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中 國 礦 業(yè) 大 學
本科生畢業(yè)設計
姓 名： 王 奇 學 號：14030341
學 院： 應用技術學院
專 業(yè)： 機械工程及自動化
設計題目： 立柱、千斤頂工作特性仿真計算及剛度校核
專 題：
指導教師： 舒風翔 職 稱： 講師
2007年 6 月 15 徐州
中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計任務書
學院 應用技術學院 專業(yè)年級 機自03-7 學生姓名 王 奇
任務下達日期： 2007 年 3 月 25 日
畢業(yè)設計日期：2007 年 3 月 25 日 至 2007 年 6 月 15 日
畢業(yè)設計題目：立柱、千斤頂工作特性仿真計算及剛度校核
畢業(yè)設計專題題目：
畢業(yè)設計主要內(nèi)容和要求：
根據(jù)立柱、千斤頂?shù)南嚓P工作情況，對其進行強度校核和剛度校核，利用Matlab的相關工具，對工作阻力為F=5400KN，壓力為P=43MPa的雙伸縮立柱進行了設計及相關校核。要求畢業(yè)總圖紙量為1張A0、相關校核程序、畢業(yè)設計說明書一份（50頁左右）。
院長簽字： 指導教師簽字：
中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計指導教師評閱書
指導教師評語（①基礎理論及基本技能的掌握；②獨立解決實際問題的能力；③研究內(nèi)容的理論依據(jù)和技術方法；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤工作態(tài)度及工作量；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：
成 績： 指導教師簽字：
年 月 日
中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計評閱教師評閱書
評閱教師評語（①選題的意義；②基礎理論及基本技能的掌握；③綜合運用所學知識解決實際問題的能力；③工作量的大??；④取得的主要成果及創(chuàng)新點；⑤寫作的規(guī)范程度；⑥總體評價及建議成績；⑦存在問題；⑧是否同意答辯等）：
成 績： 評閱教師簽字：
年 月 日
中國礦業(yè)大學畢業(yè)設計答辯及綜合成績
答 辯 情 況
提 出 問 題
回 答 問 題
正 確
基本
正確
有一般性錯誤
有原則性錯誤
沒有
回答
答辯委員會評語及建議成績：
答辯委員會主任簽字：
年 月 日
學院領導小組綜合評定成績：
學院領導小組負責人：
年 月 日
摘 要
20世紀以來，在新技術革命的帶動下，煤礦開采技術與裝備迅速發(fā)展。先進采煤國家積極應用機電一體化和自動化技術，研制開發(fā)了高生產(chǎn)能力、高性能的開采技術裝備，廣泛應用計算機技術實現(xiàn)了礦井生產(chǎn)過程自動化控制，實現(xiàn)了礦井的高產(chǎn)高效生產(chǎn)。
采煤機械化是煤炭工業(yè)增加產(chǎn)量、提高勞動效率、改善勞動條件、保障安全生產(chǎn)的必要技術手段。綜合機械化采煤工作面的裝備——采煤機、液壓支架和刮板輸送機為代表。液壓支架是綜采工作面的重要支護設備，其投資約占綜采工作面成套設備總投資的70％左右，其主要作用是支護頂板、維護安全作業(yè)空間，同時要推移工作面輸送機和采煤機。立柱是液壓支架的關鍵部件，其性能直接決定液壓支架的支護能力，隨著液壓支架向大工作阻力方向發(fā)展，立柱也向大缸徑、高可靠性發(fā)展。為適應市場發(fā)展的速度，目前急需一種新的技術來輔助立柱設計，以達到加快設計進度、減小計算工作量的目的，并能模擬實驗狀態(tài)自動校核安全系數(shù)。
通過本課題的研究，簡化了立柱設計、校核、制造流程，提高了設計效率和縮短加工制造過程，提高新產(chǎn)品開發(fā)速度及應變能力，增強產(chǎn)品可靠性，進而為企業(yè)創(chuàng)造更大效益，從而提升企業(yè)的競爭力。
關鍵詞：采煤機械化 液壓支架 立柱
Abstract
Since the 20th century, the new technology revolution, along with the coal mining technology and equipment, rapid development.Mining actively advanced mechanical-electrical integration, and application of automation technology, we developed a high production capacity, high-performance mining technology and equipment, extensive application of computer technology to achieve a mine production process automation control, achieve a high yield and efficient mine production.
Mining mechanization of the coal industry to increase production, improve labor productivity, improved working conditions, Production of security necessary technical means. Comprehensive mechanized coal face equipment -- Shearer, hydraulic support and scraper conveyor represented.
Hydraulic support is the important shoring equipment in mechanism excavating workface, and its investment occupy around 70% of full set of integrated matching equipments, and the main function is shoring roof floor, maintaining safety operation space, meanwhile advancing transporter and shearer. Leg is the main component part of hydraulic support, and its function can directly determine the shoring capacity of hydraulic support, with the development direction to large working resistance , so that legs become to be with more and more large cylinder diameter, high dependability. In order to adapt the quick market development speed, one new assistant, design technology is needed, so to achieve the purpose of expediting design speed, reducing the calculation work, also simulating automatic safety factor checking when at test state.
The passage of this issue, the column to simplify the design, verification, manufacturing processes and improve the efficiency of the design process and reduce the manufacturing process, the development of new products to enhance the speed and response capability, enhance product reliability, and proceed to create greater efficiency, thereby enhancing the competitiveness of enterprises.
