摘 要
1、立柱是液压支架支撑和承载的主要部件，也是液压缸的一种。2、结合煤矿地下的使用工况，液压支架的工作特点，以及其他伸缩立柱装置的优缺点的同时，认为双伸缩式立柱具有工作较平稳、工作压力大、性能可靠等优点。3、根据要求，对双伸缩式立柱进行结构设计。其中包括立柱工况分析及参数确定、主要零件结构设计与计算。在此基础上利用软件CAD 对其进行零件绘制、装配。
关键词：液压支架；双伸缩式立柱；结构设计；装配
ABSTRACT
1、hydraulic powered support column is the main support and bearing
components, is also a hydraulic cylinder. 2、 with the use of coal underground working conditions, hydraulic support the work of features, columns and other telescopic devices at the same time the advantages and disadvantages of that double-telescopic column with a stable work, work pressure and reliable performance advantages.3、 on request, the double-telescopic column for structural design. Including the status of the column and parameters, the main parts of the design and calculation. On the basis of its using the software of CAD drawing, assembly parts.
Keywords: Hydraulic powered support; double telescopic column; structural design, assembly
目 录
第一章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1液压支架简述„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„2
1.2液压支架立柱特点„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„„3
1.3双伸缩式立柱结构及工作原理„„„„„„ „„ „„„„„„„„4
1.4双伸缩式立柱运行及负载特点„„„„„„ „„„„„„„„„„5
第二章双伸缩立柱结构设计计算„„„„„„„ „„„„„„„„„ 6
2.1，原始数据„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„7
2.2，设计要求„„„„„„„„ „„„„„ „„„„„„„„„„„8
2.3工况分析并确定液压缸参数„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2.3.1支架的承载过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
2.3.2. 立柱负载分析及确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
2.3.3. 初步确定液压缸参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
2.3.4，结构设计及强度验算„„„„„„„„„„„„„„„„13
2.3.5活塞杆的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
2.3.6活塞的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15
2.3.7导向套的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
2.3.8 端盖和缸底的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„17
2.3.9其他零件的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
2.3.10液压缸的密封、防尘、导向的选择„„„„„„„„„„„„„19
2.3.11液压缸弯曲稳定性验算„„„„„„„„„„„„„„„„„20
第三章 装配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21
参考文献
致谢
第1章 绪 论
1.1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。
本立柱用于ZY500/17/35液压支架，
1.2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
1.3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。
1.4. 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=4000KN
2.2 设计要求：
内容：设计说明书，装配图，主要零件图2张。建模，整体装配及运动仿真。
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：
p c =π
4D 2p b n ⨯103
式中 D—支架立柱的缸径，m
Pb—泵站的工作压力，MPa
n---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
p =π
4p a n ⨯103
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
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iuaid 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：
（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
π 由： p c =D 2p b n ⨯103 4
式中 D —— 支架立柱的缸径，m
Pb ——泵站的工作压力，MPa
N —— 支架立柱的数量。
Pc —— 撑力
得： D 2=4Pbn ⨯103=4×2400／(3.14×31.5×4×1000)
D=155.7mm
根据表2.1缸筒内径系列（GB ／T2348-93），选二级缸内径
D 2 =160mm
壁厚的计算：
δ≥P max D /{2.3[σp ]-3P max }
式中 δ—— 壁厚
P max ——最高允许压力。P max ≤1.5P n （P n 工作压力）
P max ≤1.5P n =1.5×31.5=47.25 MPa
[σp ]——许用应力。[σp ]=σp ／n （n 安全系数）
N —— 通常取1.5-2.5，根据液压缸的重要程度和工作压力
等因素选取，工作压力大n 可选取小一些。则取n=2，σp 缸筒材料的
屈服强度，此取45号钢，σp =700 MPa
[σp ]=σp ／n=700/2=350 MPa
δ≥P （2.3×350-3×47.25） [σp ]-3P max D /{2.3max }=47.25×160/
=11.377mm
取20mm
则二级缸外径为160+2×20=200mm
验算：根据液压缸基本计算公式 D =4F 224⨯480 =+d +0. 122 =0.15756m 66πP ⨯103. 14⨯31. 5⨯10
式中 F理论推力 F=F 0⨯ηη0 η（效率）=0.5-0.7，取0.6。
η0负载率取0.8 。
F 0活塞杆上实际受力，按最大受力记，取1000KN
F=1000⨯0.6⨯0.8=480KN
P工作压力=31.5MPa
d 活塞杆直径
符合要求。
（2）一级缸内径和壁厚
留20mm 作为二级缸与一级缸内壁距离，则一级缸内径
D1=200+20×2=240mm
