支撐式?jīng)_擊破巖掘進(jìn)機(jī)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)【全套圖紙】

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1、中文題目：支撐式?jīng)_擊破巖掘進(jìn)機(jī)支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì) 外文題目：Support Impact Rock Machine Support mechanism design 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）共 98 頁(yè)（其中：外文文獻(xiàn)及譯文15頁(yè)） 圖紙共張 完成日期 2014年6月 答辯日期 2014年6月 I 摘要 隨著現(xiàn)代化建設(shè)腳步的加快，礦山機(jī)械也在不斷的發(fā)展，但由于能源和建設(shè)等施工要求增大，掘進(jìn)機(jī)的性能還不能夠完全適應(yīng)，所以迫切要求設(shè)計(jì)出新型掘進(jìn)機(jī)以適應(yīng)工況要求。 支撐式?jīng)_擊破巖掘進(jìn)機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)于整機(jī)的性

2、能起著決定性的作用。因此,根據(jù)掘進(jìn)機(jī)的用途、作業(yè)情況及制造條件,合理選擇機(jī)型,并正確確定各部結(jié)構(gòu)型式,對(duì)于實(shí)現(xiàn)整機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)、保證機(jī)器的工作性能具有重要意義。 本設(shè)計(jì)是對(duì)支撐式?jīng)_擊破巖掘進(jìn)機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。通過(guò)應(yīng)用掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)的一系列知識(shí)，對(duì)掘進(jìn)機(jī)支撐機(jī)構(gòu)加以分析，并且運(yùn)用有限元分析法進(jìn)一步對(duì)支撐機(jī)構(gòu)做了優(yōu)化設(shè)計(jì)。最后使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)達(dá)到本設(shè)計(jì)的目的，使該掘進(jìn)機(jī)在滿足原有要求的情況下實(shí)現(xiàn)體積小、成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用維護(hù)方便的要求。 關(guān)鍵詞：支撐式?jīng)_擊破巖掘進(jìn)機(jī)；支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元分析法 全套圖紙，加153893706 I ABSTRACT With

3、 the accelerated pace of modernization construction, mining machinery are also constantly development, but due to energy and building construction requirements of the increase, boring machine is not able to completely meet the performance, there is an urgent request to design a new boring machine to

4、 adapt to conditions Requirements. The supporting impact broken rock machine design of the support organization plan for the performance of the play a decisive role. Therefore, in accordance with the purposes boring machine, operating and manufacturing conditions, a reasonable choice of models and

5、determine the right structure of ministries, for the achievement of the various technical indicators to ensure that the machines work performance is of great significance. The design is to supporting impact broken rock machine design of the support organization .Through the application of a series

6、of boring machine design knowledge, analysis the support organization of the boring machine, and apply the finite element analysis to the support organization for further optimize the design done. So that the final design of the system designed to achieve this purpose, so that the boring machine to

7、meet the requirements of the original under small size, low cost, high efficiency, simple structure and facilitate the use of safeguard requirements. Key words: Supporting impact broken rock machine; Support organization Design;Finite Element Analysis I 目錄 前言 1 1 緒論 2 1.1

8、選題的目的與意義 2 1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 2 1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 2 2 支撐機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 4 2.1 類(lèi)型及其特點(diǎn) 4 2.1.1 獨(dú)立的支撐機(jī)構(gòu) 4 2.1.2 機(jī)載支護(hù)裝置 5 2.2 支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案確定 6 3 支護(hù)油缸的選擇 8 3.1 核心構(gòu)件結(jié)構(gòu)分析 8 3.1.1 缸體 8 3.1.2 缸底 8 3.1.3 活塞桿 9 3.1.4 導(dǎo)向套 9 3.2 總體結(jié)構(gòu)布局 9 3.3 連接方式 10 3.3.1 缸底與缸筒的連接 10 3.3.2 缸筒與導(dǎo)向套的連接 10 3.3.3 裝配關(guān)系及配合公差 10

9、 3.4 預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度 10 3.4.1 理論支護(hù)強(qiáng)度 10 3.4.2 理論支護(hù)阻力 11 3.4.3 缸筒的計(jì)算 16 3.4.4 液壓缸的壁厚δ 16 3.4.5 缸筒壁厚驗(yàn)算 17 3.4.6 缸筒底部厚度 18 3.4.7 缸筒頭部法蘭厚度 18 3.4.8 缸筒-缸蓋的連接計(jì)算 19 3.5 活塞組件設(shè)計(jì) 20 3.5.1 活塞設(shè)計(jì) 21 3.5.2 活塞與活塞桿連接結(jié)構(gòu) 22 3.5.3 活塞桿設(shè)計(jì) 22 3.5.4 中隔圈 24 3.5.5 活塞主要技術(shù)性能參數(shù)計(jì)算 25 3.5.6 活塞桿及連接件強(qiáng)度校

10、核 28 3.5.7 活塞桿液壓缸穩(wěn)定性校核 29 3.6 液壓缸油口和排氣裝置設(shè)計(jì) 37 3.6.1 液壓缸油口設(shè)計(jì) 37 3.6.2 排氣裝置設(shè)計(jì) 39 3.7 液壓缸緩沖計(jì)算及設(shè)計(jì) 40 3.7.1 緩沖裝置的作用及要求 40 3.7.2 緩沖原理及緩沖裝置的結(jié)構(gòu)形式 40 4 支撐梁的設(shè)計(jì) 43 4.1 頂梁形式選擇 43 4.2 受力分析 43 4.3 頂梁材料選擇 44 4.4 確定頂梁失效形式以及計(jì)算準(zhǔn)則 45 4.4.1 常見(jiàn)的失效形式 45 4.4.2 計(jì)算準(zhǔn)則的確定 46 4.5 墊鐵強(qiáng)度計(jì)算與校核 47 4.5

11、.1 許用安全系數(shù)和許用應(yīng)力 47 4.5.2 墊鐵強(qiáng)度校核 48 4.6 頂梁強(qiáng)度計(jì)算與校核 49 4.7 頂梁疲勞強(qiáng)度校核 55 4.7.1 影響頂梁疲勞強(qiáng)度的因素 56 4.7.2 頂梁疲勞強(qiáng)度校核 57 5 ProE建模及有限元分析 59 5.1 ProE建模 59 5.1.1 主要特性 59 5.1.2 建立ProE模型的意義 60 5.2 有限元分析 62 5.2.1 基本簡(jiǎn)介 62 5.2.2 基本特點(diǎn) 62 5.2.3 步驟方法 63 5.2.4 基于ANSYS軟件的靜力學(xué)分析 64 6 缸體，頂梁的偏載分析 66

12、 6.1 缸體的偏載分析 66 6.2 頂梁的偏載分析 67 7 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 80 8 結(jié)論 81 致謝 82 參考文獻(xiàn) 83 附錄A 84 附錄B 90 III 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 前言 我國(guó)是世界上厚煤層儲(chǔ)量最大的國(guó)家之一，煤炭生產(chǎn)的高產(chǎn)高效和現(xiàn)代化是當(dāng)今國(guó)際煤炭工業(yè)的發(fā)展方向，也是我國(guó)煤炭行業(yè)的必然選擇，隨著回采工作面機(jī)械化程度的提高，回采速度大大加快，巷道掘進(jìn)和回采工作也必須加快?？裤@爆法掘進(jìn)巷道已經(jīng)滿足不了要求，采用掘進(jìn)機(jī)法，使破落煤巖、裝載運(yùn)輸、噴霧滅塵等工序同步進(jìn)行，是提高掘進(jìn)速度的有效

13、措施。 掘進(jìn)機(jī)法掘進(jìn)巷道與傳統(tǒng)的鉆爆法相比具有許多優(yōu)點(diǎn)： （1）速度快、成本低。用掘進(jìn)機(jī)掘進(jìn)巷道，可以使掘進(jìn)速度提高1～2倍，效率平均提高1～2倍，進(jìn)齒成本降低30％～50％。 （2）安全性好。由于不需打眼放炮，圍巖不易被破壞，即有利于巷道支護(hù)，又可減少冒頂和瓦斯突出的危險(xiǎn)，大大提高了工作面的安全性。 （3）有利于回采工作面的準(zhǔn)備。 （4）工程量小。利用鉆爆法，巷道超挖量可達(dá)20％，利用掘進(jìn)機(jī)法，巷道超挖量可小到5％，從而減少了支護(hù)作業(yè)的充填量，降低成本，提高速度。 （5）改善了勞動(dòng)條件，減少了工作人員。 按照工作機(jī)構(gòu)切割工作面的方式，掘進(jìn)機(jī)可分為部分?jǐn)嗝嫦锏谰蜻M(jìn)機(jī)和全斷面巷道掘