Key Words: Mining mechanization Hydraulic Support Leg
第1章 前言 ......................................................1
1.1 立柱設計的意義…………………………………………………………1
1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………3
1.2.1 結(jié)構(gòu)和功能 ………………………………………………………3
1.2.2 設計手段和方法 …………………………………………………4
1.2.3 標準和試驗要求方面 ……………………………………………4
1.2.4 操作與控制技術 …………………………………………………5
1.2.5 制造工藝 …………………………………………………………5
1.2.6 其他差別 …………………………………………………………5
1.3 以往立柱千斤頂設計過程存在的問題…………………………………6
1.3.1 制圖工作量大、效率低 …………………………………………6
1.3.2 圖紙更改重復次數(shù)多、出錯率高 ………………………………6
1.3.3 尺寸更改隨機性大 ………………………………………………7
1.3.4 計算工作量大、不全面 …………………………………………7
1.4 立柱和千斤頂在加工、使用中存在的問題……………………………7
1.4.1 加工中的主要問題 ………………………………………………7
1.4.2 使用中的主要問題 ………………………………………………8
第2章 立柱的形式 ………………………………………………………………9
2.1 液壓單伸縮立柱…………………………………………………………9
2.2 機械加長桿立柱…………………………………………………………9
2.3 液壓雙伸縮立柱…………………………………………………………10
2.4 組成立柱的主要組件、部件和零件……………………………………11
2.4.1 活柱組件 …………………………………………………………12
2.4.2 缸體部件 …………………………………………………………14
2.4.3 缸口導向套組件 …………………………………………………14
2.4.4 接長桿組件 ………………………………………………………15
2.4.5 底閥 ………………………………………………………………20
第3章 立柱的設計和強度計算 …………………………………………………24
3.1 立柱計算的原則…………………………………………………………24
3.2 立柱設計…………………………………………………………………24
3.2.1 立柱缸筒內(nèi)徑的確定 ……………………………………………25
3.2.2 泵站壓力的確定 …………………………………………………25
3.2.3 立柱初撐力的計算 ………………………………………………25
3.2.4 立柱工作阻力的計算 ……………………………………………25
3.2.5 立柱缸筒壁厚的計算 ……………………………………………26
3.3 立柱強度驗算……………………………………………………………26
3.3.1 立柱缸筒強度驗算 ………………………………………………26
3.4 一級缸的相關計算 ……………………………………………………28
3.4.1 一級缸的相關計算………………………………………………28
3.4.2 一級缸壁厚的計算………………………………………………28
3.5 一級缸的強度驗算 ……………………………………………………28
3.5.1 一級缸的強度驗算………………………………………………28
3.6 二級缸的相關計算 ……………………………………………………29
3.6.1 二級缸的外徑的確定 …………………………………………29
3.7 各桿的長度確定 ………………………………………………………29
第4章 立柱的受力分析和驗算…………………………………………………31
4.1 立柱的各段受力分析 …………………………………………………31
4.1.1 活柱受力分析……………………………………………………31
4.1.2 中缸受力分析……………………………………………………32
4.1.3 外缸受力分析……………………………………………………33
4.1.4 強度校核條件……………………………………………………34
4.2 立柱的剛度分析 ………………………………………………………34
4.2.1 立柱平衡微分方程………………………………………………34
4.2.2 邊界條件和銜接條件……………………………………………35
4.2.3 立柱各段最大彎矩計算…………………………………………36
4.2.4 油缸折線夾角、的確定 …………………………………36
4.2.5 穩(wěn)定性校核………………………………………………………37
第5章 基于Matlab軟件的中缸的受力分析 …………………………………43
第6章 立柱結(jié)構(gòu)合理化…………………………………………………………50
6.1 柱塞密封結(jié)構(gòu) …………………………………………………………50
6.2 SH山形密封圈與配套使用的SHJ型活塞導向環(huán) ……………………50
6.3 缸口的連接 ……………………………………………………………53
6.4 統(tǒng)一焊縫坡口形式及尺寸………………………………………………53
6.5 解決缸口漏夜……………………………………………………………53
6.6 導向套結(jié)構(gòu)改進…………………………………………………………53
6.7 簡化立柱結(jié)構(gòu)……………………………………………………………54
6.8 提高標準化、系列化和通用水平………………………………………54
6.9 加大進回液孔徑…………………………………………………………54
6.10 加大連接銷軸直徑 ……………………………………………………54
參考文獻 ……………………………………………………………………………55
致謝 …………………………………………………………………………………56
附錄 …………………………………………………………………………………57
中國礦業(yè)大學2007屆本科畢業(yè)設計 第62頁
第1章 前言
液壓支架以液壓為動力實現(xiàn)升降、前移等運動，既能支撐又能維護頂板的支護設備，為采煤工作面綜合機械化的主要設備。和刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及膠帶輸送機等形成了一個有機的整體，實現(xiàn)了包括采、支、運等主要工序的綜合機械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷地將采煤機和輸送機推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。
1.1立柱設計的意義
我國是世界主要產(chǎn)煤國家，煤礦總數(shù)超過全世界其他所有國家煤礦的總和。綜采技術經(jīng)過30多年發(fā)展，積累了豐富的經(jīng)驗，高產(chǎn)高效礦井建設已初見成效。發(fā)展綜采技術是建設高產(chǎn)高效礦井的重要任務，加大技術改造力度，優(yōu)化工作面配套、提高設備可靠性、提高開機率是高產(chǎn)高效礦井建設的發(fā)展趨勢。
我國自70年代初開始大規(guī)模引進國外綜采設備，發(fā)展綜合機械化采煤。與此同時，煤炭科學研究院及相關廠礦共同開始了對液壓支架的科研和技術攻關，至80年代末，已先后研制成功薄煤層、中厚煤層、厚煤層和特厚煤層綜采成套設備和技術，基本上取代了進口，促進了煤炭工業(yè)的快速發(fā)展。到1997年全國國有重點煤礦綜合機械化程度已達到48．38％，相繼建成一批高產(chǎn)高效的礦井。國產(chǎn)綜采設備的水平有了較大的提高，一些技術指標接近或達到國際先進水平。我國綜采設備已開始打入國際市場，先后出口到美國、印度、土耳其、俄羅斯等國家。液壓支架是綜采工作面的重要設備之一，其投資約占綜采工作面成套設備總投資的70％左右，其作用不僅是支護頂板、維護安全作業(yè)空間，而且要推移工作面輸送機和采煤機。因此，液壓支架的性能和可靠性是決定綜采成敗的關鍵因素之一。
液壓支架與滾筒采煤機(或刨煤機)、刮板輸送機、轉(zhuǎn)載機及膠帶輸送機等形成了一個有機的整體，實現(xiàn)了包括采、支、運等主要工序的綜合機械化采煤工藝。液壓支架能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，防止矸石竄入工作面，保證作業(yè)空間，并且能夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷地將采煤機和輸送機推向煤壁，從而滿足了工作面高產(chǎn)、高效和安全生產(chǎn)的要求。