壁厚
δ≥P [σp ]-3P max D /{2.3max }
=47.25×220/（2.3×350-3×47.25）
=15.62mm
圆整 取20mm
依据表2.3，一级缸外径为240+2×20=280mm
（3）初步确定活塞杆尺寸
一级活塞即二级缸外壁，不用再确定，二级缸内壁为160mm ，因此
根据表2.2得二级活塞杆外径为120mm, 空心杆，内径为80mm
2.3.4 结构设计及强度验算
一、缸筒的设计与计算
缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、
缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容
纳压力油，同时它是活塞的运动“轨道”。
1. 缸筒的技术参数选择（如图3.1 ）
（1）缸体的材料：采用45钢，并应调
质到241～285HB ；
图3.1 缸筒的技术参数
（2）技术要求：
①缸体采用H9配合。表面粗糙并Ra 为0.1～0.4μm ，当活塞用活塞环
密封时，Ra 为0.2～0.4μm ；②缸体内径D 的圆度、圆锥度、圆柱度公差
不大于内径公差之半选取；
②缸体端面T 的垂直度公差值可按7级精度选取；
③为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内应镀以厚度为30～40μm 的
铬层，镀后进行珩磨或抛光
（3）安全系数：查表取安全系数：n ＝3，查表得45号钢的材料的抗
σ530=176.67Mpa 拉强度σb ≥530Mpa ，则：材料的许用应力：[σ]=b =n 3
2. 一级缸筒的尺寸参数选择
（1）缸筒内径的确定
由前面计算得到：一级缸筒内径D 1＝240㎜
缸筒壁厚为20mm ≥15.62mm 。满足。由于缸筒壁厚由强度公式计算而
来，所以缸体壁厚无需校核。
二、一级缸体的结构设计与连接强度计算
缸筒的两端分别和缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因而它的机
构形式和缸盖及缸底密切相关。缸筒是液压缸的主体，其余零件装配其上，它的结构形式对加工和装配有很大影响，因此其结构应尽量便于装配、拆
卸和维修。
（1）结构形式
此液压缸用于液压支架装置中，主要为矿上所用，且缸内径D ≥200
㎜，额定压力P N ≥25Mpa ，所以采用缸筒和缸底及端盖的连接方式为：缸
筒和缸底采用焊接连接，缸筒和端盖采用内卡环连接。这样，液压缸的零
件较少的暴露在外面，外形尺寸相对较小，能满足环境恶劣时的使用要求。
（2）连接强度计算
①焊接强度的计算（如图3.2） P 800 σ===13.48Mpa
2D 12-D 2η282-262)⨯0.7(44()
式中：P ——液压缸的最大压力（N ）；
D1 ——缸筒的外径（m ）；
D2 ——焊缝底径（m ）；
η ——焊接效率，一般取η=0.7。
显然，σ≤σb /n ，满足条件； σb —缸体材料的抗拉强度，n —材料
的安全系数。
②卡环连接强度计算（如图3.3）
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯240⨯10-3
τ===4.8Mpa
-34L 4⨯10⨯10
图3.2缸底焊接及尺寸图
1. 缸壁；2. 缸底 图3.3 端盖内卡环连接示意图 卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==9.004Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯240-102800⨯103⨯(240⨯10-3)2
可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯240⨯10-3(280⨯10)-(240+10)-322⨯10-6=11.97Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
满足强度要求。
三、二级缸体的结构设计与连接强度计算
与上面一级缸体的结构设计与连接强度计算一样，只不过缸体上的活
塞也用卡环固定，需再加一步计算。
①前端盖卡环连接强度计算（如图3.3）
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯160⨯10-3
τ===3.2Mpa -34L 4⨯10⨯10
卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==6.61Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯160-102800⨯103⨯(160⨯10-3)2
由上可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯160⨯10-3(200⨯10)-(160+10)-322⨯10-6=7.52Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
由上可知，满足强度要求。
②活塞固定卡环连接强度计算
如图3.4所示
图3.4活塞固定卡环连接计算图
1—活塞，2—卡坏，3—轴套，4—二级缸体，
5—挡圈
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯160⨯10-3
τ===3.2Mpa -34L 4⨯10⨯10
卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==6.61Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯160-102800⨯103⨯(160⨯10-3)2
由上可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯160⨯10-3(200⨯10)-(160+10)-322⨯10-6=7.52Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
满足强度要求。
2.3.5活塞杆的设计与计算
1、一级活塞杆即二级缸体，已设计完毕，
2、二级活塞杆尺寸的确定
（1）由前文计算可知，可以确定活塞杆直径为d=140㎜。
（2）活塞杆具体长度的确定（结合装配图）
3、活塞杆形式和材料及技术要求
取活塞杆的形式为：空心活塞杆，材料为45钢。
活塞杆得技术要求：
（1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度229～285HB ；淬火
处理，淬火深度0.5～1㎜
（2）活塞杆d 和d 1的圆度公差值，按9或10级精度选取；
（3）活塞杆d 的圆柱度公差值，按8级精度选取；
（4）活塞杆d 对d 1的径向跳动公差值，为0.01mm ；
（5）端面T 的垂直度公差值，按7级精度选取；
（6）活塞杆上下工作表面的粗糙度为R a 0.63μm ，表面镀铬，镀层厚
度约为0.05mm, 镀后抛光以提高耐磨性和防锈性。
4、活塞杆强度校荷
见整体强度校荷一节中的活塞杆强度校荷
5、活塞杆的结构设计
（1）活塞杆和活塞的连接
液压系统为中压系统，本着满足方便安装、连接强度高等要求，选择卡环式连接，前面已做计算。
（2）二级活塞杆端部和负载的移动机
构相连接，考虑到液压缸工作时轴线固定不
动，可采用焊接连接一耳环，作圆周运动，
如图4.1
图4.1光杆耳环示意图
活塞杆外径120mm ，取内径80mm ， 螺孔头具体尺寸如表4.1
表4.1螺孔头尺寸
2.3.6活塞的设计与计算
1、活塞的结构形式根据液压缸使用的情况（密封、有无导向环等）， 选用有导向环形活塞，具体结构形式如图4-9所示。
2、活塞的材料及技术要求
查表可选“有导向环活塞”的材料为45号钢，外加导向环。
技术要求（如图
4-10
）：
（1）活塞外径D 对内径D 1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。
（2）端面T 对内孔D 1轴线的垂直度公差值，应按7、8级精度选取。
（3）外径D 的圆柱度公差值，按8、9、或10级精度选取。
3、一级活塞的尺寸的确定
根据以往经验，可取活塞的宽度一般为活塞外径的0.6～1.0倍，这里取活塞宽度为活塞外径的0.8倍，即。h =0.8D =0.7⨯240=168cm