14、進(jìn)機(jī)兩大類(lèi)。 部分?jǐn)嗝嫦锏谰蜻M(jìn)機(jī)主要用于煤和半煤巖巷道的掘進(jìn)，其工作機(jī)構(gòu)一般由一懸臂及安裝在懸臂上的截割頭所組成。工作時(shí)，機(jī)構(gòu)上下左右擺動(dòng)，截割頭旋轉(zhuǎn)完成煤巖的破碎。全斷面巷道掘進(jìn)機(jī)主要用于掘進(jìn)巖石巷道，其工作機(jī)構(gòu)沿整個(gè)工作面同時(shí)進(jìn)行連續(xù)推進(jìn)。全斷面巷道掘進(jìn)機(jī)目前在煤礦上沒(méi)有廣泛應(yīng)用。 懸臂式巷道掘進(jìn)機(jī)是一種綜合掘進(jìn)設(shè)備屬于部分?jǐn)嗝嫦锏谰蜻M(jìn)機(jī)，它集支撐、切割、行走、裝運(yùn)、噴霧滅塵于一體，包含多種機(jī)構(gòu)，具有多重功能。懸臂式掘進(jìn)機(jī)作業(yè)線主要由主機(jī)與后配套設(shè)備組成。主機(jī)把巖石切割破落下來(lái)，轉(zhuǎn)運(yùn)機(jī)構(gòu)把破碎的巖渣轉(zhuǎn)運(yùn)至機(jī)器尾部卸下，由后配套轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸機(jī)或梭車(chē)運(yùn)走。懸臂式掘進(jìn)機(jī)的鑿巖臂可以上下、左右

15、自由擺動(dòng)，能切割任意形狀的巷道斷面，切割出的表面精確、平整，便于支護(hù)。邁步式行走機(jī)構(gòu)使機(jī)器調(diào)動(dòng)靈活，便于轉(zhuǎn)彎、爬坡，對(duì)復(fù)雜地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)。該機(jī)主要用于采煤準(zhǔn)備巷道的掘進(jìn)。 1 緒論 1.1 選題的目的與意義 近年來(lái)，隨著我國(guó)煤炭行業(yè)的快速發(fā)展，與之唇齒相依的煤機(jī)行業(yè)也日益受到重視。采煤機(jī)械化和綜合機(jī)械化的發(fā)展，大大提高了工作面的開(kāi)采強(qiáng)度，工作面的推進(jìn)速度越來(lái)越快，這就要求加快掘進(jìn)速度，達(dá)到采掘平衡，以保證礦井的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)。掘進(jìn)是采煤生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，國(guó)家的方針是：采掘并重，掘進(jìn)先行。煤礦巷道的快速掘進(jìn)是煤礦保證礦井高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)的關(guān)鍵技術(shù)措施。采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力

16、和安全。高效機(jī)械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬(wàn)噸級(jí)、甚至千萬(wàn)噸級(jí)超級(jí)工作面，使年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。 1.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀 美國(guó)、澳大利亞、英國(guó)等主要產(chǎn)煤國(guó)家目前廣泛采用掘錨一體化技術(shù)，即通過(guò)掘錨機(jī)組實(shí)現(xiàn)掘錨平行作業(yè)。國(guó)外在用煤礦主要高效掘進(jìn)設(shè)備的破巖能力強(qiáng)、適應(yīng)能力好、可靠性優(yōu)秀，大功率重型掘進(jìn)機(jī)、連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)組、四臂錨桿鉆車(chē)以及履帶式全液壓鉆車(chē)等幾乎被國(guó)外廠商（或合資）所占領(lǐng)，連續(xù)采煤機(jī)基本被美國(guó)JOY公司所壟斷，掘錨機(jī)組主

17、要由奧地利奧鋼聯(lián)公司提供，四臂錨桿鉆車(chē)由澳大利亞約翰芬蕾公司控制。其中，連續(xù)采煤機(jī)、掘錨機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟，重型掘進(jìn)設(shè)備設(shè)計(jì)制造技術(shù)精湛，加工工藝好、自動(dòng)化技術(shù)先進(jìn)、總體性能參數(shù)高，基礎(chǔ)研究比較扎實(shí)，截割方式、除塵系統(tǒng)技術(shù)優(yōu)良。 1.3 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國(guó)煤炭開(kāi)采以井工為主，2005年國(guó)有重點(diǎn)煤礦90.72％的原煤產(chǎn)量來(lái)自井工開(kāi)采。我國(guó)煤層賦存條件復(fù)雜，呈現(xiàn)多樣性，煤層厚度從零點(diǎn)幾米到幾十米之間變化，為了開(kāi)采煤炭，需要開(kāi)掘大量的煤巖巷道。2005年原國(guó)有重點(diǎn)煤礦掘進(jìn)總進(jìn)尺7464.6km，其中煤巷和半煤巖進(jìn)尺約6311.4km，占84.6％。2005年原國(guó)有重點(diǎn)煤礦綜采機(jī)械化程度為75.79

18、％，而綜掘機(jī)械化程度為25.87％（綜掘進(jìn)尺1931.4km），綜掘的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于綜采。目前為保證原國(guó)有重點(diǎn)煤礦1402個(gè)采煤工作面的正常生產(chǎn)接替，共配套了3986個(gè)掘進(jìn)工作面（其中開(kāi)拓工作面1038個(gè)），回采與掘進(jìn)工作面的比例是1:3，為了實(shí)現(xiàn)采掘機(jī)械化的同步發(fā)展，滿足當(dāng)前500多個(gè)綜采工作面的需要，綜掘機(jī)械化程度應(yīng)達(dá)到50％以上。同時(shí)，隨著綜采技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)已出現(xiàn)了年產(chǎn)幾百萬(wàn)噸級(jí)、甚至千萬(wàn)噸級(jí)超級(jí)工作面，使年消耗回采巷道數(shù)量大幅度增加，從而使巷道掘進(jìn)成為了煤礦高效集約化生產(chǎn)的共性及關(guān)鍵性技術(shù)。掘進(jìn)和回采是煤礦生產(chǎn)的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)，采掘技術(shù)及其裝備水平直接關(guān)系到煤礦生產(chǎn)的能力和安全。高效機(jī)

19、械化掘進(jìn)與支護(hù)技術(shù)是保證礦井實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的必要條件，也是巷道掘進(jìn)技術(shù)的發(fā)展方向。 我國(guó)煤巷高效掘進(jìn)方式中最主要的方式是懸臂式掘進(jìn)機(jī)與單體錨桿鉆機(jī)配套作業(yè)線，也稱為煤巷綜合機(jī)械化掘進(jìn)，在我國(guó)國(guó)有重點(diǎn)煤礦得到了廣泛應(yīng)用，主要掘進(jìn)機(jī)械為懸臂式掘進(jìn)機(jī)。 懸臂式掘進(jìn)機(jī)是集支撐、截割、裝運(yùn)、行走、操作等功能于一體，主要用于截割任意形狀斷面的井下巖石、煤或半煤巖巷道?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)的掘進(jìn)機(jī)設(shè)計(jì)雖然說(shuō)離國(guó)際先進(jìn)的技術(shù)還有段距離，但是國(guó)內(nèi)的技術(shù)水平已能基本滿足國(guó)內(nèi)的需求。大中型號(hào)的掘進(jìn)機(jī)不斷被創(chuàng)新。主要廠家石煤機(jī)、三一、佳木斯都以各自特點(diǎn)屹立國(guó)內(nèi)市場(chǎng)。 然而，國(guó)內(nèi)目前巖巷施工仍以鉆爆法為主，重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)用于