在煤礦機械中液壓缸的應用比較廣泛，掘進機、采煤機的搖臂，刮板輸送機的可伸縮機頭部分的動作都是靠液壓缸的伸縮來實現(xiàn)，尤其是在液壓支架中，幾乎所有的動作都是通過液壓缸（通常稱為立柱千斤頂）的往復運動來實現(xiàn)的。一個150米長的綜采工作面，一般就有1000多個立柱千斤頂在工作，如果是放頂煤工作面，立柱千斤頂數(shù)量則更多。作為液壓系統(tǒng)地執(zhí)行元件立柱千斤頂數(shù)量龐大且往復運動次數(shù)多，容易出現(xiàn)問題，維護和更換密封所需要的總時間就長，直接影響了開機率和工作面的推進速度。所以，立柱千斤頂?shù)母呖煽啃允敲旱V綜采工作面高產(chǎn)高效的前提。
隨著煤炭開采技術的發(fā)展和國家對煤炭開采回收率的調(diào)控，液壓支架的開采高度也向兩極化發(fā)展，薄煤層支架走向越來越低，中厚煤層支架走向越來越高，對支護強度的要求也越來越高，支架適應的煤層傾角也越來越大，支架形式主要的發(fā)展趨勢是向兩柱掩護式和四柱支撐掩護式架型發(fā)展，架型結(jié)構(gòu)進一步完善，設計方法更先進，參數(shù)向高工作阻力、大中心距(1.75 m、2m)發(fā)展，結(jié)構(gòu)件材料越來越多地采用高強度鋼材，例如屈服極限69MPa以上的鋼板，支架的壽命和可靠性要求大大提高，高端支架的耐久性試驗循環(huán)次數(shù)達50 000次。立柱千斤頂也隨之向大缸徑、大伸縮比發(fā)展，復雜的地質(zhì)條件對立柱穩(wěn)定性的要求也越來越高。經(jīng)統(tǒng)計鄭煤機集團近兩年生產(chǎn)的產(chǎn)品中，適用于大采高、大傾角、薄煤層的液壓支架占了70%左右。
目前，國內(nèi)的行業(yè)標準《MT313-92液壓支架立柱技術條件》、《MT97-92液壓支架千斤頂技術條件》中對立柱千斤頂?shù)膶嶒炓笙鄬捤?表一)，總體低于國外標準。國內(nèi)煤機企業(yè)的發(fā)展不僅僅局限于國內(nèi)市場，還要搶占國際市場，產(chǎn)品的性能要經(jīng)得住國際上其他國家相應標準的檢驗。立柱千斤頂結(jié)構(gòu)相對比較穩(wěn)定，進而提出應用現(xiàn)代化軟件和手段對千斤頂、立柱進合理分組，建立立柱、千斤頂三維參數(shù)化模型，對千斤頂、立柱的安全系數(shù)、強度、穩(wěn)定性等進行計算校核，并開發(fā)簡單易用的千斤頂、立柱的分析校核軟件，為優(yōu)化立柱、千斤頂結(jié)構(gòu)參數(shù)提供理論依據(jù)，提高設計效率和縮短加工制造過程，進而為企業(yè)創(chuàng)造更大效益。
表1-1：國內(nèi)立柱千斤頂強度試驗標準與歐洲標準對比表
MT97-92
MT313-92
EN1804-2
千斤頂至最大行程，軸向以額定工作壓力150﹪加載，保持5min
立柱至最大行程，軸向以額定工作壓力150﹪加載，保持5min
工作油缸用其許可壓力的80%全部伸出，接著將壓力腔閉鎖住，然后用一個外力對工作油缸加載，外力大小為許可力的2.0倍或1.5倍(沖擊)
千斤頂處于最大和最小長度，分別對活塞腔和活塞桿腔以額定泵壓125﹪加載，保持5min
立柱至全行程，活塞腔以額定泵壓125﹪加載，保持5min
立柱或支撐千斤頂伸出全長的70～80%且剩余行程立柱≥100mm，千斤頂則≥30mm。用許可壓力的60%撐緊并將壓力腔閉鎖。接著用一個自由落下的物體對立柱和支撐千斤頂進行二次沖擊的外加載，對立柱來說，自由落體≥10 000kg；對支撐千斤頂來說≥1 000kg。此時必須達到許可壓力值的1.5倍（±5%）。壓力從初始值至所要求的最大值的升壓必須在最大為30ms內(nèi)實現(xiàn)。
千斤頂活塞桿處于2/3行程處，活塞腔以額定泵壓200﹪加載，保持5min
立柱處于2/3全行程，以額定工作載荷200﹪軸向加載，保持5min
立柱至最大行程，在柱頭和缸底同側(cè)偏心30mm位置，以110﹪額定工作載荷軸向加載，保持5min
在柱頂側(cè)和柱底側(cè)用一種球形推力軸承系統(tǒng)來傳遞力，那么作用力只偏心加在柱頂側(cè)球頭半徑的0.3倍處。柱底側(cè)的支承軸承必須對應于柱底形狀來設計。柱底支承軸承的直徑不得大于立柱或支撐千斤頂直徑的25%，壓力值需計算
立柱至最大行程，軸向預加額定初撐載荷，以15kN·m能量沖擊柱頭2次
立柱和支撐千斤頂全部伸出，開始時予加力為許可的立柱力和千斤頂力的10%。必須使立柱和支撐千斤頂?shù)膲毫η婚]鎖住。緊接著通過一個外力使立柱和支撐千斤頂加載至許可的立柱和千斤頂力。該力必須保持住3分鐘，而立柱和支撐千斤頂并不讓縮
提拉點必須進行加載檢驗，直至達到許可力的4倍也不允許發(fā)生破斷。
1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
我國目前已經(jīng)形成一支有一定規(guī)模的從事液壓支架的設計、研究、制造和檢驗的專業(yè)隊伍，積累了豐富的經(jīng)驗，已經(jīng)開發(fā)研制了多種適合我國煤礦不同生產(chǎn)地質(zhì)條件的液壓支架。支架最大高度已達6.3m，最小高度為0.5m；適應最大傾角可達55°；最大工作阻力達10800kN。不僅有用于一般工作面的液壓支架，還有用于放頂煤采煤、分層鋪網(wǎng)采煤等條件下的特種用途液壓支架。液壓支架的發(fā)展對立柱的長度、缸徑、密封、型式等諸多方面提出許多新的要求，促使立柱的結(jié)構(gòu)更加合理和有了很大的發(fā)展。
1.2.1結(jié)構(gòu)和功能
(1)單伸縮立柱
結(jié)構(gòu)簡單、可靠，屬液壓無級調(diào)高，調(diào)整高度方便，但調(diào)高范圍小，用在調(diào)高范圍不大的支架上，許多種放頂煤支架裝配單伸縮立柱。
(2)機械加長桿雙伸縮立柱
結(jié)構(gòu)比較簡單，調(diào)高范圍較大，有液壓無級和加長桿有級兩種調(diào)高方式，使用中經(jīng)常用液壓無級調(diào)高。操作人員需根據(jù)采煤工作面煤層厚度的變化及時調(diào)整機械加長桿的高度（有級調(diào)高）以滿足支護要求，如果有級調(diào)高調(diào)整的不及時，會出現(xiàn)支架被壓死或頂空的問題。調(diào)整加長桿的高度費時、費力。多用于煤層厚度變化較大的中厚煤層支架上。
(3)液壓雙伸縮立柱
調(diào)高范圍大，屬液壓無級調(diào)高，操作方便靈活，但結(jié)構(gòu)復雜，加工要求高，成本高。該類立柱多用于薄煤層和大采高支架上。由于該類某些缸徑立柱的中缸強度裕度偏小，遇有采煤工作面基本頂壓力顯現(xiàn)強烈時中缸有時會出現(xiàn)鼓脹現(xiàn)象，損壞立柱。
(4)三伸縮立柱
一般為三級液壓無級調(diào)高，有的在雙伸縮立柱上加一段接長桿，主要是為增加立柱的調(diào)高范圍，以滿足某些特殊結(jié)構(gòu)支架對立柱增加調(diào)高的要求。國外較早使用了這種立柱，其調(diào)高范圍很大，但結(jié)構(gòu)復雜，第三級缸內(nèi)壓力很高，對材料和加工都要求很高。目前中國還沒有研制這種立柱。
(5)千斤頂?shù)男褪胶芏?，大多為單伸縮雙作用，個別為單伸縮單作用千斤頂。按進、回液方式可分為外進液和內(nèi)進液千斤頂，大多為外進液的。按活塞固定方式可分為固定活塞式和浮動活塞式千斤頂，固定活塞式的占絕大多數(shù)，只有推移千斤頂中有一部分為浮動活塞式的。按在液壓支架上的功能可分為推移千斤頂、側(cè)推千斤頂、前梁千斤頂、護幫千斤頂、伸縮梁千斤頂、平衡千斤頂、防倒千斤頂、防滑千斤頂、調(diào)架千斤頂、底調(diào)千斤頂、抬底座千斤頂?shù)取Ｓ迷诜彭斆褐Ъ艿倪€有尾梁千斤頂、插板千斤頂、拉后輸送機千斤頂?shù)取?
1.2.2設計方法和手段
國外，從九十年代起已廣泛采用三維仿真和光彈模擬技術，并通過建立液支架的整體有限元模型開發(fā)出計算機仿真軟件系統(tǒng)對支架的受力進行分析，使支架設計與實際工況盡可能的相似，而中國目前上述技術正在研究階段，也只對特殊支架，如國家重點攻關項目，部分的采用這種技術而大批量常規(guī)設計并沒有采用。
1.2.3標準和試驗要求方面
