中国矿业大学毕业设计任务书.docx
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中国矿业大学毕业设计任务书
中国矿业大学毕业设计任务书
学院应用技术学院专业年级机自03－9班学生姓名崔蕾蕾
任务下达日期:
2007年1月11日
毕业设计日期:
2007年3月25日至2007年6月20日
毕业设计题目：
8000kN立柱试验台结构设计
毕业设计专题题目：
毕业设计主要内容和要求：
熟悉1804－2欧洲标准中《立柱、千斤顶技术条件》部分的内容和我国立柱试验相关标准，总结立柱的检验项目和检验方法，据其设计一台立柱性能试验台的结构，要求该试验台能够完成工作阻力不低于8000kN的立柱的检验。
重点设计试验台外加载系统与承载框架，关键部分详细计算。
绘制外加载系统、承载框架总装图，选取代表性的部件和零件绘图，总图量折合后不少于3张0＃图纸。
承载框架部分，用SolidWorks2007进行三维建模，用有限元分析工具进行应力分析。
按照《中国矿业大学本科生毕业设计撰写规范》整理计算说明书，总字数不少于35000字。
院长签字：
指导教师签字：
中国矿业大学毕业设计指导教师评阅书
指导教师评语（①基础理论及基本技能的掌握；②独立解决实际问题的能力；③研究内容的理论依据和技术方法；④取得的主要成果及创新点；⑤工作态度及工作量；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
指导教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计评阅教师评阅书
评阅教师评语（①选题的意义；②基础理论及基本技能的掌握；③综合运用所学知识解决实际问题的能力；③工作量的大小；④取得的主要成果及创新点；⑤写作的规范程度；⑥总体评价及建议成绩；⑦存在问题；⑧是否同意答辩等）：
成绩：
评阅教师签字：
年月日
中国矿业大学毕业设计答辩及综合成绩
答辩情况
提出问题
回答问题
正确
基本
正确
有一般性错误
有原则性错误
没有
回答
答辩委员会评语及建议成绩：
答辩委员会主任签字：
年月日
学院领导小组综合评定成绩：
学院领导小组负责人：
年月日
摘要
液压支架是现代煤矿综采工作面中的配套支护设备,立柱是其主要结构件。
立柱工作的可靠性直接关系到矿井生产的正常化和工人的生命安全。
随着我国煤炭工业的不断发展，国家对安全生产治理力度的加大，对矿用机电设备的检测技术提出了更高的要求。
立柱性能检测试验台是进行立柱质量检测的必要设备,是立柱质量监控的保障。
本文设计的立柱试验台能够兼容欧洲标准和国家标准，能够检测单根工作阻力达8500kN的立柱的性能。
本文介绍了立柱性能检测的方法、试验台的组成、原理，设计了加载系统和承载框架。
本设计的主要内容：
1.详细设计了外加载系统、加载液压缸、增压缸、油箱、联结罩、联轴器、承载框架。
2.选取外加载泵站、大泵组、增压缸、加载液压缸、联轴器、加载缸导向套等零部件进行了绘图。
3.承载框架部分，用SolidWorks2007进行建模，并借助于SolidWorks2007的一款有限元分析工具COSMOS进行了应力分析。
关键词：
液压支架立柱；液压加载系统；试验台；
ABSTRACT
Inthemodernminingthehydraulicsupportisthenecessaryancillaryequipment,thelegsisoneofitsmainelements.Thereliabilityofthelegsdirectlyrelatestheminepitproductionnormalizedandworker'ssafe.
AlongwithChinacoalindustryunceasingdevelopment,thegovernmenttosafetydynamicsenlarginginproductionsetahigherrequesttothemineralelectromechanicaldeviceexaminationtechnology.Thelegsperformancetest-bedisthelegsqualityexaminationofthefittingsisthequalitymonitoringsafeguardofthelegs.
Thelegstest-bedofthisarticledesignedcancompatibleEuropeanstandardandthenationalstandard.，canexaminethelegsperformanceoftheworkingresistancereach8500kN。
Thisarticleintroducedthemethodoflegsperformanceexamination,thetestplatformcomposition,designedtheloadingsystemandtheloadbearingframe.