20、大斷面巖巷的掘進(jìn)在我國(guó)處于試驗(yàn)階段，但國(guó)內(nèi)煤炭生產(chǎn)逐步朝向高產(chǎn)、高效、安全方向發(fā)展，煤礦技術(shù)設(shè)備正在向重型化、大型化、強(qiáng)力化、大功率和機(jī)電一體化發(fā)展，新集能源股份公司、新汶礦業(yè)集團(tuán)、淮南礦業(yè)集團(tuán)及平頂山煤業(yè)集團(tuán)公司等企業(yè)先后引進(jìn)了德國(guó)WAV300、奧地利AHM105、英國(guó)MK3型重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)。全巖巷重型懸臂式掘進(jìn)機(jī)代表了巖巷掘進(jìn)技術(shù)今后的發(fā)展方向。雖然三一重裝前幾年推出了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)EBZ200H型硬巖掘進(jìn)機(jī)，但國(guó)產(chǎn)重型掘進(jìn)機(jī)與國(guó)外先進(jìn)設(shè)備的差距除總體性能參數(shù)偏低外，在基礎(chǔ)研究方面也比較薄弱，適合我國(guó)煤礦地質(zhì)條件的截割、裝運(yùn)及行走部載荷譜沒(méi)有建立，沒(méi)有完整的設(shè)計(jì)理論依據(jù)，計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài)仿真等方面

21、還處于空白；在元部件可靠性、控制技術(shù)、在截割方式、除塵系統(tǒng)等核心技術(shù)方面有較大差距。 2 支撐機(jī)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 2.1 類(lèi)型及其特點(diǎn) 用于巷道支護(hù)的裝置按照與掘進(jìn)機(jī)之間的關(guān)系分有獨(dú)立的支撐機(jī)構(gòu)、機(jī)載支撐機(jī)構(gòu)兩種。 2.1.1 獨(dú)立的支撐機(jī)構(gòu) 獨(dú)立的支撐機(jī)構(gòu)就是與本機(jī)成兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)器，這種機(jī)構(gòu)的典型結(jié)構(gòu)如圖2-1、圖2-2所示。 圖2-1 HYJ機(jī)載式臨時(shí)護(hù)頂機(jī) Fig2-1 HYJ airborne temporary protection type machine 圖2-2 履帶行走式液壓支架 Fig2-2 crawler walking type hyd

22、raulic support 這種另外架設(shè)的支護(hù)裝置，雖然能提高支護(hù)頂板的能力，但卻使掘進(jìn)工作面的設(shè)備增多，使原本空間狹小的工作面更加擁擠，凈空間減小，人員通過(guò)和材料搬運(yùn)不便，導(dǎo)致設(shè)備間的配套、協(xié)調(diào)，操作上的麻煩，造成掘進(jìn)機(jī)的進(jìn)尺速度降低、掘進(jìn)成本增加?，F(xiàn)用臨時(shí)支護(hù)設(shè)備支護(hù)最大寬度2.3米、長(zhǎng)度2.1-2.2米，面積約5.06平方米，支護(hù)面積小，實(shí)現(xiàn)不了全斷面支護(hù)，錨桿支護(hù)時(shí)作業(yè)人員仍處在半空頂區(qū)域下作業(yè)。在鋪設(shè)金屬網(wǎng)時(shí)作業(yè)人員仍然是在空頂區(qū)域下作業(yè)，當(dāng)把網(wǎng)鋪好后才能進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)操作。機(jī)架比較削薄，易變型，嚴(yán)重影響支護(hù)質(zhì)量。機(jī)架與掘進(jìn)機(jī)連接處的鉸軸容易斷裂。掘進(jìn)機(jī)司機(jī)座底，掘進(jìn)過(guò)程中前探

23、梁時(shí)而會(huì)擋到掘進(jìn)機(jī)司機(jī)的視線，影響截割質(zhì)量。 2.1.2 機(jī)載支護(hù)裝置 機(jī)載支護(hù)裝置分有超前支護(hù)和機(jī)頂支護(hù)兩種類(lèi)型，典型結(jié)構(gòu)如圖2-3~圖2-5所示。 圖2-3 帶超前支護(hù)的掘進(jìn)機(jī) Fig2-3 With advanced supporting machine 圖2-4 支撐式掘進(jìn)機(jī) Fig2-4 Supporting type machine 圖2-5 掘錨機(jī) Fig2-5 Dig windlass 在這幾種支護(hù)方式中，超前支護(hù)能防止掘進(jìn)工作面前端頂板的下沉和冒落，但存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜、操作不便、支撐機(jī)構(gòu)離截割機(jī)構(gòu)近、司機(jī)視線不好、

24、操作準(zhǔn)確性差等問(wèn)題；而上述的機(jī)頂支護(hù)方式存在支撐點(diǎn)多、對(duì)頂板適應(yīng)性差、對(duì)頂板破碎大的實(shí)際問(wèn)題。 2.2 支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)方案確定 據(jù)統(tǒng)計(jì)，巷道支護(hù)約占用40％～50％的掘進(jìn)作業(yè)時(shí)間。為了提高掘進(jìn)速度，應(yīng)根據(jù)巷道支護(hù)的要求，在掘進(jìn)機(jī)上裝備有錨桿鉆機(jī)，超前臨時(shí)支護(hù)裝置等，以提高工作效率。 掘巖機(jī)自移時(shí)，首先將液壓缸回落，時(shí)支護(hù)頂梁落下，到達(dá)既定位置后，支柱升起，頂梁頂住頂板起到支撐防護(hù)作用。同時(shí)，該支撐裝置還具有減緩懸臂沖擊掘巖反作用力對(duì)龍門(mén)支架的偏載作用，增強(qiáng)設(shè)備作用穩(wěn)定性。 沖擊破巖掘巖機(jī)工作巷道截面小， 由于支撐式支架支撐力大，駕駛操作安全，切頂性能好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉。頂梁上方為

25、圓弧形，適應(yīng)巷道截面，受載均勻，支柱與頂梁使用鉸接。綜上所述，經(jīng)分析，確定本機(jī)的支撐機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖2-6所示。 圖2-6支撐機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu) Fig2-6 Support organization structure 99 3 支護(hù)油缸的選擇 液壓缸是一種通用化和標(biāo)準(zhǔn)化程度高的液壓元件，基于使用條件的多樣性和本機(jī)原創(chuàng)性， 要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。 3.1 核心構(gòu)件結(jié)構(gòu)分析 3.1.1 缸體 缸體是液壓缸承受液體壓強(qiáng)的部件。液壓缸的缸體一般采用合金無(wú)縫鋼管如27SiMn或冷拔炭素鋼管制成。缸體的內(nèi)表面是活柱的密封面，因而要求有較高的加工要求。主要包括缸筒、

26、缸底、缸蓋及相互連接方式。 （1） 缸筒：缸筒通常用45號(hào)鋼、27SiMn無(wú)縫鋼管制成，并調(diào)質(zhì)到241～285，以改善加工性能和強(qiáng)度。缸體的內(nèi)表面是活塞的密封面，因而要求較高的加工精度和較低的粗糙度。如圖3-1對(duì)缸筒的技術(shù)要求如下： 1） 缸筒內(nèi)徑一般采用H8或H9級(jí)配合，表面粗糙度為0.8～1.6，需或滾壓。外表面可不加工。 2） 內(nèi)徑的橢圓度、圓錐度不大于公差的一半。 3） 端面T對(duì)軸線的垂直度為0.04。 4） 當(dāng)缸筒上焊有耳環(huán)時(shí)，耳環(huán)孔的中心線對(duì)缸筒軸線的偏移量不大于0.03，其軸線垂直度為0.01。 5） 為防止缸筒的腐蝕和提高壽命，可在缸

