑力;人力摇动手柄的升柱速度较慢,一般地每摇一次手柄升柱形程约20~30mm;自重也较大,比同类型的外注式液压支柱自重增多了3~5kg。
两种类型支柱有不同的特点,也各有不同的优缺点,各矿区应根据自己的具体条件并结合积累的经验综合分析,进行选用。
1.4国外单体液压支柱类型
英国除生产通用型以外,还有特殊类型的单体液压支柱。
例如超短型支柱,一般为内部注液式,液压缸以底座面积大,顶盖系圆形平顶,面积大于底
座,缸体下部装有摇动手柄作为升降活柱用,柱帽面积大,呈圆形,支设时柱帽直接贴紧于顶板。
由于柱帽之间空隙小,顶板暴露面小,可代替顶梁支护,减少了一般顶梁所占有的空间,适用于极薄煤层;另有长伸缩轻型单体液压支柱。
这种支柱活柱较长,工作行程大,体轻,适用于急倾斜水平分层工作面和煤层变化大但压力并不很大的工作面。
日本生产有轻合金单体液压支柱。
这类支柱有内部注液式及外部注液式两种,结构与工作原理与同类支柱基本相同。
其特点是,柱体轻,较普通低碳合金钢支柱平均轻20~30%,因而操作移设较方便。
其适用范围与同类低碳合金钢单体液压支柱基本相同。
第2章单体液压支柱的结构和工作原理2.1单体液压支柱的工作原理
2.1.1工作介质
外注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。
2.1.2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。
2.1.3降柱方式
一般靠活柱的自重和复位弹簧降柱。
2.2单体液压支柱的结构
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。
如图所示:
图2.2.1外注式单体液压支柱装配图
2.2.1单体液压支柱三用阀、限位装置和复位弹簧
1、外注式单体液压支柱的三用阀
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2.2.2三用阀
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、限位装置
外注式单体液压支柱限位装置是限制活柱升高,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=20.7510LD+mm=7600.75*10010
+mm=151mm式中L—立柱最大工作行程,mm
D
2
—缸筒内径,mm
3、复位弹簧
采用复位弹簧降柱可加速支柱下降速度。
复位弹簧一头挂在柱头上,另一头挂在底座上,并使它具有一定的预紧力。
并且使用复位弹簧支柱的底座不能焊在
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