國際上發(fā)達國家對立柱千斤頂所使用的原材料、工藝要求和試驗要求等都用大量的標準加以規(guī)定，中國也相繼制訂了多項行業(yè)系列標準、企業(yè)標準，但試驗強度總體講低于國外標準。特別是疲勞試驗，國內(nèi)千斤頂以額定工作載荷全行程往復運動，累計10000次；立柱升至最大行程，在柱頭和缸底同側(cè)偏心20mm，以額定工作載荷連續(xù)循環(huán)軸向加載，循環(huán)次數(shù)大于2000次，活塞腔加以背壓，大缸活塞桿腔(與小缸活塞桿腔同時)加以泵站公稱壓力降柱，在空載升柱，循環(huán)次數(shù)2000次。歐洲標準規(guī)定立柱或支撐千斤頂液壓行程伸出90%5%。偏心加載進行6000次加載循環(huán)，軸向中心加載循環(huán)15000次。全伸出狀態(tài)時的壓力檢驗100次。
1.2.4 操作與控制技術
國產(chǎn)液壓支架多采用手動操作，其移架速度為12～20秒，部分支架采用電液控制系統(tǒng)，也是對電液控制部分采用引進的模式。國外支架在液壓控制技術上已配置故障診斷的預警裝置，可實現(xiàn)液壓支架降、移、升和各千斤頂?shù)膮f(xié)同工作以及和采煤機、刮板機的聯(lián)動和遠程控制。
1.2.5制造工藝
(1).缸徑：國外已達到Φ500mm 中國目前最大為Φ400mm。
(2).工藝方法：國外對Φ200以內(nèi)深孔為實現(xiàn)10m長一次加工，并根據(jù)需要切割而成。中國目前最長為3m 國外可采用熱鐓技術加工油缸，即把金屬加熱至比流動狀態(tài)低50～100℃時，用萬噸水壓機沿軸向反復鐓沖加工。成型的缸筒有完整的缸底（不需再焊），同時對缸口一般擴孔成型，給缸口加工創(chuàng)造條件。國內(nèi)基本上采用推鏜珩磨或滾壓加工缸筒而后焊接缸底的工藝方法。
(3).加工精度
國外一般比國內(nèi)高一到二級，如活塞的密封面，國內(nèi)一般為f9,國外則為f8,甚至為f7。
1.2.6其它差別
(1).鍍層：國內(nèi)是錫青銅打底鍍硬鉻；DBT公司是鍍軟鉻加硬鉻，活柱采用化學鈹特殊材料，波蘭采用不銹鋼皮包活柱技術，耐腐蝕性更好。
(2).穩(wěn)定性：國外活塞和導向套多采用雙導向環(huán)，穩(wěn)定性好；國內(nèi)一般為單導向環(huán)。
(3).密封：國內(nèi)采用單一的橡膠或聚氨酯；國外采用復合密封，接觸面硬度較大，耐磨性好，內(nèi)部為彈性好的材料，通過這種搭配，密封性能和補償性能強。
(4).材質(zhì)：國內(nèi)均為27SiMn，熱處理硬度為HB240—280；國外二級缸采用材質(zhì)較好，熱處理硬度在HB320左右，缸壁薄。
1.3 以往立柱千斤頂設計過程存在的問題
1.底閥； 2.外缸； 3.中缸； 4.活柱； 5.導向套； 6.卡鍵； 7.擋圈
圖1-1 雙伸縮立柱示例
目前機械設計的手段依然是以平面制圖為主，三維制圖軟件的應用還沒有普及，平面圖中尺寸與尺寸之間雖然有關聯(lián)性卻沒有互動的功能，即圖形不能隨尺寸驅(qū)動。在立柱設計過程中的主要問題是：制圖工作量大，設計效率低；圖紙更改重復次數(shù)多，出錯率高；尺寸更改隨機性大；強度計算工作量大，計算不全面。
1.3.1 制圖工作量大、效率低
在液壓支架設計中立柱的設計相對比較精細，圖紙量大，尺寸、公差、配合比較嚴格，如圖1所示的雙伸縮立柱，一套圖紙中不包括密封件和底閥的等外購件就有30張，圖紙上溝槽多，配合緊湊，制圖工作量大。
現(xiàn)在立柱的設計主要是修改性設計，即找一套相同或者近似缸徑的設計圖紙，根據(jù)需要進行行程調(diào)整，實在無法滿足性能要求時才對活塞或者導向套尺寸進行優(yōu)化。圖一所示的立柱圖紙中與行程相關的零件、組件圖有8張，只改動行程就需要相應變動缸體、活塞桿、接頭位置等尺寸，由于沒有參數(shù)化功能，每張圖紙都需手動修改，修改工作量大。
1.3.2 圖紙更改重復次數(shù)多、出錯率高
由于立柱關聯(lián)尺寸較多，平面設計方法需要改動相關聯(lián)的每一張圖紙，重復勞動較多，如圖1所示，改動行程修要修改8張圖紙，如果改變密封溝槽或者導向套結(jié)構(gòu)，所有的圖紙都需要更改。在計算機上頻繁的切換圖紙、更改尺寸容易產(chǎn)生視覺疲勞，錯誤出現(xiàn)的幾率就大，對于立柱這種關鍵部件來說，不存在修補的可能，任何一個環(huán)節(jié)尺寸的推算錯誤，就會給生產(chǎn)造成巨大損失。
1.3.3 尺寸更改隨機性大
改變立柱行程式立柱設計中最簡單也是最常用的一種設計方法，在更改過程中立柱閉合長度和行程一起變動，兩端的活塞和導向套部份長度不變。但立柱的結(jié)構(gòu)不是一成不變的，適應于大采高和大傾角的立柱側(cè)重于穩(wěn)定性方面，加大活塞和導向套長度來增長立柱伸出后的重合段，適應于薄煤層的立柱更側(cè)重于大的伸縮比，通過減小活塞和導向套長度來實現(xiàn)，僅調(diào)節(jié)行程不能滿足性能時，立柱設計的工作主要是重新分配兩端活塞和導向套的尺寸。這時人為的因素就起了很大的作用，同樣的行程和閉合長度要求，不同的人選取的更改位置不同，設計的圖紙就會不同，尺寸更改的隨機性就大。如果采用參量化的設計方法，只有一個尺寸是開放的，可以更改，其余尺寸是不允許更改的，那么不同的人也能設計出相同的圖紙，有利于圖紙標準化程度的提高。
1.3.4 計算工作量大、不全面
立柱在設計過程中計算是最大的工作量，在現(xiàn)在的設計中，經(jīng)驗值占了一大部分，一般采用類比的方法，小零件的安全系數(shù)不做計算，除非在實踐中有損壞現(xiàn)象才去校核，在設計時往往只去計算缸體、活塞桿等關鍵件的安全系數(shù)。對整個設計來說，經(jīng)驗和類比所占的比例較多，設計中有一定的盲目性。解決復雜運算工作量大的問題可以提高計算的普及性。
1.4 立柱和千斤頂在加工、使用中存在的主要問題
煤炭科學院總院北京開采所已設計200余種類型的液壓支架，所配用的立柱、千斤頂基本上滿足了支架各種要求，但在諸多方面均存在一些問題。為使立柱、千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)更加合理，可靠性更高，便于加工、使用和維修，90年代初，在改進結(jié)構(gòu)，并進行標準化、系列化和通用化設計之前，到用戶和工廠進行了一次普遍調(diào)查，了解到存在的一些主要問題。
1.4.1 加工中的主要問題
（1）使用材料的物理機械性能低于設計要求，有的材料甚至是鋼廠的不合格品。
（2）沒按設計要求進行熱處理或處理的不符合設計要求，有的零、部件的加工精度、粗糙度不夠，有的安裝中損壞了零、部件，最常見的是密封件損壞。
（3）液壓件裝配前清洗的不干凈，鋼屑等臟物劃壞密封面和密封件。
（4）外購件不合格。
1.4.2 使用中的主要問題
（1）頂板有異常變化，采煤工作面基本頂來壓強烈，對支架有沖擊載荷，造成立柱、千斤頂缸內(nèi)壓力過大，安全閥溢流量不夠，損壞支架結(jié)構(gòu)件、立柱和千斤頂。
（2）安全閥有銹蝕，煤、巖塵堵塞，開啟壓力超過設計的調(diào)定壓力，使支架、立柱、千斤頂過載。
（3）管路系統(tǒng)污染嚴重，堅硬顆粒擦傷密封面，失去密封性能。
（4）使用的乳化液防腐性能差，使油缸銹蝕嚴重，不能密封。
（5）長期存放前沒有注入防腐性能好的乳化液，造成油缸銹蝕。庫房溫度過低，油缸中乳化液凍結(jié)脹壞油缸（缸徑變大）。
第2章 立柱的形式
2.1．液壓單伸縮立柱
液壓單伸縮立柱的簡稱為單伸縮立柱，這種立柱只有一段液壓行程S，結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，伸縮比最小。由于缸徑大小不受結(jié)構(gòu)的限制，廣泛應用在輕型支架中。單伸縮立柱的主要組成零件是：缸體、活柱、活塞、導向套。
圖2-1 單伸縮立柱A型、D型、E型結(jié)構(gòu)
圖2-2 單伸縮立柱B型、C型、F型結(jié)構(gòu)
2.2．機械加長桿立柱
機械加長桿立柱簡稱為加長桿立柱，這種立柱由一段液壓行程S1和機械行程S2組成二級伸縮，可靠性高，由于機械加長段伸出和縮回時需要多人配合操作，行程為幾段定長沒有液壓行程調(diào)節(jié)方便，一般適用于煤層厚度變化不大或者不頻繁的工作面或者端頭、端尾。主要組成零件是：缸體、開口活柱、加長桿、活塞、導向套。
圖2-3 加長桿立柱A型、D型結(jié)構(gòu)
圖2-4 加長桿立柱B型、C型、E型結(jié)構(gòu)
2.3．液壓雙伸縮立柱
液壓雙伸縮立柱簡稱為雙伸縮立柱，行程S1和S2全是液壓行程，伸縮比最大，二級缸的底部裝有單向閥，立柱伸出時先出二級缸，伸完后缸體內(nèi)增壓打開底閥活柱伸出；立柱縮回時先縮回二級缸，二級缸全部收回時缸底接觸底閥頂桿，打開底閥，活柱開始收回。由于底閥的作用，在工作狀態(tài)下，二級缸內(nèi)的壓力遠遠大于外缸內(nèi)壓力，二級缸的強度是雙伸縮立柱設計的一個瓶頸。由于伸縮比大，雙伸縮立柱廣泛應用用于大采高、薄煤層支架，尤其適用于煤層厚度不均或者采煤高度頻繁變化的工作面。雙伸縮立柱的主要組成零件是：缸體、二級缸、活柱、活塞、導向套。