27、筒內(nèi)表面鍍0.03～0.05厚的硬鉻，再進(jìn)行研磨拋光。缸筒的外表面要涂耐油漆。 圖3-1 Fig3-1 3.1.2 缸底 缸底的材料可用35號(hào)或45號(hào)鋼，也可采用球墨鑄鐵或灰鑄鐵。當(dāng)缸筒采用鑄件時(shí)，缸底與缸筒鑄成一體。當(dāng)缸筒采用無(wú)縫鋼管時(shí)，缸底與缸筒一般采用焊接結(jié)構(gòu)。如圖示，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊，加工簡(jiǎn)單，工作可靠，但容易產(chǎn)生焊接變形。通常剛體止口與缸筒的內(nèi)孔間采用過(guò)度配合，以限制焊接變形。如圖示3-2 圖3-2 Fig3-2 3.1.3 活塞桿 活塞桿是液壓缸傳遞機(jī)械力的部件，它將受拉、壓、彎曲等載荷作用。它們通常選用由無(wú)縫鋼管制成，小直徑活塞桿也可采

28、用圓鋼制造。 活塞桿工作時(shí)經(jīng)常伸出液壓缸外，直接接觸礦井中的潮氣、腐蝕性氣體和粉塵，因此，要求它的外表面除了耐磨外，還應(yīng)耐腐蝕，不生銹。所以，通常液壓缸的活塞桿外表面都鍍一層幾十微米厚的銅、鎳、鉻或鋅等耐磨防耐腐蝕材料。使用時(shí)，要注意保護(hù)活塞桿表面，不要碰傷。 對(duì)活塞桿的技術(shù)要求為：粗加工后進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，硬度HB229～285，最后高頻淬火，表面硬度HRC45～55?；钊麠U銷(xiāo)孔按H11加工，孔的軸線相對(duì)于活塞桿的軸線的偏移不大于0.1。活塞桿軸線的平行度為0.03。 3.1.4 導(dǎo)向套 導(dǎo)向套裝在缸體的外端，為活塞桿伸縮往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。要求導(dǎo)向套內(nèi)壁與活塞桿的接觸緊密但

29、又不妨礙活塞桿的動(dòng)作靈活，導(dǎo)向套還應(yīng)承受住由外部載荷對(duì)活塞桿形成的橫向力、彎曲、振動(dòng)產(chǎn)生的影響。通常導(dǎo)向套可以采用銅合金如青銅合金做成，或者基材是炭鋼，內(nèi)襯耐磨環(huán)。導(dǎo)向套的加工精度通常H8～H9，內(nèi)壁表面粗糙度為3.2。 3.2 總體結(jié)構(gòu)布局 雙作用活塞液壓缸由缸體、活柱、導(dǎo)向套等主要零部件組成。缸體由無(wú)縫鋼管加工而成，缸體的下端焊接弧形（或球形）缸底，在缸底上鉆有孔并焊有管接頭作為立柱下腔（活塞下部空腔）的液口。在缸體的上端裝有導(dǎo)向套，它為活塞桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向。為了防止外部煤塵等臟物隨活柱下縮而進(jìn)入缸體，在導(dǎo)向套的上端裝有防塵圈。為了防止液體從立柱上腔（活塞上部環(huán)形空間）向外泄漏，

30、在導(dǎo)向套上還裝有蕾形密封圈和O形圈。缸體上部鉆有螺紋孔并焊有管接頭，與上腔相通，作為立柱上腔的液口。 3.2.1 最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H的確定 一般的千斤頂最小導(dǎo)向長(zhǎng)度滿足下式要求： （3-1） 其它尺寸的確定方法為，一般導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A，在缸筒內(nèi)徑D≤80時(shí)，取缸筒的0.6～10.倍；在缸筒內(nèi)徑D≥80時(shí)，取活塞桿直徑的0.6～1倍?；钊麑挾菳取缸筒內(nèi)徑的0.6～1.0倍。為了保證最小導(dǎo)向而過(guò)分的增大導(dǎo)向套長(zhǎng) 度和活塞的寬度都是不適宜的。 3.3 連接方式 3.3.1 缸底與缸筒的連接 缸筒材料選用27SiMn，缸底選用45號(hào)鋼，兩者之間用焊接的方式連接。缸

31、底限位固定在車(chē)體機(jī)架上。 3.3.2 缸筒與導(dǎo)向套的連接 缸筒與導(dǎo)向套的連接方式有以下幾種： （1）螺紋連接：它的外徑小質(zhì)量輕，但結(jié)構(gòu)工藝性差； （2）內(nèi)卡環(huán)連接：內(nèi)卡環(huán)常有三個(gè)半環(huán)組成。其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而且緊湊， 折裝也較方便，但缸壁上的環(huán)槽削弱了缸筒的強(qiáng)度； （3） 法蘭連接：其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于加工和裝拆，缺點(diǎn)是外性和質(zhì)量都較大； （4） 鋼絲連接：這種連接方式的結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單緊湊，應(yīng)用廣泛. 3.3.3 裝配關(guān)系及配合公差 缸體的加工精度為H8，Ra3.2；活塞與液壓缸體內(nèi)孔的配合精度為H8/f9，Ra3.2。 3.4 預(yù)算缸筒內(nèi)徑和缸壁厚度

32、 3.4.1 理論支護(hù)強(qiáng)度 支護(hù)強(qiáng)度取決于頂板性質(zhì)和煤層厚度。根據(jù)巖石自重法，此法的實(shí)質(zhì)是以老頂周期來(lái)壓時(shí)，采面上覆巖層移動(dòng)所波及的范圍，即按垮落帶內(nèi)巖石重量和周期性斷裂層所產(chǎn)生的沖擊載荷來(lái)確定液壓缸工作阻力或支護(hù)強(qiáng)度。支護(hù)強(qiáng)度可根據(jù)下列公式估算： （3-2） 式中K-作用于液壓缸上的頂板巖石系數(shù)，德國(guó)取K≥6，日本取K≥5，英國(guó)取K≥6，前蘇聯(lián)取K≥6~8。我國(guó)目前尚無(wú)這方面的規(guī)范。一般取5~8，頂板條件好、 周期來(lái)壓不明顯時(shí)取下限，否則取上限；選取K=7. M-采高，2.85m ρ—巖石密度，一般為2.5103 Kg/m3 考慮到煤層厚度及其他因素，取q=0.5

33、00 MPa 3.4.2 理論支護(hù)阻力 豎直方向 支架工作阻力P1應(yīng)滿足頂板支護(hù)強(qiáng)度的要求，即： （3-3） 式中 F—支架的水平投影支護(hù)面積，m2 ,F=BL L—支護(hù)帽長(zhǎng)度，初設(shè)支護(hù)帽投影長(zhǎng)度為2.5m B—支護(hù)帽寬度，初設(shè)支護(hù)帽投影寬度為0.5m 因此每一根液壓缸的工作阻力為 （3-4） 水平方向 掘巖機(jī)工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖3-3所示，工作機(jī)構(gòu)部分主要由1破碎頭、2轉(zhuǎn)錘液壓缸、3滑移液壓缸、4掘進(jìn)液壓缸、5龍門(mén)底座、6支臂Ⅲ、7舉升液壓缸、8支臂Ⅱ、9支臂Ⅰ和與其相關(guān)的結(jié)構(gòu)件、管路等

34、部件組成。支臂Ⅰ上部安裝的油缸來(lái)控制液壓破碎錘起落；支臂Ⅰ安放在支臂Ⅱ上部，通過(guò)體內(nèi)油缸來(lái)控制其在支臂Ⅱ上滑行，從而完成支臂Ⅰ伸縮運(yùn)動(dòng)。支臂Ⅱ后部通過(guò)銷(xiāo)軸與支臂Ⅲ前部鉸接，通過(guò)油缸來(lái)完成支臂Ⅱ的升降運(yùn)動(dòng)。支臂Ⅲ后部通過(guò)銷(xiāo)軸與擺動(dòng)基座鉸接，通過(guò)其兩側(cè)油缸來(lái)完成液壓破碎錘、支臂Ⅰ、支臂Ⅱ及掘巖臂Ⅲ的整體擺動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)掘巖機(jī)的鑿巖工況。 圖3-3 掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu) Fig 3-3 Working organization of the machine 為了計(jì)算的方便，在進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析時(shí)，各油缸中液壓油對(duì)它們的影響忽略不計(jì)，不考慮各臂桿鉸接處和液壓缸連接處的摩擦。 為了更好地研究掘巖機(jī)工作機(jī)