Themaincontentofthisarticle:
1.Thisarticledesignedtheloadingsystem,thehydrauliccylinder，theturbo-chargedcylinder,thepumpingstationfueltank,joinsthecover,theshaftcoupling,theloadbearingframeindetail.
2.Selectedthepumpingstationofloading,thebigpumpgroup,thehydrauliccylinder,theturbo-chargedcylinder,theshaftcoupling,thecylinderguidanceandsoonhascarriedonthecartography.
3.Thedesignofloadbearingframe,withtheSolidWorks2007carriesonthedesign,anddrewsupporttoSolidWorks2007sectionfiniteelementanalysistoolCOSMOScarriedonthestressanalysis.
Keywords:
TheLegsofhydraulicsupport;HydraulicLoadingSystem;Test-bed;
目录
1立柱试验台总体结构方案设计1
1.1课题研究背景和意义1
1.2立柱试验台检测项目和实验方法1
1.3拟定试验台总体结构方案3
2外加载液压系统设计5
2.1液压技术简介5
2.1.1液压系统概述5
2.1.2液压传动的优点6
2.1.3液压技术的缺点7
2.2液压加载系统工况分析及设计要求7
2.3液压加载系统方案设计8
2.3.1选择液压动力源8
2.3.2选择执行元件8
2.3.3确定控制方式8
2.3.4液压回路设计9
2.3.5选定液压油类型11
2.3.6系统压力、流量的调定和测量12
2.4拟定外加载系统原理图12
2.5加载液压缸主要参数计算14
2.5.1初选液压缸工作压力14
2.5.2确定液压缸的主要结构尺寸14
2.5.3验算最小稳定速度15
2.5.4活塞杆稳定性验算16
2.6计算系统压力17
2.6.1计算加载缸各工况压力18
2.6.2确定系统供油压力18
2.7计算系统各工况的流量18
2.8液压泵的参数计算与型号选择19
2.8.1计算液压泵的最大工作压力19
2.8.2确定液压泵的输出流量20
2.8.3选择液压泵21
2.9与液压泵匹配的原动机的选择24
2.9.1计算液压泵各工况的输出功率24
2.9.2选择电动机型号25
2.10液压元件的选择26
2.10.1液压阀类元件的选择26
2.10.2过滤器的选择27
2.10.3蓄能器的选择28
2.10.4液压油管的选择30
2.10.5液压油箱容积的计算34
2.11外加载液压系统的验算34
2.11.1系统的压力损失验算35
2.11.2系统的发热温升验算37
2.12油箱的设计38
2.12.1油箱设计要点39
2.12.2确定油箱的外形尺寸40
2.12.3油箱的结构设计42
2.13泵站结构布置设计42
2.13.1液压泵站结构设计的注意事项42
2.13.2选择液压泵站安装方式43
2.13.3电动机与液压泵的联接方式43
2.13.4液压泵站布置方案44
3外加载液压缸设计45
3.1液压缸的类型及其特点45
3.2液压缸主要结构尺寸和性能参数46
3.3液压缸缸筒和缸盖的计算46
3.3.1缸筒和缸盖的结构形式46
3.3.2确定缸筒的壁厚48
3.3.3确定液压缸的外径48
3.3.4缸筒壁厚的验算48
3.3.5缸盖厚度的计算50
3.4缸体长度的确定51
3.5活塞的最小导向长度H的确定52
3.6导向套尺寸配置52
3.6.1导向套受力分析52
3.6.2导向套尺寸与加工要求54
3.7液压缸油口直径的计算55
3.8活塞杆组件的尺寸计算56
3.8.1活塞杆组件的组成与材料56