圖2-5 雙伸縮立柱A型、D型結(jié)構(gòu)
圖2-6 雙伸縮立柱B型、C型、E型結(jié)構(gòu)
立柱以缸口的連接形式分類為：螺紋式，卡鍵式。卡鍵式拆卸方便但零件瑣碎、加工量大；螺紋式加工量小，對設備的精度要求高，目前立柱缸口連接類型正在從螺紋式、卡鍵式向矩形螺紋發(fā)展。
圖2-7立柱分類層次圖
2.4.組成立柱的主要組件、部件和零件
立柱主要由活柱組件、缸體部件、缸口導向套組件、加長桿組件和中缸底閥等組成。
2.4.1 活柱組件
由活柱、密封件、導向環(huán)、活塞導向環(huán)和固定連接件組成。
（1）活柱由活塞、柱管和柱頭焊接而成。柱塞一般選用40Cr鋼，柱管大多選用高強度厚壁無縫鋼管，材料可焊性好的調(diào)質(zhì)鋼，常用的有27SiMn、25CrMo等；柱頭多選用35號等強度高、可焊性好的鋼材。組焊后精加工外表面，并要求有較高的光潔度以滿足密封性能的要求。柱管工作時經(jīng)常伸出在外面與采煤工作面的腐蝕性氣體、液體接觸，有時也會受到某些物件、煤、矸石的砸碰，為適應上述工作環(huán)境的要求，柱管表面大都鍍?nèi)榘足t和硬锘，以增強抗腐蝕、耐摩擦和抗砸碰的能力。
柱塞應具有良好的密封性、可焊性、耐摩性及沖擊和振動的性能。
（2）密封件種類較多，常用的形式有鼓形密封圈、山形密封圈和蕾形密封圈。鼓形密封圈耐壓力高，可達60MPa，能雙向密封，拆裝方便，應用較多。主要缺點是高度和寬度都大，影響行程。在雙伸縮立柱上使用不夠合理，并使柱塞結(jié)構(gòu)復雜，增加制造成本；山形密封圈的斷面小，使立柱的結(jié)構(gòu)緊湊，行程增加，并使柱塞的結(jié)構(gòu)簡化，造價降低，但安裝時需要專用工具，這種密封圈是80年代中期研制的，較鼓形圈出現(xiàn)的晚，但因其優(yōu)點較多，推廣使用的較快；蕾形密封圈狀如花蕾，具有耐壓高、防擠性能強、密封可靠和壽命長的特點，但由于造價高，使用數(shù)量較少。
（3）活塞導向環(huán)與鼓形或山形密封圈配合，有防擠、導向和減摩作用，大都由聚甲醛制造。
（4）外導向環(huán)直接裝在柱塞或裝到外卡鍵上，起導向、減摩作用，由聚甲醛制造。
（5）固定連接件包括支撐環(huán)和外卡鍵。支撐環(huán)起托住鼓形密封圈和活塞導向環(huán)的作用；外卡鍵用于固定密封件和導向環(huán)，以保證在液壓作用下不竄動、不脫落。
（6）限位方式常用的有3種：鋼絲限位、限位套限位和柱塞凸臺限位。大多數(shù)用柱塞凸臺方式限位，立柱長度大、行程大時用限位套限位。如下圖所示
（a）
（b）
（c）
圖2—8柱塞密封、導向及限位方式
a ——鋼絲限位；b ——柱塞突臺限位；c ——限位套限位
1—外導向環(huán)；2—外卡鍵；3—支撐環(huán)；4—活塞導向環(huán)；5—密封圈；6—柱塞；
7—缸體； 8—柱管； 9—限位鋼絲；10—限位套
2.4.2 缸體部件
缸體主要由缸底和缸筒焊接而成，缸底與支架底座鉸接。缸體是立柱主要承載件之一。
（1）缸底大部分采用球頭形，少數(shù)采用反球頭形，這主要是為了減少偏載作用和適應立柱在底座上傾斜布置的要求，大多選用強度高、焊接性能好的35號鋼鍛造而成。
（2）缸筒需承受高壓液體的作用，且要保證工作人員的安全，故要求材料的強度高，一般要求，延伸率大于12%。國內(nèi)常用27SiMn、25CrMo4等材質(zhì)的無縫鋼管加工而成。缸筒內(nèi)表面是高壓密封面，要求較高的加工精度和粗糙度。我國缸筒內(nèi)表面一般不鍍防腐層，基本上可以滿足使用要求。
（3）通液管是缸底通向閥接板的通道，鋼管的焊接性能好，材料一般為20號、15號鋼，內(nèi)徑為10——16mm，壁厚一般為6mm。當立柱通過膠管與控制塊相連時可不需要此鋼管。
2.4.3 缸口導向套組件
（1）導向套在活柱升降時起導向作用，與活塞桿間的間隙較小，要承受外載對活柱的橫向力，多采用40Cr和27SiMn等材料制造。
（2）導向環(huán)多用聚甲醛制造，嵌于導向套內(nèi)表面的溝槽中。導向環(huán)與活柱接觸緊密，是一對硬度相差較大的摩擦副，有減摩作用，可防止活柱和導向套相互擦傷。
（3）密封件為單向密封的蕾形密封圈，其上一般裝有用聚甲醛制造的起防擠作用的擋圈。
（4）防塵圈用來防止活柱表面的煤塵、巖塵和贓物進入油缸和液壓系統(tǒng)，保證密封可靠，減少零件磨損。有JF型和GF型（有骨架）兩種防塵圈，現(xiàn)多用JF型。
（5）導向套與缸口連接方式有螺紋連接、卡環(huán)連接和鋼絲連接3種，前兩種連接方式使用較多。
2.4.4 接長桿組件
（1）接長桿用來增加立柱的伸縮值，采用圓鋼加工而成。在機械調(diào)高的分級部位加工成環(huán)形槽，以便扣入承載卡環(huán)。加長桿頭部結(jié)構(gòu)與尺寸與活柱柱頭相同。
（2）卡環(huán)是傳力件，一般制成半環(huán)形，以便于裝入加長桿的環(huán)形槽中，要求用強度高的鋼材加工。
（3）固定連接件包括套在卡環(huán)外面起固定作用的鋼套和固定鋼套的銷子。
缸口連接、活柱導向、密封、防塵方式等，如圖所示
（a）
(b)
(c)
(d)
(e)
(f)
(g)
(h)
(i)
(j)
圖2—9 缸口連接、活柱導向、密封和防塵方式
a 、b –單伸縮內(nèi)螺紋連接； c 、d –雙伸縮內(nèi)螺紋連接；
e –單伸縮卡環(huán)連接；f –雙伸縮卡環(huán)連接 g –單伸縮外螺紋連接；
h 、i、j –單伸縮彈簧鋼絲連接；
1-缸體；2-導向套；3-活柱；4-導向環(huán)；5-密封圈；6-防塵圈；
7-連接鋼絲；8-卡環(huán)；9-擋圈；10-中缸體；11-支撐環(huán)
2.4.5 底閥
底閥用于控制雙伸縮立柱二級缸與活柱的伸縮順序，并保持二級缸獲得與一級缸相同工作阻力。它是機械開啟的單向閥，其液壓開啟力可以調(diào)整，以便保證升柱時首先伸出一級缸，其結(jié)構(gòu)如圖
圖2—10雙伸縮立柱底閥
總結(jié)：立柱各部分的特點
組成
基 本 要 求 與 特 點
缸體
缸筒
1. 要求材料強度高，能承受高壓，一般要求
2. 要求材料延伸率高，一般，保證缸筒在高壓作用下不致發(fā)生脆裂，防止井下發(fā)生傷人等事故
3. 要求材料可焊性好。國內(nèi)常用27SiMn、25CrMo4等材料
4. 一般缸筒用無縫鋼管，經(jīng)加工而成。缸筒內(nèi)表面是活塞的密封表面，所以要求較高的加工精度與粗糙度。我國一般要求配合精度為，表面粗糙度--(--)
5. 缸筒內(nèi)表面與乳化液接觸，要求耐腐蝕，但除特殊要求外，一般無需鍍層，便可滿足要求
缸底
1. 為減少立柱受偏載作用，以及掩護式與支撐掩護式支架中適應立柱傾角位置的變化，大部分立柱缸底采用球頭形式；個別厚煤層支架用立柱缸底則采用反球頭形式
2. 要求材料強度高，可焊性好。一般鍛壓加工而成
活柱
活柱筒
1. 對材料強度、延伸率及可焊性等要求與缸筒的要求相同
2. 大部分是由合金無縫鋼管與柱頭、活塞縫焊接加工而成，個別小直徑立柱的活柱采用圓鋼加工而成
3. 活柱外表面必須耐磨、耐腐蝕，要求與導向套的配合精度一般，表面粗糙度為--(--)
4. 表面要有防腐耐磨鍍層。常用的為雙層鍍鉻，如先鍍?nèi)榘足t，后鍍硬鉻，可用銅打底，鍍硬鉻或鍍銅等
活塞組件
活塞
1. 要求活塞組件具有良好的密封性能、耐磨損性能及承受外力的沖擊和振動等性能
2. 大部分立柱的活塞直接焊在活柱上，零件少，密封環(huán)節(jié)少，可靠性高
3. 個別采用小斷面密封件的雙伸縮立柱活塞直接在活柱筒上加工而成，沒有專門的活塞
4. 個別立柱采用組裝活塞式結(jié)構(gòu)，零件多，增加了密封環(huán)節(jié)。大部分用于各類千斤頂，目前應用較少
密封圈
1. 鼓形密封圈。它是由兩個夾不U形橡膠圈中間夾一塊橡膠壓制而成的整體實心密封圈。這種密封圈的優(yōu)點是耐壓力高，可適應工作壓力2—60MPa；可以雙向密封，裝拆方便，活塞結(jié)構(gòu)簡單，應用較多。主要缺點是斷面較大，影響立柱行程的發(fā)揮，用于雙伸縮立柱時不太合理，其密封圈的制造比較復雜
2. 山形密封圈。它是一種山字形小斷面橡膠密封圈，主要優(yōu)點是除了能滿足鼓形密封圈的各種性能之外，外形尺寸與斷面較小，因此可保證立柱結(jié)構(gòu)更合理緊湊，多用于雙伸縮立柱的活塞密封
3. 梯形密封圈。這也是一種類似于山形密封圈的小斷面純橡膠密封圈，其優(yōu)點與山形的相似，多用于雙伸縮立柱
導向環(huán)
1. 與鼓形密封圈相配合的為LW型活塞導向環(huán)，雙向都有。一般由聚甲醛制成。其功能有防擠、導向及減磨
2. 與山形密封圈相配合的為雙向聚四氟乙烯擋圈與聚四氟乙烯楔形支承環(huán)