图5-1 活塞的密封和导向 图5-2活塞技术参数
1.Yx 型密封圈；2. 导向环；3. 活塞；4. 缸壁
4、二级活塞的尺寸的确定
密封和导向和活塞技术参数与一级相同，宽度
h 2=0.8D =0.7⨯160=112cm
2.3.7导向套的设计与计算
（一），一级缸
导向套在活塞往复运动中启导向支承作用，导向套的性能的好坏对液
压缸的性能有很大的影响。
1. 最小导向长度及中隔圈长度的确定
当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离
称为最小导向长度H ，如图6-1所示
图6-1导向长度示意图
一般情况， 最小导向长度应满足下面要求：
L D 10.22H ≥+ (m)，即 H ≥+=0.16 m 202202
式中：L ——最大工作行程（m ）；
D ——缸筒内径（m ）；
因为缸径大于80㎜，所以算导向套滑动面的长度A 为：
A =(0.6~ 1.0)d =0.8d =0.8⨯1.6=1.28 m
导向套的长度为：b =(2/3) d =(2/3) ⨯160=106.7mm，这里取b =110mm，
以满足要求。
由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套
会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：
d 0.2L G ≥D + m 即：L G ≥0.22+=0.33 m 22
一般情况，当行程长度超过缸筒内径的8倍时，可装一个长度为100mm
的中隔圈；超过部分每增加700mm ，中隔圈的长度即增加100mm 。
由于此液压缸的行程要求1000mm ，缸筒内径为220mm ，由于
1000÷240≈4.17倍。所以不用加装中隔圈。
根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相
对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环的方式导向，这里取端盖的h=140mm，导向支撑长度为l =40mm 具体布置见工程图。
（二）二级缸
一般情况， 最小导向长度应满足下面要求：
L D 0.70.16H ≥+ (m)，即 H ≥+=0.115 m 202202
式中：L ——最大工作行程（m ）；
D ——缸筒内径（m ）；
因为缸径大于80㎜，所以算导向套滑动面的长度A 为：
A =(0.6~ 1.0)d =0.8d =0.8⨯1.4=1.12m
导向套的长度为：b =(2/3) d =(2/3) ⨯140=93.8mm，这里取b =100mm，
以满足要求。
由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套
会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：
L G ≥D +d 0.14 m 即：L G ≥0.16+=0.23 m 22
一般情况，当行程长度超过缸筒内径的8倍时，可装一个长度为100mm
的中隔圈；超过部分每增加700mm ，中隔圈的长度即增加100mm 。
由于此液压缸的行程要求1000mm ，缸筒内径为220mm ，1000/160=6.25
接近8倍，但是二级缸不完全伸出，不用加装中隔圈即可满足强度要求。
根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相
对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环的方式导向，这里取端盖的长度h=123mm，导向支撑长度为l =30mm ，具体布置见工程图。
2.3.8 端盖和缸底的设计与计算
1、端盖的设计
有活塞杆通过的缸盖叫端盖，无活塞杆通过缸盖的叫缸头或缸底。缸
盖的设计主要考虑活塞杆的导向、密封、防尘等问题。
图7-1 端盖示意图 图7-2 油口示意图
2、端盖的材料和技术要求（如图7-1）
缸盖材料采用45号锻钢。
技术要求：
（1）直径D 、D2、D3的圆柱度公差应按9、10、11级精度选取；
（2）D2、D3与d 同轴度公差值为0.03mm ；
（3）端面A 、B 与直径d 轴心线的垂直度公差值按7级精度选取；
（4）导向孔的表面粗糙度Ra ＝1.25μm
3、液压缸缸底的材料：采用35号钢。
4、液压缸缸底尺寸的确定（如图7-3）
选择缸底形状为球面有油口型，材料为35钢，计算如下：
h =0.433=0.433⨯
=0.0629m 取h=70mm，以满足形状及强度要求。
式中：
P y ——试验压力，Mpa. 工作压力P ≤16Mpa 时，P y = 1.5P ；
P ≥16Mpa 时，P y = 1.25P ；
D ——液压缸的内径，m ；
d —— 油口直径（见图7-2），m ；
[σ]——材料的许用应力，Mpa
σ520[σ]=b ==104MPa 5n
σb —缸体材料的抗拉强度，Mpa ，
35号钢为σb ≥520Mpa ； 7-3液压缸缸底示意图
n —材料的安全系数，取n ＝5。
2.3.9其他零件的设计与计算
1. 油口的设计与计算
（1）液压缸油口的连接形式
采用焊接连接，直接焊接在缸筒上。
（2）液压缸油口直径的计算（图7-2）
根据需要缸底，二级缸前端和二级活塞杆各有一油口 油口的计算根据活塞的最高运动速度和油口的最高液流速度计算如下：
①缸底油口 (A口)
d 0=0.13φ ②二级缸前端（B 口）
=0.13⨯=0.033m d 0=0.13φ0.13⨯=0.024m ③二级活塞杆前端（C 口）
d 0=0.13φ=0.13⨯0.015m 式中： d 0——油口直径，mm ；
D ——缸筒的内径，m ；
v——液压缸的最大输出速度，v =4m/min；
v 0——油口液流速度，m/s；通常取油口液流速度为2.5～
5m/s。
表8-1液压缸油口尺寸系列（ISO-8137）
根据计算，据表8-1（《机械设计手册》表20－6－25）得
2. 挡圈的设计选择
根据设计要求，查表选弹性挡
圈A 型（GB/T 894.1-1986），材料：
62Mn ，热处理44～51HRC ，表面氧
化处理。如图8-1所示。一级缸端
盖用挡圈：孔用切口式密封挡圈。孔径250。 图8-1挡圈示意图
0.1750.092.5±0.2 D=260-
-0.195 d= 2340 T= ① 二级缸端盖用挡圈：孔用切口式密封挡圈。孔径=170
0.06+
0.08 D= 175- T= 2.5±0.15 -0.165 d= 1560
② 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径200
0.1750.09 D=210- d= T=2.5±0.15 190-0.1950
③ 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径200
0.1750.09 D=210- T=2.5±0.15 -0.195 d=1900
④二级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径=120
0.060-0.042±0.15 D=130-
-0.165 d= 110-0.15 T=
3. 轴套的设计与计算
轴套的尺寸由挡圈和卡环决定，一般取其截面的长、宽分别为卡环、挡圈的长、宽的二倍（活塞固定用）；端盖用轴套的尺寸由卡环决定。定位轴套由行程决定。具体见零件图
2.3.10液压缸的密封、防尘、导向的选择
1、端盖和活塞杆的密封、防尘
活塞杆在端盖中作往复运动，其密封属于动密封，且液压缸工作压力大于16Mpa ，
挡圈用J 形防尘圈的密封
方式，如图9-1，9-2
采用Yx 形密封圈、特点：
密封性能可靠，摩擦阻力小，
运动平稳，耐压性好，适用压
力范围广，结构简单，成本低，
安装方便。如图9-3。
图9-2 J型防尘圈
图9-3 Yx密封圈
①轴用（一级活塞）Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx
形密封圈d190（d =190㎜、H =18㎜、H 1 =16㎜）材料：聚氨酯—3