3.8.2活塞尺寸计算及连接方式选择56
3.9加载缸密封圈的选择59
3.9.1密封装置类型选择59
3.9.2密封圈材料的选择64
3.10液压缸设计注意的问题64
4增压液压缸设计66
4.1增压液压缸工作原理66
4.1.1增压回路66
4.1.2增压液压缸结构67
4.2增压缸主要结构尺寸计算和性能参数确定68
4.2.1已知增压缸参数68
4.2.2确定增压缸的主要结构尺寸68
4.2.3确定液压缸的増压行程69
4.3增压缸大缸筒的计算70
4.3.1大缸筒和两缸盖的结构形式70
4.3.2确定大缸筒的壁厚70
4.3.3确定增压缸大缸筒的外径71
4.3.4大缸筒壁厚的验算71
4.4增压缸小缸筒的计算73
4.4.1小缸筒和两缸盖的结构形式73
4.4.2确定小缸筒的壁厚74
4.4.3确定小钢筒的外径75
4.4.4小缸筒壁厚的验算75
4.5缸体长度的确定76
4.6活塞的最小导向长度H的确定77
5试验台承载框架结构设计78
5.1机架设计的准则和要求78
5.1.1机架设计的准则78
5.1.2机架设计的一般要求78
5.1.3机架设计的传统步骤79
5.2承载框架的结构选型与三维建模79
5.2.1选择机架形式与钢板材料79
5.2.2三维设计应用的趋势80
5.2.3选择三维设计软件的关键考虑因素81
5.2.4SolidWorks的功能81
5.3承载框架的有限元分析82
6结论89
参考文献90
附录92
附录Ⅰ内加载系统原理图与选型92
附录Ⅱ框架单侧承载梁应力分布图94
附录Ⅲ框架单侧承载梁位移分布图95
附录ⅣSolidWorks最新版本SolidWorks®2007概述96
附录ⅤCOSMOS2007简介99
致谢102
1立柱试验台总体结构方案设计
1.1课题研究背景和意义
液压支架的立柱以乳化液为工作介质,在液压支架支护采煤工作面顶板、破碎顶板方面起到了至关重要的作用。
液压支架立柱的可靠性及安全性直接关系到矿井生产的正常化及煤矿工人的人身安全。
随着中国煤炭工业的不断发展，国家对安全生产治理力度的加大，对矿用机电设备检测技术提出了更高的要求。
由于我国煤炭工业迅猛发展，大型综采配套现代化矿井逐年增加，液压支架的使用量逐年上升,并且随着技术的革新，单根立柱的缸径已经突破400mm，额定工作压力突破43MPa,额定工作阻力达到5400kN，向大缸径、超高压、大工作阻力发展是矿用液压支架发展的大势所趋，相信在不久的将来，单根工作阻力超过8000kN的立柱便会设计制造并投产使用，到那时检修量和实验的工作量也大大增加。
液压支架立柱检测设备是生产和研制高产高效液压支架的关键设备，面对迅速发展的支护技术，需要有一种能够快速、准确地检测如此大缸径、大工作阻力液压支架立柱的实验台。
为此本文设计了这台能够准确检测单根额定工作阻力为8000kN液压立柱的实验台。
1.2立柱试验台检测项目和实验方法
表1.1立柱试验台检测项目和实验方法
序号
检验项目
检验方法
1
空载行程
立柱空载，在运动速度不大于200mm／min的工况下，全行程往复运动三次
2
最低启动压力
（1）立柱空载无背压工况下，分别对活塞腔，和活塞杆腔逐渐升压至活柱塞全行程移动，记录各级缸的上腔和下腔的启动压力。
（2）立柱活柱全缩回，中缸活塞杆腔保持供液压力，大活塞杆腔逐渐升压使中缸运动，记录当中缸中部通过大缸导向套时，大缸活塞杆腔的启动压力。
3
活塞杆腔密封性能
立柱缩至最小高度对活塞杆腔加2MPa和1.1倍供液压力，闭锁密封腔稳压5分钟
4
中心让压性能
立柱全部外伸，将安全阀开启压力调至额定工作压力
（1）用10
2mm/min速度，进行2次行程100mm的让压试验
（2）用2
1mm/min速度，进行2次行程20mm的让压试验
（3）多级立柱级间转换处用10
2mm/min速度，进行2次行程100mm的让压试验
5
中心过载性能
（1）1.5倍额定载荷压缩
1）外加载步骤：
①用0.8倍的额定工作压力使立柱全部外伸
②压力腔闭锁
③用1.5倍额定工作阻力外加载1次3min，在3min内作密封试验