3. 與梯形密封圈相配合的雙向聚甲醛導向環(huán)
限位方式
1. 限位結(jié)構(gòu)的功能是增加活柱與缸體的重合段長度，保證立柱的最大行程高度時的穩(wěn)定性與安全可靠性
2. 常用的有鋼絲環(huán)限位，距離套限位等方式，或者根據(jù)結(jié)構(gòu)允許無限位，即直接用活柱臺階或活塞限位。其中后兩種限位方式比較可靠，應用較廣
連接固定
1. 卡鍵連接固定
連接卡鍵為剖分式結(jié)構(gòu)，便于裝拆。用于在軸向?qū)⒚芊?、導向組件等固定，以便保證在壓力作用下不竄動，不脫落，保證可靠的密封與導向。多用于焊接活塞結(jié)構(gòu)，也用于組裝活塞結(jié)構(gòu)
2. 螺釘壓帽固定
多用于組裝活塞結(jié)構(gòu)。一般用螺母壓緊固定，用螺釘與防松堵防松
缸口導向組件
導向套
1. 導向套在活柱升降時起導向作用。它與活塞桿表面既要緊密接觸又要動作靈活，同時要承受住由外部載荷對活塞桿形式的橫向壓力、彎曲及振動等影響
2. 目前多采用聚甲醛的DM導向環(huán)壓裝到導向套內(nèi)。導向環(huán)與活柱之間無間隙，而導向套內(nèi)孔與活柱之間則留有間隙。導向套也可采用銅合金等材料制做，目前使用較少
密封圈
1. 蕾形密封圈。它是由一個夾布U形橡膠圈與唇內(nèi)夾橡膠壓制而成的單向?qū)嵭拿芊馊?
2. 蕾形密封圈密封可靠，適于工作壓力<60MPa；裝配方便，但密封圈本身的加工較復雜
3. 某些情況下，雙伸縮立柱也采用小斷面密封件，使結(jié)構(gòu)緊湊
4. 固定密封，一般采用O形密封圈加擋圈
防塵圈
1. 防止活柱上的粉塵贓物帶入油缸，保證可靠密封，減少零件磨損
2. 一般有JF型橡膠防塵圈與GF型骨架式防塵圈可供選用。后者不易翻出，可靠性好，但成本較高
缸口連接
1. 螺紋連接，結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠，但加工困難，而且在井下使用久了容易生銹，拆裝不方便
2. 鋼絲連接，結(jié)構(gòu)簡單，但裝拆較麻煩，耐壓不高
3. 卡環(huán)連接，結(jié)構(gòu)較復雜。主要傳力件是卡環(huán)。為安裝方便，采用割分結(jié)構(gòu)，缸口尚需固定。這種結(jié)構(gòu)耐壓高、裝拆容易
機械加長
加長桿
1. 為優(yōu)質(zhì)圓鋼加工而成。在機械調(diào)高的分級部位加工出卡槽
2. 帶機械加長段時，柱頭與加長桿為一體，要求其結(jié)構(gòu)尺寸與活柱頭相同
卡環(huán)
1. 卡環(huán)是傳力件，要求強度高，端面平行度好
2. 一般卡環(huán)為兩個半圓環(huán)，以便裝入加長桿的卡槽內(nèi)
固定連接
一般包括套在卡環(huán)外面的鋼套、銷軸等，用作限位固定
底閥
1. 作用：在雙伸縮立柱中控制二級缸與活柱的伸縮順序，并保證兩極缸獲得相同恒定工作阻力
2. 原理特點：是機械（頂桿）控制的一種單向閥，其開啟壓力可以調(diào)整，以便保證升柱時首先動作一級缸
其它連接件
1. 立柱的進液連接大都采用外進液方式，即接頭布置在油缸體上。這種方式結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，但在搬運中要注意砸壞接頭與管子
2. 內(nèi)進液是指接頭均布置在活柱上，活柱內(nèi)焊鋼管或打長孔。這種方式結(jié)構(gòu)緊湊，搬運時不易損傷，但加工
第3章 立柱的設計與強度計算
隨著煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，煤機制造行業(yè)技術的飛速提高，對液壓支架的要求也越來越高了，目前我們已能生產(chǎn)雙柱支護強度為10800KN，支護高度達6.3m的液壓支架，以無法同以前類比設計的方法進行有效的設計，而必須立足于我國現(xiàn)有的材料和工藝為基礎，進行創(chuàng)新設計。
3.1 立柱計算原則
液壓支架立柱的受力狀態(tài)隨工作面地質(zhì)條件的變化而變化。立柱是液壓支架的主要承載部件，其受力狀況也隨著夜壓支架的變化而改變，因而，根據(jù)立柱的實際受力工況對立柱進行受力分析是不現(xiàn)實的。立柱的室內(nèi)型式試驗規(guī)范是綜合了礦壓、立柱實際使用條件、支護系統(tǒng)特征等因素對立柱承載能力提出的要求，因而，進行立柱設計時，一般按照型式試驗規(guī)范的加載方式作為邊界條件進行計算。我國現(xiàn)實行的標準還是MT313—92標準，但新的立柱試驗標準討論稿已于2006年11月向各煤機生產(chǎn)企業(yè)及煤機使用企業(yè)發(fā)出，該標準主要是在兼顧我國生產(chǎn)基礎的條件下，參考歐洲現(xiàn)有的1804—2標準提出的，相對的試驗條件比現(xiàn)有的313—92標準更為苛刻。具體表現(xiàn)為以下幾個方面
MT313—92標準中對立柱進行室內(nèi)型式試驗時，要求立柱在最大高度條件下必須滿足以下三個條件：
1) 能承受倍的額定載荷作用；
2) 兩端同側(cè)偏心30mm，能承受倍額定載荷作用。
3) 耐久性試驗的次數(shù)為不少于2000次及累計行程不少于300m，要求立柱底閥開啟。
討論稿中依據(jù)的歐洲標準對立柱的試驗時，要求立柱在最大高度條件下必須滿足以下三個條件：
1) 能承受2倍的額定載荷作用。
2) 一端對中一端偏心，偏心的距離按照立柱球頭的半徑來定為，能承受倍額定載荷作用。
3) 耐久性能的試驗次數(shù)為偏心加載6000次，要求立柱底閥開啟；對中加載15000次，加載載荷為倍額定載荷作用。
對于這兩個標準的比較，一般應采用新的試驗標準的載荷條件要求對立柱強度校核。
3.2 立柱設計
立柱是液壓支架的主要承載與高度調(diào)節(jié)件。它除了要具有較高的承載能力外，還應有較大的伸縮行程，以滿足支架工作高度的要求。在厚煤層開采中，為了增大支架對煤層厚度變化的適應性，常需使支架的伸縮比較大。此時，單伸縮立柱就難以滿足要求。雖然采用在支架上裝設機械加長桿的方法，在一定程度上可以擴大其調(diào)高范圍。但機械加長桿在安裝后就成為固定活塞桿，需要調(diào)節(jié)時裝拆比較困難。目前，在國內(nèi)外一些大高度的新型支架上日益采用伸縮式立柱。由于本設計的采高的變化范圍較小，因此采用單伸縮立柱結(jié)構(gòu)。
3.2.1立柱缸筒內(nèi)徑的確定
立柱缸筒內(nèi)徑按下列公式計算：
（3.1）
式中：——立柱缸筒內(nèi)徑，；
F——支架承受的理論總載荷力，;
——安全閥額定工作壓力，，已知 ；
圓整，取。
3.2.2泵站壓力的確定
本設計選用型乳化液泵站，壓力，考慮各種損失，按計算。
故取
3.2.3立柱初撐力的計算
（3.2）
式中：——立柱初撐力，;
——泵站壓力，。
代入相關數(shù)據(jù)，得：
3.2.4立柱工作阻力的計算
（3.3）
式中：——單根立柱工作阻力，；
——安全閥額定工作壓力，。
代入相關數(shù)據(jù)，得：
3.2.5立柱缸筒壁厚的計算
支架立柱的壁厚一般為 ,即中等壁厚，按下式計算：
（3.4）
式中：——缸內(nèi)工作壓力，；
——考慮管壁公差即侵蝕的附加厚度，一般??；
——強度系數(shù)，無縫鋼管??；
——缸體材料許用應力，，缸體選用，
——立柱缸筒內(nèi)徑，。
代入相關數(shù)據(jù)，得：
圓整，取
故缸筒外徑
缸筒內(nèi)徑
3.3立柱強度驗算
3.3.1立柱缸筒強度驗算
1.缸體壁厚驗算
對最終采用的缸筒厚度應作四方面的驗算：
A）額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全：
B）同時額定工作壓力也應與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生；
式中：——缸筒發(fā)生完全塑性變形的力
由于
故
——缸筒材料屈服強度（MPa）
C）此外，尚須驗算缸筒徑向變形應處在允許范圍內(nèi)：
式中：——缸筒耐壓實驗壓力（MPa）
——缸筒材料彈性模數(shù)（MPa）
合金鋼取
——缸筒材料泊桑系數(shù)
鋼材取
查相關手冊得該型密封圈的變動范圍為5.1mm
故變形量不超過密封圈允許范圍
D）最后，還應驗算缸筒的爆裂壓力
式中：——缸筒材料的抗拉強度
由于
綜合以上，所選缸筒厚度符合要求
3.4一級缸的相關計算
3.4.1一級缸的外徑的確定
根據(jù)缸筒的內(nèi)徑和密封手冊，取
3.4.2一級缸壁厚的計算
支架立柱的壁厚一般為 ,即中等壁厚，按下式計算：
（4.4）
式中：——缸內(nèi)工作壓力，；
——考慮管壁公差即侵蝕的附加厚度，一般??；
——強度系數(shù)，無縫鋼管?。?