②轴用（二级活塞）： Yx密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d125（d =125㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜）
材料：聚氨酯—3。
③孔用（一级缸）Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d200（d =200㎜、H =18㎜、H 1 =16㎜）材料：
+0.0700.075聚氨酯—3；挡圈规格：、d =1900=2±0.15 mm ，D =200-
-0.195 mm、T
㎜，材料：聚四氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈200，d 1 =201.5±1.2㎜、
d 2 =195.5±1.2㎜、D 1 =234.5±1.2mm 、H =15mm
（允许公差-0.7㎜）、h=7.5mm（允许公差-0.5㎜）, 材料：聚氨酯橡胶。
④孔用（二级缸）：Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d120（d =120㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜）材料：
+0.0700.060聚氨酯—3；挡圈规格：、d =1100=2±0.15 mm ，D =120-
-0.165 mm、T
㎜，材料：聚四氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈120，d 1 =121.5±0.8㎜、
d 2 =115.5±0.8㎜、D 1 =154.5±0.8mm 、H =15mm（允许公差-0.7㎜）、h=7.5mm
（允许公差-0.5㎜）, 材料：聚氨酯橡胶。
2. 端盖和缸筒的密封
端盖和缸筒连接在一起，其密封属于静密封，如图9-4所示，这里采用O 型密封圈加挡圈的密封方式，挡圈的作用是防止密封圈被挤压损坏。
查手册（根据GB3452.1—92）取O 形
密封圈尺寸为：D =125mm ，
d 2=7±0.15mm ，b =9.3mm ；D =85mm ，
d 2=5.3±0.13mm ，b =6.9mm ；由于增加
了挡圈，其密封槽分别为b =12.3mm 、
b =9mm ，密封圈材料为：耐油通用橡胶
I-4。
查手册（根据ZB/ZQ4265—88）： 图9-4端盖和缸体的
取挡圈的规格为 密封 1 挡圈、2 O型密封圈、3 卡环 d =85mm；T ＝1.35～4.35mm ，材料为：聚四氟乙烯。
3. 活塞和活塞杆的密封
活塞和活塞杆连接在一起左往复运动，属于静密封，可采用O 形密封圈结合挡圈的密封方式（如图9-7）
图9-5O 型圈尺寸图 图 9-6 挡圈的尺寸图
4. 活塞和缸筒的密封
活塞在缸筒中作往复运动，其密封属动密封，可选择Yx 形密封圈
查手册（根据JB/ZQ4264—86）得Yx 形密封圈的型号为：Yx 形密封圈D 125（D =125㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜，沟槽长度为16mm ，深度为10mm ，
材料为：聚氨酯-4。
2.3.11液压缸弯曲稳定性验算
液压缸运动过程中会产生偏心，有绕度。当液压缸支撑长度L b ≥(10-15)d时需验算活塞杆弯曲稳定性，如图10-1
图10-1液压缸弯曲示意图
L b ÷d =2510÷80=31.375 所以本设计需验算弯曲稳定性。按工作方式推力与支撑的反作用力不完全处在轴线上，受偏心力。
此为二级液压缸，近似简化为一级缸验算，受力过程如
图10-2所示。两端铰接，可用公式
F k =π2EI /l 2=π2⨯200⨯109⨯6.154⨯10-6/2.512=
1.926⨯106
F K ÷n =1. 926÷5=3. 8⨯105
3.8⨯105 8⨯105，稳定性合格。 图10-2 液压缸受力示意图
第三章 工艺要求
1、缸筒
缸筒材料的运用应满足如下机械性能：
a、抗拉强度 б≥1000MPa
b 、屈服点 б≥800MPa
c 、伸长率 δ≥12%
d 、冲击值ακ≥4.9×105J/m2
缸筒调质热处理硬度：HB240～280
缸筒内孔密封配合面的尺寸精度不得低于H9
缸筒内孔密封配合面粗糙度为
双伸缩立柱小缸筒外径尺寸精度不得低于f9 双伸缩立柱小缸筒的外径表面粗糙度为
2、活塞杆
活塞杆材料选用应满足如下机械性能：
a 、抗拉强度 б≥700MPa
b 、屈服点 б≥500MPa
c 、伸长率 δ≥14%
d 、冲击值ακ≥3.9×105J/m2
活塞杆调质热处理硬度：HB240～280
活塞杆密封配合面的尺寸精度不得低于f9
活塞杆密封配合面的表面粗糙度为
3、底阀
阀芯、阀体应采用不锈钢制造
密封配合表面粗糙度为
立柱底阀开启压力不得低于7MPa
31
该支架的特点是：一是调
高范围大，二是通过优化设计改善了支架
参考文献
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（第七版）．北京：高等教育出版社，2001.6
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[14] 虞莲莲，曾正明，实用钢铁材料手册，机械工业出版社 2006.6
32
致 谢
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行
社会实践能力的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决
问题的能力，为以后的工作打下良好的基础。
本次设计能够顺利完成，首先我要感谢中国北京矿业大学，为我们提
供了一个再次学习的机会，还要感谢我的母校——山西煤炭职业技术学院，
是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感
谢辛勤培育我们的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会
我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给予我帮助和辅导的老师，
使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；最后还要感谢相关资料的编著
者和给予我帮助的单位同事师傅们，感谢你们为我耐心的解答，使本次设
计圆满完成。
33
摘 要
1、立柱是液压支架支撑和承载的主要部件，也是液压缸的一种。2、结合煤矿地下的使用工况，液压支架的工作特点，以及其他伸缩立柱装置的优缺点的同时，认为双伸缩式立柱具有工作较平稳、工作压力大、性能可靠等优点。3、根据要求，对双伸缩式立柱进行结构设计。其中包括立柱工况分析及参数确定、主要零件结构设计与计算。在此基础上利用软件CAD 对其进行零件绘制、装配。
关键词：液压支架；双伸缩式立柱；结构设计；装配
ABSTRACT
1、hydraulic powered support column is the main support and bearing
components, is also a hydraulic cylinder. 2、 with the use of coal underground working conditions, hydraulic support the work of features, columns and other telescopic devices at the same time the advantages and disadvantages of that double-telescopic column with a stable work, work pressure and reliable performance advantages.3、 on request, the double-telescopic column for structural design. Including the status of the column and parameters, the main parts of the design and calculation. On the basis of its using the software of CAD drawing, assembly parts.