④卸载后测量缸筒扩径残余变形
2）内加载步骤：
①用0.8倍的额定工作压力使立柱全部外伸至全长（95
3）%
②立柱两端固定，用1.5倍额定工作压力向压力腔加压
③压力腔闭锁1次3min，在3min内作密封试验
④卸载后测量缸筒扩径残余变形
（2）全缩回2倍额定载荷
立柱全缩回，在外部施加2倍额定工作阻力1次3min
6
偏心加载
用0.1倍额定工作压力使立柱全伸出，闭锁压力腔，按规定偏心量外加额定工作阻力1次3min做密封检查，然后卸载至0.1倍额定工作压力测量级间过渡处的扰度。
7
耐久性试验
（1）偏心加载
将立柱伸出至全行程的90
5%，偏心量按规定的一半加载循环：
1加（1.1
5%）倍额定工作阻力，让压加载速度（100
10%）mm/min，运动距离（50
2.5%）mm
2加压完毕，以额定供液压力对活塞杆腔加压回缩（50
2.5%）mm
3用额定工作压力的（70~80）%，是液压缸伸出至原位：
循环次数大于6000次，循环完毕进行密封性能试验。
（2）中心加载
将立柱伸出全行程的（90
5）%，中心加载循环：
1用1.1额定倍工作阻力中心加载
2卸载0.1倍的额定工作阻力，循环1500次，循环完毕进行密封性能试验。
8
外伸限位
（1）用额定工作压力使活塞向内部挡块伸出，至活塞和内部挡块接触后停留3min
（2）在额定工作压力的（80
5）%和（10
5）%之间对着内部挡块外伸100次
9
功能
立柱在进行完以上全部试验之后，将立柱的安全阀调到额定工作压力，从全伸出开始以10
2mm/min的速度外加载使其全行程缩回。
10
全伸出2倍工作载荷
（1）外加载
用0.8倍的额定工作压力使立柱伸出，将压力腔闭锁，外加2倍额定工作阻力压载1次3min，在3min内作密封试验
（2）内加载
用0.8倍的额定工作压力使立柱伸出至全长的（95
3）%，将其两端固定，向压力腔加2倍的额定工作压力，然后压力腔闭锁1次3min，在3min内作密封试验
1.3拟定试验台总体结构方案
分析以上标准和试验方法，测试立柱的试验台主要由：
承载机构、加载机构、压力检测机构、电气控制部分组成。
本试验台的加载系统和试验台承载框架是这次毕业设计的主要内容，下面从这两方面入手，确定方案。
加载方式有很多种，例如有机械加载、电加载、液压加载等方式。
液压加载系统与其他加载方式相比较具有简单易行，可以实现无级变速连续加载，所需元件数量少，能远距离控制，运动件的惯性小，能够频繁换向，传动工作平稳等优点，所以本试验台加载系统选用液压系统。
液压加载系统分别选用液压油外加载系统和乳化液内加载系统，这种液压系统结构简单,维修方便。
按照设计要求主要设计试验台的外加载泵站、加载液压缸、增压液压缸、泵站油箱、联结罩、联轴器、增压缸、活塞杆、加载缸导向套等关键零部件。
承载部分采用钢板焊接成整体框架式。
两侧承载梁的截面积及钢板的厚度设计校核时最终确定。
设计承载框架，按照导师的建议，借助三维软件SolidWorks2007进行设计，对框架进行三维建模，用SolidWorks2007带的有限元分析工具COSMOS进行应力分析。
2外加载液压系统设计
2.1液压技术简介
液压传动是用液体作为工作介质来传递能量和进行控制的传动方式。
液压系统利用液压泵将原动机的机械能转换为液体的压力能，通过液体压力能的变化来传递能量，经过各种控制阀和管路的传递，借助于液压执行元件（缸或马达）把液体压力能转换为机械能，从而驱动工作机构，实现直线往复运动和回转运动。
2.1.1液压系统概述
液压传动和气压传动称为流体传动，是根据17世纪帕斯卡提出的液体静压力传动原理而发展起来的一门新兴技术，是工农业生产中广为应用的一门技术。
如今，流体传动技术水平的高低已成为一个国家工业发展水平的重要标志。
1795年英国约瑟夫·布拉曼（JosephBraman,1749～1814），在伦敦用水作为工作介质,以水压机的形式将其应用于工业上,诞生了世界上第一台水压机。
1905年将工作介质水改为油,又进一步得到改善。
第一次世界大战（1914～1918）后液压传动广泛应用,特别是1920年以后,发展更为迅速。