——缸體材料許用應力，，缸體選用，
——立柱缸筒內(nèi)徑，。
代入相關數(shù)據(jù)，得：
圓整，取
故缸筒外徑
缸筒內(nèi)徑
3.5一級缸的強度驗算
3.5.1一級缸強度驗算
1.缸體壁厚驗算
對最終采用的缸筒厚度應作四方面的驗算：
A）額定工作壓力應低于一定極限值，以保證工作安全：
B）同時額定工作壓力也應與完全塑性變形壓力有一定的比例范圍，以避免塑性變形的發(fā)生；
式中：——缸筒發(fā)生完全塑性變形的力
由于
故
——缸筒材料屈服強度（MPa）
C）此外，尚須驗算缸筒徑向變形應處在允許范圍內(nèi)：
式中：——缸筒耐壓實驗壓力（MPa）
——缸筒材料彈性模數(shù)（MPa）
合金鋼取
——缸筒材料泊桑系數(shù)
鋼材取
查相關手冊得改型密封圈的變動范圍為3.6mm
故變形量不超過密封圈允許范圍
D）最后，還應驗算缸筒的爆裂壓力
式中：——缸筒材料的抗拉強度
由于
綜合以上，所選缸筒厚度符合要求
3.6二級缸的相關計算
3.6.1二級缸的外徑的確定
根據(jù)一級缸的內(nèi)徑和密封手冊可知二級缸的外徑（也既是活柱的直徑）
3.7各桿的長度確定
缸體主要由缸底和缸筒焊接而成，缸底與支架底座鉸接。缸體是立柱主要承載件之一。
缸筒長度L由最大工作行程長度加上各種結(jié)構(gòu)需要來確定，即：
L=l+B+A+M+C （3.5）
式中：
l—為活塞的最大工作行程；
B—為活塞寬度，一般為(0.6-1)D;A為活塞桿導向長度，取(0.6-1.5)D;
M—為活塞桿密封長度，由密封方式定；
C—為其他長度。
一般缸筒的長度最好不超過內(nèi)徑的20倍。
故活柱的長度為：2.168m
二級缸的長度為：2.173m
一級缸的長度為：2.297m
第4章 立柱的受力分析與驗算
4.1 立柱各段受力分析
如圖所示，立柱外缸外徑D1，內(nèi)徑；中缸外徑D2，內(nèi)徑d2；活柱外徑D3。
圖4-1 雙伸縮立柱圖
4.1.1 活柱受力分析
如圖（4—2）所示
圖4-2 活柱受力簡圖
不論是雙伸縮立柱還是單伸縮帶機械加長段立柱，活柱的受力狀態(tài)為單向應力狀態(tài)，由壓力和彎曲應力組合而成，即
（4—1）
式中：：立柱的最大受力（N）
：活柱的橫截面積（）
：活柱的最大彎矩（）
：活柱的抗彎模量（）
（4—2）
式中： ：為單立柱的承受的工作阻力；
：按試驗要求確定的載荷倍數(shù)，強度試驗歐洲標準為，MT313-92標準；
：為載荷偏心；MT313-92標準，歐洲標準；
從實際的使用情況反映，活柱的受力情況相對比較合理，故障率較低。因此在設計中一般應以受力情況最惡劣的中缸為主要設計依據(jù)。
4.1.2 中缸受力分析
單伸縮帶機械加長段立柱中缸受力狀態(tài)仍為單向應力狀態(tài)，其組合應力為
（4—3）
其中 —中缸橫截面積（）
—中缸所受最大彎矩（）
：中缸的抗彎模量（）
對于雙伸縮立柱，其中缸不但受彎曲應力作用，而且還由于油壓的影響受到徑向應力和周向應力的作用，為三維應力狀態(tài)。對于立柱的中缸而言外徑與內(nèi)徑的比遠大于1.2。因此可按照厚壁圓筒的力學分析進行。參考《應用彈塑性力學》徐秉業(yè)、劉信聲。當厚壁圓筒處于彈性狀態(tài)時，可以用應力法或位移法進行求解，其解答應滿足彈性邊界問題的基本方程及相應的邊界條件。如圖（4—3）徑向應力和周向應力可由拉梅公式計算，即
圖4-3 中缸的受力簡圖
（4—4）
軸向應力為彎曲應力
（4—5）
式中 、：中缸外半徑、內(nèi)半徑（）
：中缸內(nèi)油壓應力()
：中缸外環(huán)油壓力()，在中缸未伸出低缸部分為低缸內(nèi)壓力，伸出低缸部分為大氣壓力。
：中缸所受最大彎矩（）
：中缸徑向尺寸，計算中常為搜索變量()。
按照第二強度理論計算組合應力為
（4—6）
由上面的式子可算出中缸壁上4個組合應力，取最大作為校核強度參數(shù)。
下式為厚壁圓筒在內(nèi)外應力作用下的應變表達式。
（4—7）
其中：E為材料的彈性模量；
v為材料的泊松比
中缸徑向變形的計算公式如下：
（4—8）
上式在液壓立柱在帶壓試驗中測量中缸的彈性變形加以驗證。
4.1.3 外缸受力分析
外缸的受力狀態(tài)與雙伸縮立柱的中缸受力情況相似，但外缸的外壓為大氣壓，由于內(nèi)壓遠遠大于外壓()，因此在工程計算中一般可以忽略。因而可取其最大組合應力點作為校核點。
4.1.4 強度校核條件
立柱強度的校核條件依據(jù)下式表示
（4—9）
其中 ：：第i段最大組合應力；
：第i段材料的屈服極限；
：第i段的安全系數(shù)。
4.2 立柱剛度分析
根據(jù)立柱受力情況，可將立柱簡化為一個受縱向載荷作用、載荷通過端面形心或偏離形心，并具有變斷面和初撓度的縱向彎曲梁，其力學模型如圖所示。此圖為雙伸縮立柱計算模型，單伸縮立柱及千斤頂計算可參考此圖進行。軸向載荷p作用于上、下兩端面，偏離載荷，偏離端面中心的距離為、，相鄰兩段油缸的折線夾角為、；油缸重合部分長為、，不重合部分為、、，相應各段慣性矩為、、、、，其中，，各段立柱的撓度記為。
圖4-4 外缸直徑方向應力圖
由力學模型
1) 軸向壓力：當軸向載荷不通過立柱軸線時，還要考慮偏心影響；
2) 油缸內(nèi)油壓漲力：雙伸縮立柱外缸和中缸均受油壓作用，單伸縮帶機械加長段立柱只有外缸受油壓作用；
3) 在軸向載荷作用下，立柱橫向撓曲產(chǎn)生附加彎矩的大小與橫向撓曲量和軸向載荷有關；
4) 立柱細長比不同時，臨界載荷不同，當細長比較大時，立柱失穩(wěn)傾向。
4.2.1立柱平衡微分方程
根據(jù)力學原理，可建立如下平衡微分方程，即
（）， （4—10）
式中 —立柱第i段彈性模量；
—立柱第i段慣性矩；
—立柱第i段撓度；
解微分方程，可得微分方程的通解，即
（4—11）
（4—12）
（4—13）
其中
4.2.2 邊界條件與銜接條件
根據(jù)立柱計算模型，可得如下邊界條件為
（4—14）
設定：
（4—15）
可得以下方程組（以矩陣方式表達），即
（4—16）
解方程組（4—16），可得到參數(shù)，再代入方程（4—11），（4—12），（4—13），可得到以為變量的立柱各點的撓度、轉(zhuǎn)角，和彎矩。