Keywords: Hydraulic powered support; double telescopic column; structural design, assembly
目 录
第一章绪论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„1
1.1液压支架简述„„„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„2
1.2液压支架立柱特点„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„„3
1.3双伸缩式立柱结构及工作原理„„„„„„ „„ „„„„„„„„4
1.4双伸缩式立柱运行及负载特点„„„„„„ „„„„„„„„„„5
第二章双伸缩立柱结构设计计算„„„„„„„ „„„„„„„„„ 6
2.1，原始数据„„„„„„„„„„„„„ „„„„„„„„„„„7
2.2，设计要求„„„„„„„„ „„„„„ „„„„„„„„„„„8
2.3工况分析并确定液压缸参数„„„„„„„„„„„„„„„„„9
2.3.1支架的承载过程„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10
2.3.2. 立柱负载分析及确定„„„„„„„„„„„„„„„„„„11
2.3.3. 初步确定液压缸参数„„„„„„„„„„„„„„„„„„12
2.3.4，结构设计及强度验算„„„„„„„„„„„„„„„„13
2.3.5活塞杆的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„14
2.3.6活塞的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„15
2.3.7导向套的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16
2.3.8 端盖和缸底的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„17
2.3.9其他零件的设计与计算„„„„„„„„„„„„„„„„„„18
2.3.10液压缸的密封、防尘、导向的选择„„„„„„„„„„„„„19
2.3.11液压缸弯曲稳定性验算„„„„„„„„„„„„„„„„„20
第三章 装配„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„21
参考文献
致谢
第1章 绪 论
1.1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。
本立柱用于ZY500/17/35液压支架，
1.2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
1.3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。
1.4. 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=4000KN
2.2 设计要求：
内容：设计说明书，装配图，主要零件图2张。建模，整体装配及运动仿真。
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：
p c =π
4D 2p b n ⨯103
式中 D—支架立柱的缸径，m
Pb—泵站的工作压力，MPa
n---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
p =π
4p a n ⨯103
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
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iuaid 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：
（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
π 由： p c =D 2p b n ⨯103 4
式中 D —— 支架立柱的缸径，m
Pb ——泵站的工作压力，MPa
N —— 支架立柱的数量。
Pc —— 撑力
得： D 2=4Pbn ⨯103=4×2400／(3.14×31.5×4×1000)
D=155.7mm
根据表2.1缸筒内径系列（GB ／T2348-93），选二级缸内径
D 2 =160mm
壁厚的计算：
δ≥P max D /{2.3[σp ]-3P max }
式中 δ—— 壁厚
P max ——最高允许压力。P max ≤1.5P n （P n 工作压力）
P max ≤1.5P n =1.5×31.5=47.25 MPa
[σp ]——许用应力。[σp ]=σp ／n （n 安全系数）
N —— 通常取1.5-2.5，根据液压缸的重要程度和工作压力
等因素选取，工作压力大n 可选取小一些。则取n=2，σp 缸筒材料的
屈服强度，此取45号钢，σp =700 MPa
[σp ]=σp ／n=700/2=350 MPa
δ≥P （2.3×350-3×47.25） [σp ]-3P max D /{2.3max }=47.25×160/
=11.377mm
取20mm
则二级缸外径为160+2×20=200mm
验算：根据液压缸基本计算公式 D =4F 224⨯480 =+d +0. 122 =0.15756m 66πP ⨯103. 14⨯31. 5⨯10
式中 F理论推力 F=F 0⨯ηη0 η（效率）=0.5-0.7，取0.6。
η0负载率取0.8 。
F 0活塞杆上实际受力，按最大受力记，取1000KN
F=1000⨯0.6⨯0.8=480KN
P工作压力=31.5MPa
d 活塞杆直径
符合要求。
（2）一级缸内径和壁厚
留20mm 作为二级缸与一级缸内壁距离，则一级缸内径
D1=200+20×2=240mm
壁厚
δ≥P [σp ]-3P max D /{2.3max }
=47.25×220/（2.3×350-3×47.25）
=15.62mm
圆整 取20mm
依据表2.3，一级缸外径为240+2×20=280mm
（3）初步确定活塞杆尺寸
一级活塞即二级缸外壁，不用再确定，二级缸内壁为160mm ，因此
根据表2.2得二级活塞杆外径为120mm, 空心杆，内径为80mm
2.3.4 结构设计及强度验算
一、缸筒的设计与计算
缸筒是液压缸的主要零件，它与端盖、
缸底、油口等零件构成密封的容腔，用以容
纳压力油，同时它是活塞的运动“轨道”。
1. 缸筒的技术参数选择（如图3.1 ）
（1）缸体的材料：采用45钢，并应调
质到241～285HB ；
图3.1 缸筒的技术参数
（2）技术要求：
①缸体采用H9配合。表面粗糙并Ra 为0.1～0.4μm ，当活塞用活塞环