35、構(gòu)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，在這里作如下假設(shè)： (1)掘巖機(jī)工作機(jī)構(gòu)龍門(mén)基座與地面固定不動(dòng)，研究掘巖機(jī)工作機(jī)構(gòu)破碎頭、支臂、液壓缸為一體的動(dòng)力學(xué)行為，即研究掘巖機(jī)工作機(jī)構(gòu)以隨機(jī)工作阻力為載荷[4]，其轉(zhuǎn)錘液壓缸、滑移液壓缸、舉升液壓缸、掘進(jìn)液壓缸的動(dòng)力學(xué)行為。 (2)掘巖機(jī)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的各臂桿都為均質(zhì)桿，第i節(jié)臂桿長(zhǎng)為質(zhì)量為，R為臂桿i的質(zhì)心，為臂桿i與坐標(biāo)軸的夾角，該沖擊破巖掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)的坐標(biāo)系如圖3-4所示。 圖3-4掘進(jìn)機(jī)工作機(jī)構(gòu)坐標(biāo)示意圖 Fig3-4 Machine working organs coordinate diagram 為了分析回轉(zhuǎn)裝置和龍門(mén)架所受的最大載荷，根據(jù)該型

36、移動(dòng)式液壓破碎機(jī)的工作情況，選取以下2種不利工況進(jìn)行分析。 工況1（最大破碎高度4.9m時(shí)）：舉升油缸和滑移油缸全伸，掘進(jìn)油缸全縮，轉(zhuǎn)錘油缸的放置位置要使破碎錘的釬桿與豎直面相互垂直如圖3-5所示： 圖3-5 最大掘巖高度 Fig3-5 Maximum digging rock height 在此工況下，工作機(jī)構(gòu)的示意圖及受力狀況如圖3-6 圖3-6工作機(jī)構(gòu)示意圖及受力狀況 Fig3-6 Working schematic diagram and stress state 圖3-6 為工作機(jī)構(gòu)的示意圖及受力狀況。可以看出油缸和滑移油缸控制工作臂的豎直擺動(dòng)牽引力，推動(dòng)

37、擺動(dòng)基座轉(zhuǎn)動(dòng)的一對(duì)回轉(zhuǎn)油缸控制工作臂的水平擺動(dòng)牽引力。工作機(jī)構(gòu)主要受頂推助力。液壓缸等對(duì)工作臂的作用力均視為工 機(jī)構(gòu)內(nèi)力，不作討論。在此工況下受力采用圖4所示坐標(biāo)系。以為坐標(biāo)原點(diǎn)。 軸—以掘進(jìn)機(jī)正前方為正方向； 軸—以水平面內(nèi)軸正方向逆時(shí)針偏轉(zhuǎn)為正方向； 軸—以水平面的垂直向上方向?yàn)檎较颉? 在工作過(guò)程中這一狀態(tài)，破碎頭與Z軸形成角度=，整個(gè)工作機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)與X軸形成，支臂I與X軸形成，支臂II與X軸形成，支臂III與X軸形成?；剞D(zhuǎn)中心與絞點(diǎn)0的水平距離為，垂直距離為P。 a.工況1的受力分析 破碎頭所受阻力 轉(zhuǎn)化到擺動(dòng)基座的分析 由圖4可知，破碎頭所受阻力的方向?yàn)檠仄扑轭^軸向且與

38、掘進(jìn)方向相反，作用在圖中點(diǎn)4。將在以為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系向坐標(biāo)軸分解如下： （3-5） （3-6） 式中 Fa-破碎錘工作阻力，N。 本次設(shè)計(jì)中采用的破碎錘為GT60三角型破碎錘。它具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，強(qiáng)度高，沖擊韌性好，壽命高，可靠性好，釬桿高耐磨性好，不易折斷、崩裂、炸裂。故 （3-7） 式中 Pmax-為液壓系統(tǒng)最高工作壓力，MPa； A-釬桿面積，m2。 則 故破碎錘最大工作阻力為282.6KN 工況2（最大破碎

39、深度1.85m時(shí)）：最大破碎深度破碎時(shí)各個(gè)構(gòu)件的狀態(tài)為：舉升油缸全縮，掘進(jìn)臂油缸伸出50 mm。轉(zhuǎn)錘油缸的放置位置要使破碎錘的釬桿與地面相互垂直如圖3-7。 圖3-7最大掘巖深度 Fig3-7 Maximum digging rock depth 在此工況下，工作機(jī)構(gòu)的示意圖及受力狀況如圖3-8 圖3-8 工作機(jī)構(gòu)示意圖及受力狀況 Fig3-8 Working schematic diagram and stress state 在此工況下受力采用圖6所示坐標(biāo)系。以為坐標(biāo)原點(diǎn)。 軸—以掘進(jìn)機(jī)正前方為正方向； 軸—以水平面內(nèi)軸正方向順時(shí)針偏轉(zhuǎn)為正方向； 軸—

40、以水平面的垂直向下方向?yàn)檎较颉＝⒆鴺?biāo)系。 在工作過(guò)程中這一狀態(tài)，破碎頭與Z軸形成角度=，整個(gè)工作機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)與X軸形成，支臂I與X軸形成，支臂II、III與X軸形成，回轉(zhuǎn)中心與絞點(diǎn)0的水平距離為，垂直距離為P。 b.工況2的受力分析 破碎頭所受頂推阻力轉(zhuǎn)化到擺動(dòng)基座的分析 將破碎頭所受頂推阻力在以為原點(diǎn)的空間坐標(biāo)系向坐標(biāo)軸的分解如下： 3.4.3 缸筒的計(jì)算 液壓系統(tǒng)最高工作壓力為 PR=18MPa。 由上，缸筒內(nèi)徑D用下式計(jì)算，得 (3-8) 式中 D-缸筒內(nèi)徑，m； P-最大負(fù)載，KN； PR-供液壓力，MPa；

41、 ηm-機(jī)械效率（初算時(shí)可取ηm=0.9~0.95）。 選用缸內(nèi)徑D=160mm，材料為27SiMn無(wú)縫鋼管，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得27SiMn材料σs=835MPa ，安全系數(shù)選取8，許用應(yīng)[σ]=835/8=104.375MPa，液壓缸安全系數(shù)選用原則如下表3-1 表3-1液壓缸的安全系數(shù) Tab3-1safety factor of the hydraulic cylinder 材料名稱 靜載荷 交變不對(duì)稱載荷 交變對(duì)稱載荷 沖擊載荷 鋼，鍛鋼 3 4~5 8 10~12 鑄鐵 4 5~6 10 13~15 3.4.4 液壓缸的壁厚

42、δ 由式Pmax=可求得缸內(nèi)壓力Pmax，即 (3-9) 則對(duì)于塑性材料的厚壁液壓缸根據(jù)第四強(qiáng)度理論，缸筒厚δ的計(jì)算公式為 (3-10) 考慮到缸口要安裝導(dǎo)向套（車(chē)螺紋），因此選取壁厚為δ=17mm 通過(guò)上述計(jì)算，可得液壓缸缸筒外徑D1為 (3-11) 3.4.5 缸筒壁厚驗(yàn)算 （1）液壓缸的額定工作壓力Pn應(yīng)低于一定的極限值，以保證工作安全，即 (3-12) 式中 D1，D-液壓缸外徑和內(nèi)徑 Σs-缸筒材料的屈服強(qiáng)度 （2）為避免缸筒工作時(shí)發(fā)生塑性變形，液壓缸的額定工作壓力為Pn應(yīng)與塑性變形壓力P

43、rL有一定的比例關(guān)系 (3-13) （3）缸筒的徑向變形量ΔD值應(yīng)在允許范圍內(nèi)，而不能超過(guò)密封件允許的范圍； (3-14) 式中 Pr-液壓缸耐壓試驗(yàn)壓力（通常情況下試驗(yàn)壓力為額定壓力的1.5倍）,MPa E-缸筒材料的彈性模數(shù)，查《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得，27SiMn的彈性模數(shù)為2.06105 ，MPa -缸筒材料的泊松比，對(duì)鋼材 =0.3 （4）為確保液壓缸安全的使用，缸筒的爆裂壓力PE應(yīng)大于耐壓試驗(yàn)壓力Pr: (3-15) 式中 -缸筒材料27SiMn的抗拉強(qiáng)度，MPa 且計(jì)算求得的PE遠(yuǎn)大于耐壓試驗(yàn)壓力Pr時(shí)，確保液壓缸的安全使用