液压元件大约在19世纪末20世纪初的20年间,才开始进入
附录ⅣSolidWorks最新版本SolidWorks®2007概述
SolidWorksCorporation推出的SolidWorks®2007软件，向设计团队提供了以更快捷和更聪明的方式工作的绝佳机会，以求制作出更好的产品。
这款领先的3DCAD软件的最新版本除了有超过200种新特性外，还推出了SolidWorks智能特性技术（“SWIFT”），该技术首次将3DCAD最具挑战性设计操作中的专家级技术交付到每位用户手中。
SWIFT™技术颠覆了“强大软件必然复杂”的观念，在简化软件使用的同时还带来了效率的指数级增加。
例如，以前3DCAD应用程序需要设计团队耗费宝贵的时间来确定其生成零件特征（如草图和圆角）的顺序。
SolidWorks2007改变了这一切，让SWIFTFeatureXpert能自动以设计师所需的正确顺序生成新的特征。
这样，设计师可以将更多时间投入到手头的工作上，设计出更好的产品。
“FeatureXpert的新功能大大简化了建模过程，对新用户而言尤其如此，”Sub-ZeroFreezer公司的设计师MarlaSchmidt表示。
“例如，新用户可能不知道如何向已有圆角的零件添加草图。
FeatureXpert会自动调整特征的顺序，以便能够正确应用草图。
我们希望SolidWorks2007及今后版本的其它SWIFT功能也能带来类似好处。
”
SWIFT为SolidWorks2007带来了诸多增强特征，其中90％都是直接根据客户反馈而产生的。
这些增强特征将共同发挥作用，通过提供直观、高性能的软件，帮助设计团队胜人一筹，从而协助客户取得成功。
着重点：
产品设计，而非设计工具
SolidWorks2007中的其它SWIFT工具包括SWIFTSketchXpert，它解决了绘制时的空间性和关系性冲突；还有SWIFTMateXpert，它消除了用户添加或修改配对部件时导致的冲突。
SWIFT是SolidWorksCorporation在3DCAD解决之道上更着重于产品设计，而非支持该设计的工具的具体实施的鲜明例证。
这个着重点在强大的新搜索功能中也体现得相当明显，该功能让用户只需使用一种工具，即能够在其桌面单机、共享文件、产品数据管理（PDM）系统，或者其供应链环境中找到与其3D设计作业相关的任何内容。
这个强大而易于使用的新功能将与很多新标准内容协同工作，这包括使用SolidWorks3DContentCentral®部件查找服务提供的内容。
其结果是，设计团队通过将其搜索自己已创建的文件和部件的时间降至最低，从而腾出更多时间来设计一流的产品。
该工具还将针对SolidWorks2007中的新路径和焊件内容。
SolidWorks用户现在拥有比任何3DCAD用户社区更多的预定义内容，这非常重要，因为60％的普通机器都包含已购买的部件。
利用2D的专有技术来推动3D设计
对设计团队颇为关键的一点是，其在创建3D模型前使用2D进行表达的能力。
SolidWorks2007相应地对该功能（如去年推出的制图模块（SketchBlock））进行了大幅改善。
对皮带、链条、滑轮和齿轮的2D绘制现在能自动体现出多部件的互动和运动，这有助于设计团队在其工作的各个阶段进一步优化其设计。
此功能将3DCAD的智能化和2DCAD的感觉融为一体。
独具一格的SolidWorksDesignChecker在去年作为SolidWorks2006的组件推出，它包括强大的新功能，可确保工程图能够达到每个用户机构定义的标准。
新功能包括自动校正和从已完成工程图“学习”的能力，这些功能让设计师能更轻松地避免代价昂贵而耗费人力的图样修改。
此外，SolidWorks2007首次让用户能够将任何文件保存为AdobeSystem新的3DPDF格式，从而对两种主流标准提供全面支持，以便共享3D设计、PDF和SolidWo
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