密封时，Ra 为0.2～0.4μm ；②缸体内径D 的圆度、圆锥度、圆柱度公差
不大于内径公差之半选取；
②缸体端面T 的垂直度公差值可按7级精度选取；
③为了防止腐蚀和提高寿命，缸体内应镀以厚度为30～40μm 的
铬层，镀后进行珩磨或抛光
（3）安全系数：查表取安全系数：n ＝3，查表得45号钢的材料的抗
σ530=176.67Mpa 拉强度σb ≥530Mpa ，则：材料的许用应力：[σ]=b =n 3
2. 一级缸筒的尺寸参数选择
（1）缸筒内径的确定
由前面计算得到：一级缸筒内径D 1＝240㎜
缸筒壁厚为20mm ≥15.62mm 。满足。由于缸筒壁厚由强度公式计算而
来，所以缸体壁厚无需校核。
二、一级缸体的结构设计与连接强度计算
缸筒的两端分别和缸盖和缸底相连，构成密闭的压力腔，因而它的机
构形式和缸盖及缸底密切相关。缸筒是液压缸的主体，其余零件装配其上，它的结构形式对加工和装配有很大影响，因此其结构应尽量便于装配、拆
卸和维修。
（1）结构形式
此液压缸用于液压支架装置中，主要为矿上所用，且缸内径D ≥200
㎜，额定压力P N ≥25Mpa ，所以采用缸筒和缸底及端盖的连接方式为：缸
筒和缸底采用焊接连接，缸筒和端盖采用内卡环连接。这样，液压缸的零
件较少的暴露在外面，外形尺寸相对较小，能满足环境恶劣时的使用要求。
（2）连接强度计算
①焊接强度的计算（如图3.2） P 800 σ===13.48Mpa
2D 12-D 2η282-262)⨯0.7(44()
式中：P ——液压缸的最大压力（N ）；
D1 ——缸筒的外径（m ）；
D2 ——焊缝底径（m ）；
η ——焊接效率，一般取η=0.7。
显然，σ≤σb /n ，满足条件； σb —缸体材料的抗拉强度，n —材料
的安全系数。
②卡环连接强度计算（如图3.3）
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯240⨯10-3
τ===4.8Mpa
-34L 4⨯10⨯10
图3.2缸底焊接及尺寸图
1. 缸壁；2. 缸底 图3.3 端盖内卡环连接示意图 卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==9.004Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯240-102800⨯103⨯(240⨯10-3)2
可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯240⨯10-3(280⨯10)-(240+10)-322⨯10-6=11.97Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
满足强度要求。
三、二级缸体的结构设计与连接强度计算
与上面一级缸体的结构设计与连接强度计算一样，只不过缸体上的活
塞也用卡环固定，需再加一步计算。
①前端盖卡环连接强度计算（如图3.3）
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯160⨯10-3
τ===3.2Mpa -34L 4⨯10⨯10
卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==6.61Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯160-102800⨯103⨯(160⨯10-3)2
由上可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯160⨯10-3(200⨯10)-(160+10)-322⨯10-6=7.52Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
由上可知，满足强度要求。
②活塞固定卡环连接强度计算
如图3.4所示
图3.4活塞固定卡环连接计算图
1—活塞，2—卡坏，3—轴套，4—二级缸体，
5—挡圈
卡环A-A 截面上的剪应力为：
PD 800⨯103⨯160⨯10-3
τ===3.2Mpa -34L 4⨯10⨯10
卡环a —b 侧面的挤压应力为：
σ=PD ==6.61Mpa h 2D -h 10⨯10-62⨯160-102800⨯103⨯(160⨯10-3)2
由上可知，满足强度要求。
缸筒危险截面（A —A ）的拉应力为：
σ=PD 2
D -(D +h )212=800⨯103⨯160⨯10-3(200⨯10)-(160+10)-322⨯10-6=7.52Mpa
式中：P ——液压缸的最大出力N ；
D1 ——缸筒外径m ；
D ——缸筒内径m ；
h ——卡环厚度m ，取h ＝δ(缸壁厚度) ；
L ——卡环宽度m ，取h ＝L 。
满足强度要求。
2.3.5活塞杆的设计与计算
1、一级活塞杆即二级缸体，已设计完毕，
2、二级活塞杆尺寸的确定
（1）由前文计算可知，可以确定活塞杆直径为d=140㎜。
（2）活塞杆具体长度的确定（结合装配图）
3、活塞杆形式和材料及技术要求
取活塞杆的形式为：空心活塞杆，材料为45钢。
活塞杆得技术要求：
（1）活塞杆的热处理：粗加工后调质到硬度229～285HB ；淬火
处理，淬火深度0.5～1㎜
（2）活塞杆d 和d 1的圆度公差值，按9或10级精度选取；
（3）活塞杆d 的圆柱度公差值，按8级精度选取；
（4）活塞杆d 对d 1的径向跳动公差值，为0.01mm ；
（5）端面T 的垂直度公差值，按7级精度选取；
（6）活塞杆上下工作表面的粗糙度为R a 0.63μm ，表面镀铬，镀层厚
度约为0.05mm, 镀后抛光以提高耐磨性和防锈性。
4、活塞杆强度校荷
见整体强度校荷一节中的活塞杆强度校荷
5、活塞杆的结构设计
（1）活塞杆和活塞的连接
液压系统为中压系统，本着满足方便安装、连接强度高等要求，选择卡环式连接，前面已做计算。
（2）二级活塞杆端部和负载的移动机
构相连接，考虑到液压缸工作时轴线固定不
动，可采用焊接连接一耳环，作圆周运动，
如图4.1
图4.1光杆耳环示意图
活塞杆外径120mm ，取内径80mm ， 螺孔头具体尺寸如表4.1
表4.1螺孔头尺寸
2.3.6活塞的设计与计算
1、活塞的结构形式根据液压缸使用的情况（密封、有无导向环等）， 选用有导向环形活塞，具体结构形式如图4-9所示。
2、活塞的材料及技术要求
查表可选“有导向环活塞”的材料为45号钢，外加导向环。
技术要求（如图
4-10
）：
（1）活塞外径D 对内径D 1的径向跳动公差值，按7、8级精度选取。
（2）端面T 对内孔D 1轴线的垂直度公差值，应按7、8级精度选取。
（3）外径D 的圆柱度公差值，按8、9、或10级精度选取。
3、一级活塞的尺寸的确定
根据以往经验，可取活塞的宽度一般为活塞外径的0.6～1.0倍，这里取活塞宽度为活塞外径的0.8倍，即。h =0.8D =0.7⨯240=168cm
图5-1 活塞的密封和导向 图5-2活塞技术参数
1.Yx 型密封圈；2. 导向环；3. 活塞；4. 缸壁