44、。 3.4.6 缸筒底部厚度 缸體結(jié)構(gòu)形式有四種，如圖3-9 圖3-9 缸底結(jié)構(gòu)形式 Fig3-9 Cylinder bottom structure form （a）平面缸底，有凹凸，無(wú)孔；(b)平面缸底，無(wú)口；（c）半橢球形缸底；（d）半環(huán)形缸底。 缸筒底部厚度的計(jì)算公式可按下式近似計(jì)算： (3-16) 式中 [σ]-缸底材料為27SiMn，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可得，σs=835MPa，安全系數(shù)取n=8，則[σ]=σs/n0=835/8=104.375MPa 考慮缸筒底部的強(qiáng)度和剛度以及實(shí)際要求，取 3.4.7 缸筒頭部法蘭厚度 缸筒

45、頭部即缸筒與前端蓋的連接處。前缸蓋上有活塞桿導(dǎo)向孔，它的強(qiáng)度與厚度計(jì)算方法與缸底不同。煤礦液壓缸的缸頭強(qiáng)度計(jì)算非常重要，因?yàn)楦最^受力情況比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)不好很容易損壞。 圖3-10缸筒頭部法蘭厚度 Fig3-10 flange thickness of cylinder head 常用法蘭式缸頭的計(jì)算方法為： (3-17) 式中 F-法蘭在缸筒最大內(nèi)壓下所承受的軸向壓力，N ra-法蘭外援半徑，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查表得ra=0.15，m b-取其為0.02,m dL-取其為0.022,m [σ]-缸筒頭部材料許用應(yīng)力，

46、104.375MPa 同樣也對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)加厚，取h=30mm。 3.4.8 缸筒-缸蓋的連接計(jì)算 為使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制造和安裝均比較方便，缸筒與端部采用螺栓連接。參考《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，受軸向載荷的螺栓組聯(lián)接，每個(gè)螺栓所受的工作載荷為： (3-18) 式中 P-液壓缸工作阻力，KN； Z——螺栓數(shù)量，Z=12。 則螺栓小徑： (3-19) 故取d1=16mm 式中 [σ]-螺栓聯(lián)接許用應(yīng)力，所選螺栓材料為Q235，則[σ]=σs/s σs-螺栓材料屈服強(qiáng)度，MPa

47、查表，根據(jù)GB/T3098.1-2000和GB/T3098.2-2000可知， σs=235MPa，安全系數(shù)1.3 則 查吳宗澤主編的《機(jī)械零件設(shè)計(jì)手冊(cè)》，由表4-17可知 選擇公稱直徑d=16mm的M16的內(nèi)六角頭螺栓對(duì)兩端蓋進(jìn)行聯(lián)接。 故螺紋處的拉應(yīng)力 (3-20) 螺紋處的剪應(yīng)力為 (3-21) 合應(yīng)力為 (3-22) 式中 -螺紋處的拉應(yīng)力，Pa； K-螺紋擰緊系數(shù)，靜載時(shí)，取K=1.25~1.5，動(dòng)載時(shí)，取K=2.5~4； K1-螺紋內(nèi)摩擦系數(shù)，一般取K1=0.12； d0-螺紋外徑，d0=1.1d, m； d1

48、-螺紋底徑，m，采用普通螺紋時(shí)，d1=d0-1.0825t； t-螺紋螺距，粗牙取0.002m； [σ]-缸筒材料的許用應(yīng)力，[σ]=σs/n0，MPa； σs--缸筒材料的屈服極限，835MPa； n0-安全系數(shù)，通常取n0=1.5~2.5，取n0=2則 [σ]=σs/n0=835/2=417.5MPa 由于σn＜[σ]，故滿足強(qiáng)度要求，符合條件。 3.5活塞組件設(shè)計(jì) 除非有特殊說(shuō)明，一般通常默認(rèn)活塞組件是液壓缸的直接做功元件?；钊M件的主題是活塞與活塞桿。由于活塞在液體壓力的作用下沿缸筒往復(fù)滑動(dòng)，因此，它與缸筒的配合應(yīng)適當(dāng)，既不能過(guò)緊，也不能間隙過(guò)大。配合過(guò)緊，不僅使最低啟動(dòng)

49、壓力增大，降低機(jī)械效率，而且容易損壞缸筒和活塞的滑動(dòng)配合表面；間隙過(guò)大，會(huì)引起液壓缸內(nèi)部泄漏，降低容積效率，使液壓缸達(dá)不到要求的設(shè)計(jì)性能。 液壓力的大小與活塞的有效工作面積有關(guān)，活塞直徑應(yīng)與缸筒內(nèi)徑一致。設(shè)計(jì)活塞時(shí)，主要任務(wù)就是確定活塞的結(jié)構(gòu)形式。 3.5.1 活塞設(shè)計(jì) (1) 活塞結(jié)構(gòu)形式和密封件形式 活塞的密封件形式要根據(jù)液壓缸的設(shè)計(jì)（額定）壓力、速度和溫度等工作條件來(lái)選擇，而選擇的密封形式則決定了活塞的結(jié)構(gòu)形式。 活塞常用的結(jié)構(gòu)形式可分為整體式和分體（組合）式兩種。整體式活塞要在活塞圓周上開(kāi)溝槽以安裝密封件和支撐環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但活塞加工困難，另外，密封件安裝時(shí)也容易拉傷和扭曲

50、，影響密封性能和密封件使用壽命。分體（組合）式活塞大多數(shù)可以多次拆裝，密封件使用壽命長(zhǎng)。在通常情況下，導(dǎo)向環(huán)是活塞件的不可缺少的結(jié)構(gòu)元件，它不但可以精確導(dǎo)向，還可以吸收活塞運(yùn)動(dòng)時(shí)隨時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向力，因而大多數(shù)密封件都與導(dǎo)向環(huán)聯(lián)合使用，大大降低了活塞加工成本。 O型密封圈適用于整體式活塞，而Y型密封圈，V型和U型密封圈適用分體（組合）式活塞。Y型密封圈和O型密封圈是經(jīng)常使用的密封圈。故采用O型密封圈加弧形擋圈，擋圈的一側(cè)加工成弧形，以更好地和O形圈相適應(yīng)，且在很高的脈動(dòng)壓力作用下保持原形狀不變。 (2) 活塞的常用材料 活塞材料選用的依據(jù)主要是從活塞的結(jié)構(gòu)形式來(lái)考慮。對(duì)于無(wú)導(dǎo)向環(huán)

51、活塞多采用高強(qiáng)度鑄鐵HT200~300或球墨鑄鐵。對(duì)于有導(dǎo)向環(huán)活塞多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼20、35及45，一些連續(xù)工作的高耐久性活塞在鋼制活塞外表面常燒焊青銅合金或噴鍍尼龍等材料。 (3) 活塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)要求 活塞的寬度B一般為活塞外徑D的（0.6~1）倍，另外也要根據(jù)密封件的形式、數(shù)量、安裝導(dǎo)向環(huán)的溝槽尺寸進(jìn)一步細(xì)化，使上述間距適當(dāng)。 采用橡膠、塑料密封件時(shí)，活塞外徑的公差等級(jí)一般取f9，與活塞桿配合的內(nèi)孔公差等級(jí)一般取H7。活塞外圓的表面粗糙度要優(yōu)于Ra0.32μm，內(nèi)孔粗糙度要優(yōu)于Ra0.08μm。活塞外徑對(duì)內(nèi)孔及密封溝槽的同軸度允差不大于0.02mm；活塞