4.2.3 立柱各段最大彎矩計算
先求最大彎矩及其位置，對下式求極值，令
可得 （4—17）
即為立柱每段最大彎矩的位置
當或時，最大彎矩出現(xiàn)在該段立柱的兩端，彎矩為和。
當時，最大彎矩出現(xiàn)在該段立柱上，彎矩為。
4.2.4 油缸折線夾角、的確定
油缸折線夾角、關系到立柱的受力狀況，因此對油缸夾角的計算會關系立柱系統(tǒng)的穩(wěn)定，、主要由油缸缸體與活塞之間的間隙決定，在計算中忽略了油缸活塞與活塞桿的同軸度誤差。具體的計算如下：
（1） 的計算
對于雙伸縮立柱，主要與小導向套之間的間隙活柱活塞頭與中缸內(nèi)壁之間的間隙決定。
（4—18）
對于單伸縮帶加長段立柱按以下公式計算：
（4—19）
其中 ：機械加長段與卡環(huán)之間的最大間隙；
：機械加長段與中缸之間的最大間隙；
：卡環(huán)與套環(huán)之間的最大間隙。
圖4-5 雙伸縮立柱活柱 圖4-6單伸縮帶機械加長與段中缸連接方式 立柱活柱與中缸連接方式（2） 的計算
可按以下公式計算
（4—20）
其中： ：中缸與大導向套之間的最大間隙；
：中缸活塞頭與外缸之間的最大間隙。
4.2.5 穩(wěn)定性校核
對于線性方程組中，利用克萊姆法則，可求得撓度的待定系數(shù)，即
（4—21）
其中，為矩陣中第列被矩陣所替代而形成的矩陣。
在式中，的大小將決定立柱的穩(wěn)定性。當時，意味著立柱失去穩(wěn)定，此時，因此，對于給定的立柱，為一定值，故：只要，就意味著立柱失去穩(wěn)定性。另外參考《液壓支架液壓傳動的計算與設計》，前蘇聯(lián)波諾馬連科著，立柱臨界力可有下式確定，該力學模型是建立在分段等截面的壓桿穩(wěn)定性原理的基礎上的，歐洲標準也選用該種方法進行穩(wěn)定性校核：
（4—22）
其中，，，為各級立柱的長度。
立柱穩(wěn)定性計算程序用Mat lab計算軟件編制，這樣可以充分利用該軟件的矩陣計算內(nèi)部函數(shù)，有效地提高計算效率，保障計算結(jié)果的可靠性。
對于400缸徑的立柱撓度及轉(zhuǎn)角計算，參考圖4-7，計算的的結(jié)果由圖形輸出，圖中實線代表撓度單位（m），點劃線代表轉(zhuǎn)角單位（rad）。
圖4-7 L1段撓度曲線圖
第一段為活柱的撓度及轉(zhuǎn)角，撓度最小在活柱的頭部為，符合邊界條件，最大在活柱的底部為，變化范圍為，由于該立柱的活柱為圓筒結(jié)構(gòu)，壁厚，但直徑在整個立柱中是最小的，所以其剛度較差。最大轉(zhuǎn)角為出現(xiàn)在活柱的頭部，最小轉(zhuǎn)角為出現(xiàn)在活柱的尾部，轉(zhuǎn)角變化為。
圖4-8 L2段撓度曲線圖
該圖為活柱與中缸的重疊部分，該部分的剛度近似兩者的剛度和，從圖中可以讀出該段的頭部撓度就是上段的尾部撓度，為，最大撓度出現(xiàn)在該段的尾部為，撓度的變化為，為活柱撓度變化的。頭部轉(zhuǎn)角為最大，尾部轉(zhuǎn)角最小為，轉(zhuǎn)角的變化為，明顯小于上段。
圖4-9 L3段撓度曲線圖
該圖為中缸的撓度及轉(zhuǎn)角，中缸的最大撓度為上段的尾部撓度，最小撓度出現(xiàn)在中缸的底部為，撓度變化為，界于一段與二段的撓度變化中間，說明其剛度也在二者中間。轉(zhuǎn)角最大出現(xiàn)在中缸的頭部為最小出現(xiàn)在中缸的尾部為，轉(zhuǎn)角變化為得出的剛度結(jié)論同上。
圖4-10 L4段撓度曲線圖
該段為中缸與外缸重疊部分的撓度及轉(zhuǎn)角，該段的直徑，壁厚為最大，剛性最好，從圖中的數(shù)據(jù)也能反映出來，該段的頭部撓度最大為，尾部撓度最小為，撓度變化為，,約為活柱撓度變化的。該段轉(zhuǎn)角最大出現(xiàn)在頭部為，轉(zhuǎn)角最小出現(xiàn)在尾部為，轉(zhuǎn)角變化為。上述數(shù)據(jù)表明該段的變形是非常小的。
圖4-11 L5段撓度曲線圖
該圖表明外缸的撓度及轉(zhuǎn)角的變化情況，最大撓度出現(xiàn)在外缸的頭部為，最小撓度在外缸的底部為，符合邊界條件，撓度變化為。最大轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在外缸的頭部為，最小轉(zhuǎn)角出現(xiàn)在外缸底部為，轉(zhuǎn)角變化為，從結(jié)果看外缸的剛性界于活柱與中缸之間。
從計算的結(jié)果還可以得出，立柱在偏載的作用下的總體變形情況為兩頭高，中間低的拱形。
依據(jù)臨界力的計算公式，也可以計算出，該立柱的臨界力為35243KN，安全系數(shù)達6.5。符合工程設計要求。
第5章 基于Matlab軟件的中缸的受力分析
MATLAB語言是美國Mathworks公司研制開發(fā)的大型計算軟件，自1985年問世以來，特別是1993年4.x Windows版本的出現(xiàn)，使得MATLAB語言的使用獲得了巨大的發(fā)展。現(xiàn)在的主流版本已支持64位的Matlab 2006版。它的強大的矩陣處理與運算功能、豐富的圖形繪制能力深受用戶的青睞。該軟件有著良好的輸入輸出接口，兼容C，C++等高級語言，有大量的數(shù)學原函數(shù)庫，在使用中可以調(diào)用，另具有諸如控制、信號處理，曲線擬合、非線性分析等工具箱，特別適合于工程運算還支持符號運算。
現(xiàn)就6.3m液壓支架立柱的工況進行強度分析和參數(shù)尋優(yōu)。
已知條件為單柱工作阻力為5400KN，現(xiàn)有的材料為,
工藝條件確定了油缸的最大加工直徑不大于450，缸筒的壁厚小于50。油缸的內(nèi)徑一般依據(jù)密封圈的尺寸進行選擇，一般是5的倍數(shù)。
根據(jù)已知的條件，結(jié)合已有的設計進行類比，可以確定缸壁的厚度應該在35—50，初步定45進行計算得下圖。
圖5-1 中缸壁厚45mm時內(nèi)徑—應力圖
由上圖可知當壁厚為45時，中缸的內(nèi)徑在350—400之間比較合理。
當設定壁厚為40時，計算結(jié)果如下：
圖5-2 中缸壁厚40mm時內(nèi)徑—應