4、二级活塞的尺寸的确定
密封和导向和活塞技术参数与一级相同，宽度
h 2=0.8D =0.7⨯160=112cm
2.3.7导向套的设计与计算
（一），一级缸
导向套在活塞往复运动中启导向支承作用，导向套的性能的好坏对液
压缸的性能有很大的影响。
1. 最小导向长度及中隔圈长度的确定
当活塞杆全部伸出时，从活塞支承面中点到导向套滑动面中点的距离
称为最小导向长度H ，如图6-1所示
图6-1导向长度示意图
一般情况， 最小导向长度应满足下面要求：
L D 10.22H ≥+ (m)，即 H ≥+=0.16 m 202202
式中：L ——最大工作行程（m ）；
D ——缸筒内径（m ）；
因为缸径大于80㎜，所以算导向套滑动面的长度A 为：
A =(0.6~ 1.0)d =0.8d =0.8⨯1.6=1.28 m
导向套的长度为：b =(2/3) d =(2/3) ⨯160=106.7mm，这里取b =110mm，
以满足要求。
由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套
会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：
d 0.2L G ≥D + m 即：L G ≥0.22+=0.33 m 22
一般情况，当行程长度超过缸筒内径的8倍时，可装一个长度为100mm
的中隔圈；超过部分每增加700mm ，中隔圈的长度即增加100mm 。
由于此液压缸的行程要求1000mm ，缸筒内径为220mm ，由于
1000÷240≈4.17倍。所以不用加装中隔圈。
根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相
对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环的方式导向，这里取端盖的h=140mm，导向支撑长度为l =40mm 具体布置见工程图。
（二）二级缸
一般情况， 最小导向长度应满足下面要求：
L D 0.70.16H ≥+ (m)，即 H ≥+=0.115 m 202202
式中：L ——最大工作行程（m ）；
D ——缸筒内径（m ）；
因为缸径大于80㎜，所以算导向套滑动面的长度A 为：
A =(0.6~ 1.0)d =0.8d =0.8⨯1.4=1.12m
导向套的长度为：b =(2/3) d =(2/3) ⨯140=93.8mm，这里取b =100mm，
以满足要求。
由于液压缸的行程长度较大，一个导向套不能满足要求，增加导向套
会增加系统摩擦，降低效率，故可在导向套和活塞之间装一中隔圈，使活塞杆在全部外伸时仍有足够的支承长度，通常支承长度应满足：
L G ≥D +d 0.14 m 即：L G ≥0.16+=0.23 m 22
一般情况，当行程长度超过缸筒内径的8倍时，可装一个长度为100mm
的中隔圈；超过部分每增加700mm ，中隔圈的长度即增加100mm 。
由于此液压缸的行程要求1000mm ，缸筒内径为220mm ，1000/160=6.25
接近8倍，但是二级缸不完全伸出，不用加装中隔圈即可满足强度要求。
根据以上计算，同时考虑尽量减少设计零件，又因为液压缸工作时相
对滑动少，磨损也少，所以取端盖结合导向支撑环的方式导向，这里取端盖的长度h=123mm，导向支撑长度为l =30mm ，具体布置见工程图。
2.3.8 端盖和缸底的设计与计算
1、端盖的设计
有活塞杆通过的缸盖叫端盖，无活塞杆通过缸盖的叫缸头或缸底。缸
盖的设计主要考虑活塞杆的导向、密封、防尘等问题。
图7-1 端盖示意图 图7-2 油口示意图
2、端盖的材料和技术要求（如图7-1）
缸盖材料采用45号锻钢。
技术要求：
（1）直径D 、D2、D3的圆柱度公差应按9、10、11级精度选取；
（2）D2、D3与d 同轴度公差值为0.03mm ；
（3）端面A 、B 与直径d 轴心线的垂直度公差值按7级精度选取；
（4）导向孔的表面粗糙度Ra ＝1.25μm
3、液压缸缸底的材料：采用35号钢。
4、液压缸缸底尺寸的确定（如图7-3）
选择缸底形状为球面有油口型，材料为35钢，计算如下：
h =0.433=0.433⨯
=0.0629m 取h=70mm，以满足形状及强度要求。
式中：
P y ——试验压力，Mpa. 工作压力P ≤16Mpa 时，P y = 1.5P ；
P ≥16Mpa 时，P y = 1.25P ；
D ——液压缸的内径，m ；
d —— 油口直径（见图7-2），m ；
[σ]——材料的许用应力，Mpa
σ520[σ]=b ==104MPa 5n
σb —缸体材料的抗拉强度，Mpa ，
35号钢为σb ≥520Mpa ； 7-3液压缸缸底示意图
n —材料的安全系数，取n ＝5。
2.3.9其他零件的设计与计算
1. 油口的设计与计算
（1）液压缸油口的连接形式
采用焊接连接，直接焊接在缸筒上。
（2）液压缸油口直径的计算（图7-2）
根据需要缸底，二级缸前端和二级活塞杆各有一油口 油口的计算根据活塞的最高运动速度和油口的最高液流速度计算如下：
①缸底油口 (A口)
d 0=0.13φ ②二级缸前端（B 口）
=0.13⨯=0.033m d 0=0.13φ0.13⨯=0.024m ③二级活塞杆前端（C 口）
d 0=0.13φ=0.13⨯0.015m 式中： d 0——油口直径，mm ；
D ——缸筒的内径，m ；
v——液压缸的最大输出速度，v =4m/min；
v 0——油口液流速度，m/s；通常取油口液流速度为2.5～
5m/s。
表8-1液压缸油口尺寸系列（ISO-8137）
根据计算，据表8-1（《机械设计手册》表20－6－25）得
2. 挡圈的设计选择
根据设计要求，查表选弹性挡
圈A 型（GB/T 894.1-1986），材料：
62Mn ，热处理44～51HRC ，表面氧
化处理。如图8-1所示。一级缸端
盖用挡圈：孔用切口式密封挡圈。孔径250。 图8-1挡圈示意图
0.1750.092.5±0.2 D=260-
-0.195 d= 2340 T= ① 二级缸端盖用挡圈：孔用切口式密封挡圈。孔径=170
0.06+
0.08 D= 175- T= 2.5±0.15 -0.165 d= 1560
② 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径200
0.1750.09 D=210- d= T=2.5±0.15 190-0.1950
③ 一级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径200
0.1750.09 D=210- T=2.5±0.15 -0.195 d=1900
④二级活塞用挡圈：轴用切口式密封挡圈。轴径=120
0.060-0.042±0.15 D=130-
-0.165 d= 110-0.15 T=
3. 轴套的设计与计算
轴套的尺寸由挡圈和卡环决定，一般取其截面的长、宽分别为卡环、挡圈的长、宽的二倍（活塞固定用）；端盖用轴套的尺寸由卡环决定。定位轴套由行程决定。具体见零件图