52、外徑、內(nèi)孔的圓度、同軸度不大于尺寸公差的1/2，斷面對(duì)軸線的垂直度允差不大于0.04mm/100mm。 活塞與活塞桿軸肩的接合面粗糙度可在Ra1.6μm左右，但與內(nèi)孔軸線的垂直度一定要在允許公差范圍之內(nèi)。若該垂直度稍差，則活塞與活塞桿裝配后，活塞外圓或活塞桿分別對(duì)缸筒內(nèi)壁及缸筒導(dǎo)向套會(huì)發(fā)生傾斜而憋勁和偏磨。 活塞外圓柱面、內(nèi)孔、密封溝槽應(yīng)在一次裝夾中完成上述部位的切削任務(wù)。無(wú)法同時(shí)完成時(shí)，在工藝上要安排一定的基準(zhǔn)進(jìn)行加工 3.5.2 活塞與活塞桿連接結(jié)構(gòu) 活塞與活塞桿的連接結(jié)構(gòu)有多種形式，常見(jiàn)的有螺母型，焊接型，卡環(huán)（鍵）型。螺母型優(yōu)點(diǎn)是連接穩(wěn)固可靠

53、，活塞與活塞桿之間無(wú)軸向公差要求，缺點(diǎn)是螺紋的加工和裝配比較麻煩。焊接型的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工比較方便，但不易拆除，而且對(duì)活塞內(nèi)外徑、活塞桿直徑及端面接合處的四個(gè)面的同軸度、垂直度要求較高。卡環(huán)（鍵）型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，拆裝方便，活塞借助徑向間隙有少量浮動(dòng)，不易卡滯，但活塞與活塞桿之間有軸向公差，該軸向公差會(huì)造成活塞與活塞桿的不必要的竄動(dòng)。該種結(jié)構(gòu)形式在低速液壓缸中得到廣泛使用。 活塞內(nèi)孔與活塞桿配合處要設(shè)置O型靜密封，密封溝槽可以開(kāi)設(shè)在活塞內(nèi)孔處，也可開(kāi)設(shè)在活塞桿上，后者加工和裝配比較方便。 3.5.3 活塞桿設(shè)計(jì) (1) 基本結(jié)構(gòu) 活塞桿有實(shí)心桿和空心桿兩種，實(shí)心桿強(qiáng)度較高，加工簡(jiǎn)單，應(yīng)用較多

54、?？招幕钊麠U多用于活塞桿與缸徑比值d/D較大的大型液壓缸中，以減輕活塞桿的重量，或用于缸筒帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)的場(chǎng)合如機(jī)床中，或用于活塞桿必須帶有傳感器的伺服液壓缸中，還有一種觀點(diǎn)認(rèn)為，活塞桿直徑d＞70mm時(shí)，易采用空心結(jié)構(gòu)。 (2）活塞桿的材料和技術(shù)要求 實(shí)心活塞桿多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼冷撥料35號(hào)鋼、45號(hào)鋼、55號(hào)鋼制成，以減少切削加工。用于腐蝕性氣體或水介質(zhì)的液壓缸，活塞桿多采用不銹鋼制造（35CrMo鉻鉬鋼，Cr18Ni19不銹鋼）?？招幕钊麠U的桿體多采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼的冷撥無(wú)縫鋼管制造，有焊接要求時(shí)，要采用焊接性較好的35號(hào)鋼，并且要注意在活塞桿的接頭體上要設(shè)置用于焊接和熱處理時(shí)的排氣孔。用于

55、沖擊振動(dòng)下的活塞桿，可使用鍛件，以提高力學(xué)性能，但不適用長(zhǎng)活塞桿。少數(shù)活塞桿也可用鑄鐵，如用于棉花液壓打包機(jī)。 為提高硬度、耐磨性和耐腐蝕性，活塞桿要進(jìn)行調(diào)質(zhì)或淬火處理并鍍鉻，中碳鋼通常采用調(diào)制處理，硬度通常為HB（230~280）；高碳鋼可調(diào)質(zhì)或淬火或高頻淬火處理，硬度通常為HRC（50~60）；熱處理后再鍍鉻，鍍層厚度為（0.015~0.05）mm。這樣，在惡劣的工作條件下，既可避免碰上，又可在雨水，鹽分、灰塵嚴(yán)重污染的環(huán)境中避免銹蝕。 活塞桿的外徑尺寸公差多為f8，也有采用f7或f9的，表面粗糙度一般為Ra=（0.16~0.63）μm，精度要求高時(shí)取Ra≤（0.1~0.2）μm；與活

56、塞內(nèi)孔配合的軸頸與活塞桿徑的同軸度公差不大于（0.01~0.02）mm，安裝活塞的軸肩與活塞桿軸線的垂直度公差不大于0.04/100mm，活塞桿端部的卡鍵槽、螺紋及活塞桿徑的同軸度允差與軸頸要求相同。 (3) 活塞桿外端（頭部）結(jié)構(gòu)形式 活塞桿外端是液壓缸與負(fù)載的連接部位，結(jié)構(gòu)形式有多種，最常用結(jié)構(gòu)形式為螺紋式、單耳環(huán)式和帶球鉸的單式環(huán)式。為了增加液壓缸活塞桿的穩(wěn)定性，將活塞桿與活柱連接，故用銷(xiāo)軸將其連接。 (4) 活塞桿的導(dǎo)向 在液壓缸的前端蓋的內(nèi)部，安裝有對(duì)活塞桿導(dǎo)向的導(dǎo)向帶和對(duì)缸筒有桿腔進(jìn)行密封的密封件及防止活塞桿內(nèi)縮時(shí)將灰塵、水分和雜質(zhì)帶入密封件的防塵圈。 1） 導(dǎo)向套（環(huán)）

57、的結(jié)構(gòu)形式 活塞桿導(dǎo)向的結(jié)構(gòu)形式有三種：無(wú)導(dǎo)向套（環(huán)）、金屬導(dǎo)向套（環(huán)）。無(wú)導(dǎo)向套時(shí)，前端蓋采用青銅QAL9-4或球墨鑄鐵或高強(qiáng)度鑄鐵等耐磨材料制成，其內(nèi)孔對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向。其特點(diǎn)是耐磨金屬材料用料較多，成本高，當(dāng)內(nèi)孔磨損后無(wú)法修補(bǔ)，多用于低速低壓小行程液壓缸中。 當(dāng)前端蓋用碳素鋼制成時(shí)，其內(nèi)孔中壓入耐磨金屬材料的導(dǎo)向環(huán)，對(duì)活塞桿導(dǎo)向。這種形式的導(dǎo)向套（環(huán)）的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)約（耐磨）金屬材料，承載能力強(qiáng)，但加工復(fù)雜，磨損后修復(fù)困難，多用于中載低速液壓缸中。 當(dāng)前端蓋用碳素鋼制成時(shí)，其內(nèi)孔中安裝高強(qiáng)度塑料或纖維材料的非金屬導(dǎo)向套（環(huán)）對(duì)活塞桿進(jìn)行導(dǎo)向。非金屬材料制成的導(dǎo)向套（環(huán)）摩擦阻力小，低速

58、起動(dòng)無(wú)爬行，耐磨，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格便宜，安裝導(dǎo)向套（環(huán)）的溝槽加工容易并且已規(guī)范化，當(dāng)導(dǎo)向套（環(huán)）磨損后更換方便。這種導(dǎo)向套（環(huán)）多用于工程機(jī)械且行程較長(zhǎng)的液壓缸中。 過(guò)去，液壓缸的支承和導(dǎo)向都是采用金屬導(dǎo)向套來(lái)實(shí)現(xiàn)。因此，需要大量的有色金屬和機(jī)械加工工時(shí)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，逐步實(shí)現(xiàn)了采用非金屬材料制作的支承導(dǎo)向帶作為液壓缸的支承和導(dǎo)向元件。導(dǎo)向帶（支承環(huán)）的作用是用于防止液壓缸活塞與缸筒或活塞桿與導(dǎo)向套的內(nèi)壁之間，在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的接觸摩擦磨損。同時(shí)它還具有吸收作用于液壓缸的側(cè)向力，確保液壓缸的運(yùn)動(dòng)精度的功能。隨著合成化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，以聚四氟乙烯為基體經(jīng)過(guò)填充銅粉、石墨和玻璃纖維等材料進(jìn)行物