2.3.10液压缸的密封、防尘、导向的选择
1、端盖和活塞杆的密封、防尘
活塞杆在端盖中作往复运动，其密封属于动密封，且液压缸工作压力大于16Mpa ，
挡圈用J 形防尘圈的密封
方式，如图9-1，9-2
采用Yx 形密封圈、特点：
密封性能可靠，摩擦阻力小，
运动平稳，耐压性好，适用压
力范围广，结构简单，成本低，
安装方便。如图9-3。
图9-2 J型防尘圈
图9-3 Yx密封圈
①轴用（一级活塞）Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx
形密封圈d190（d =190㎜、H =18㎜、H 1 =16㎜）材料：聚氨酯—3
②轴用（二级活塞）： Yx密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d125（d =125㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜）
材料：聚氨酯—3。
③孔用（一级缸）Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d200（d =200㎜、H =18㎜、H 1 =16㎜）材料：
+0.0700.075聚氨酯—3；挡圈规格：、d =1900=2±0.15 mm ，D =200-
-0.195 mm、T
㎜，材料：聚四氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈200，d 1 =201.5±1.2㎜、
d 2 =195.5±1.2㎜、D 1 =234.5±1.2mm 、H =15mm
（允许公差-0.7㎜）、h=7.5mm（允许公差-0.5㎜）, 材料：聚氨酯橡胶。
④孔用（二级缸）：Yx 密封圈：查手册（根据JB/ZQ4265—86）选择，密封圈代号：Yx 形密封圈d120（d =120㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜）材料：
+0.0700.060聚氨酯—3；挡圈规格：、d =1100=2±0.15 mm ，D =120-
-0.165 mm、T
㎜，材料：聚四氟乙烯；防尘圈代号：J 形防尘圈120，d 1 =121.5±0.8㎜、
d 2 =115.5±0.8㎜、D 1 =154.5±0.8mm 、H =15mm（允许公差-0.7㎜）、h=7.5mm
（允许公差-0.5㎜）, 材料：聚氨酯橡胶。
2. 端盖和缸筒的密封
端盖和缸筒连接在一起，其密封属于静密封，如图9-4所示，这里采用O 型密封圈加挡圈的密封方式，挡圈的作用是防止密封圈被挤压损坏。
查手册（根据GB3452.1—92）取O 形
密封圈尺寸为：D =125mm ，
d 2=7±0.15mm ，b =9.3mm ；D =85mm ，
d 2=5.3±0.13mm ，b =6.9mm ；由于增加
了挡圈，其密封槽分别为b =12.3mm 、
b =9mm ，密封圈材料为：耐油通用橡胶
I-4。
查手册（根据ZB/ZQ4265—88）： 图9-4端盖和缸体的
取挡圈的规格为 密封 1 挡圈、2 O型密封圈、3 卡环 d =85mm；T ＝1.35～4.35mm ，材料为：聚四氟乙烯。
3. 活塞和活塞杆的密封
活塞和活塞杆连接在一起左往复运动，属于静密封，可采用O 形密封圈结合挡圈的密封方式（如图9-7）
图9-5O 型圈尺寸图 图 9-6 挡圈的尺寸图
4. 活塞和缸筒的密封
活塞在缸筒中作往复运动，其密封属动密封，可选择Yx 形密封圈
查手册（根据JB/ZQ4264—86）得Yx 形密封圈的型号为：Yx 形密封圈D 125（D =125㎜、H =14㎜、H 1 =12.5㎜，沟槽长度为16mm ，深度为10mm ，
材料为：聚氨酯-4。
2.3.11液压缸弯曲稳定性验算
液压缸运动过程中会产生偏心，有绕度。当液压缸支撑长度L b ≥(10-15)d时需验算活塞杆弯曲稳定性，如图10-1
图10-1液压缸弯曲示意图
L b ÷d =2510÷80=31.375 所以本设计需验算弯曲稳定性。按工作方式推力与支撑的反作用力不完全处在轴线上，受偏心力。
此为二级液压缸，近似简化为一级缸验算，受力过程如
图10-2所示。两端铰接，可用公式
F k =π2EI /l 2=π2⨯200⨯109⨯6.154⨯10-6/2.512=
1.926⨯106
F K ÷n =1. 926÷5=3. 8⨯105
3.8⨯105 8⨯105，稳定性合格。 图10-2 液压缸受力示意图
第三章 工艺要求
1、缸筒
缸筒材料的运用应满足如下机械性能：
a、抗拉强度 б≥1000MPa
b 、屈服点 б≥800MPa
c 、伸长率 δ≥12%
d 、冲击值ακ≥4.9×105J/m2
缸筒调质热处理硬度：HB240～280
缸筒内孔密封配合面的尺寸精度不得低于H9
缸筒内孔密封配合面粗糙度为
双伸缩立柱小缸筒外径尺寸精度不得低于f9 双伸缩立柱小缸筒的外径表面粗糙度为
2、活塞杆
活塞杆材料选用应满足如下机械性能：
a 、抗拉强度 б≥700MPa
b 、屈服点 б≥500MPa
c 、伸长率 δ≥14%
d 、冲击值ακ≥3.9×105J/m2
活塞杆调质热处理硬度：HB240～280
活塞杆密封配合面的尺寸精度不得低于f9
活塞杆密封配合面的表面粗糙度为
3、底阀
阀芯、阀体应采用不锈钢制造
密封配合表面粗糙度为
立柱底阀开启压力不得低于7MPa
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该支架的特点是：一是调
高范围大，二是通过优化设计改善了支架
参考文献
[1] 西北工业大学机械原理及机械零件教研室组编．濮良贵，纪名刚等．机械设计
（第七版）．北京：高等教育出版社，2001.6
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[14] 虞莲莲，曾正明，实用钢铁材料手册，机械工业出版社 2006.6
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致 谢
毕业设计是对我们知识运用能力的一次全面的考核，也是对我们进行
社会实践能力的训练，培养我们综合运用所学知识独立地分析问题和解决
问题的能力，为以后的工作打下良好的基础。
本次设计能够顺利完成，首先我要感谢中国北京矿业大学，为我们提
供了一个再次学习的机会，还要感谢我的母校——山西煤炭职业技术学院，
是她为我们提供了学习知识的土壤，使我们在这里茁壮成长；其次我要感
谢辛勤培育我们的老师们，他们不仅教会我们专业方面的知识，而且教会
我们做人做事的道理；尤其要感谢在本次设计中给予我帮助和辅导的老师，
使我能够充满热情的投入到毕业设计中去；最后还要感谢相关资料的编著
者和给予我帮助的单位同事师傅们，感谢你们为我耐心的解答，使本次设
计圆满完成。
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