59、理改性的聚四氟乙烯導(dǎo)向帶及由合成樹(shù)脂涂敷夾織物軋制定型后的非金屬導(dǎo)向元件，已得到了廣泛的應(yīng)用。 2） 導(dǎo)向套（環(huán)）的長(zhǎng)度 導(dǎo)向套（環(huán)）的長(zhǎng)度設(shè)計(jì)是液壓缸端蓋設(shè)計(jì)的一部分，導(dǎo)向支承長(zhǎng)度是端蓋長(zhǎng)度減去防塵圈溝槽的長(zhǎng)度之后的剩余部分。在這個(gè)支承長(zhǎng)度上，安裝有密封件和導(dǎo)向套（環(huán)）。在通常情況下導(dǎo)向支承長(zhǎng)度和導(dǎo)向套（環(huán)）長(zhǎng)度可視為同一概念，但在具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，尤其使非金屬導(dǎo)向套（環(huán)）時(shí)，導(dǎo)向套的長(zhǎng)度和作為零件的導(dǎo)向套（環(huán)）的寬度不是一個(gè)概念。非金屬導(dǎo)向套（環(huán)）是標(biāo)準(zhǔn)零件，其尺寸系列和公差符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15242.2-1994的規(guī)定，溝槽尺寸和公差的設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15242.4-1

60、994的規(guī)定。 另外導(dǎo)向長(zhǎng)度與導(dǎo)向套（環(huán)）的長(zhǎng)度也不是同一概念，導(dǎo)向長(zhǎng)度還要考慮活塞的寬度B。導(dǎo)向套長(zhǎng)度設(shè)計(jì)所涉及的問(wèn)題有：導(dǎo)向套（環(huán)）尺寸的配置、導(dǎo)向套（環(huán)）的強(qiáng)度和最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，活塞桿在液壓缸的最小支承長(zhǎng)度L應(yīng)大于缸內(nèi)徑D與活塞桿半徑d的1/2之和 (3-23) 3） 導(dǎo)向套（環(huán)）的材料和加工要求 導(dǎo)向套（環(huán)）外圓與端蓋內(nèi)孔配合多為H8/f7，內(nèi)孔與活塞桿配合多為H9/f9。外圓與內(nèi)孔的同軸度不小于0.03，圓度和圓柱度不大于直徑公差之半。 (5) 活塞桿的密封與防塵 活塞桿處的防塵圈結(jié)構(gòu)形式有O型防塵圈，材料為丁腈橡膠，在外表面上具有梳子形截面

61、的密封表面，保證了它在溝槽中可靠的定位；金屬防塵圈，包在鋼殼里的單作用防塵圈。由一片極薄的黃銅防塵唇和丁腈橡膠的擦凈唇組成?？蓮臈U上出去干燥的或結(jié)冰的泥漿、瀝青、冰和其他污染物。選O型防塵圈即可。 3.5.4 中隔圈 中隔圈也稱限位圈。在長(zhǎng)行程液壓缸中，由于安裝方式及負(fù)載的導(dǎo)向條件，可能使活塞桿的導(dǎo)向環(huán)（套）受過(guò)大的側(cè)向力而導(dǎo)致嚴(yán)重磨損。因此，對(duì)于長(zhǎng)行程液壓缸，須在活塞與有桿側(cè)端蓋之間安裝一個(gè)中隔圈，使活塞桿在全部外伸的條件仍有足夠的支承長(zhǎng)度，以承受側(cè)向（活塞桿軸線的垂直方向）負(fù)載。 中隔圈的具體結(jié)構(gòu)形式如圖3-11所示，其中圖（a）是直接限位圈，用于無(wú)緩沖液壓缸，此時(shí)中隔圈會(huì)受到活塞

62、的沖擊力，常用碳素鋼或球墨鑄鐵材料制作。圖（b）中的中隔圈分為兩段，用于有緩沖的液壓缸。圖（c）用于特長(zhǎng)行程的液壓缸，它在液壓缸內(nèi)增加一個(gè)活塞，將中隔圈放在兩活塞之間，因此中隔圈的當(dāng)量長(zhǎng)度為中隔實(shí)際長(zhǎng)度加上第二個(gè)活塞的寬度。圖（b）、（c）中的中隔圈可用普通灰口鑄鐵HT200材料或低碳鋼制成。 圖3-11中隔圈的結(jié)構(gòu)形式 Fig3-11 In the structure of baffle 1-中隔圈（限位圈）；2-活塞 各生產(chǎn)廠家根據(jù)各自生產(chǎn)的液壓缸的結(jié)構(gòu)參數(shù)、間隙等因素和實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定中隔圈的長(zhǎng)度。下列兩例可供參考。 （1）當(dāng)行程S超過(guò)液壓缸內(nèi)徑D的8倍（S＞8D）時(shí)，可

63、安裝一個(gè)LT=100mm的中隔圈；超過(guò)部分，每增加700mm，中隔圈的長(zhǎng)度LT增加100mm。 （2）當(dāng)液壓缸行程S=（1000~2500）mm時(shí)，中隔圈的長(zhǎng)度為S=（1001~1500）mm，LT=500mm；S=（1501~2000）mm，LT=100mm；S=（2001~2500）mm，LT=150mm。 3.5.5 活塞主要技術(shù)性能參數(shù)計(jì)算 （1）活塞桿的直徑d 根據(jù)表3-2可知，液壓缸速比取 φ=2 表3-2液壓缸速比與工作壓力的關(guān)系 Tab3-2hydraulic cylinder speed ratio relationship with work stres

64、s 工作壓力/MPa ＜10 12.5~20 ＞20 速比 1.33 1.46,2 2 則活塞桿的直徑d (3-24) 圓整到系列尺寸，則d=110mm。 對(duì)于空心桿 (3-25) 式中F-液壓缸的作用力，N； σs-材料的屈服強(qiáng)度，Pa； [σ]-材料的許用應(yīng)力，活塞桿選用材料35CrMo，根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》查得35CrMo材料σs=835MPa ，安全系數(shù)選取8，許用應(yīng)Pa，[σ]=σs/n；[σ]=835/8=104.375MPa n-安全系數(shù)，n=2~4，

65、一般取n≥1.4； d-活塞桿直徑或空心活塞桿外徑，m； d1-空心活塞桿內(nèi)徑，m。 （2）活塞桿運(yùn)動(dòng)速度 對(duì)于單活塞桿液壓缸 活塞桿伸出 (3-26) 式中 Q-流量，液壓系統(tǒng)最大流量為148L/min D-液壓缸內(nèi)徑 ηv-液壓缸容積效率，當(dāng)活塞密封為彈性密封材料時(shí)，ηv=1，當(dāng)活塞密封為金屬環(huán)時(shí)，ηv=0.98 則 活塞桿縮回 式中 d-活塞桿直徑 v1-活塞桿伸出速度 V2-活塞桿縮回速度 （3） 液壓缸工作行程的確定 液壓缸

66、工作行程的長(zhǎng)度，可根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際工作的最大行程來(lái)確定，并參照HSG型工程用液壓缸技術(shù)參數(shù)選取標(biāo)。 因?yàn)棣?2 故可選液壓缸行程為 S=780mm 為了提高活塞桿的穩(wěn)定性，適當(dāng)增加活柱?；钪环矫婵稍黾右簤焊椎男谐?；另一方面在相同行程下，減少活塞桿的伸出長(zhǎng)度，提高了液壓缸的支撐穩(wěn)定性。 有效計(jì)算長(zhǎng)度為： 液壓缸的安裝尺寸，可查設(shè)計(jì)手冊(cè)得： 安裝尺寸 L1=70mm 當(dāng)活塞桿全部伸出時(shí)，有效計(jì)算長(zhǎng)度為： (3-27) 式中 -液壓缸的安裝尺寸(查設(shè)計(jì)手冊(cè)得到) mm。 （4）最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定 當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí)，從活塞支撐面中點(diǎn)到缸蓋滑動(dòng)支撐面中點(diǎn)的距離H稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。 對(duì)一般的液壓缸，最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H應(yīng)該滿足以下要求 (3-28) 取最小導(dǎo)向長(zhǎng)度為200 mm。 式中 -液壓缸的最大行程； -液壓缸的內(nèi)徑。 （5）活塞的寬度 選取B=120 mm （6）缸蓋滑動(dòng)支承面的長(zhǎng)度 根據(jù)液壓缸內(nèi)徑D而定： 當(dāng)D<80mm時(shí)，?。? 當(dāng)D>80mm時(shí)，取。 因?yàn)镈=160 mm