机械毕业设计1178000kN立柱试验台结构设计b

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SolidWorks 2007进行设计，对框架进行三维建模，用SolidWorks 2007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(Joseph Braman,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,才开始进入正规的工业生产阶段。

1925 年维克斯(F.Vikers)发明了压力平衡式叶片泵,为近代液压元件工业或液压传动的逐步建立奠定了基础。

20 世纪初康斯坦丁·尼斯克(G·Constantimsco)对能量波动传递所进行的理论及实际研究;1910年对液力传动(液力联轴节、液力变矩器等)方面的贡献，使这两方面领域得到了发展。

第二次世界大战(1941～1945)期间,在美国机床中有30%应用了液压传动。

应该指出,日本液压传动的发展较欧美等国家晚了近20 多年。

在1955 年前后, 日本迅速发展液压传动,1956 年成立了“液压工业会”。

近20～30 年间，日本液压传动发展之快，届世界领先地位。

液压传动有许多突出的优点，因此它的应用非常广泛，如一般工业用的塑料加工机械、压力机械、机床等；行走机械中的工程机械、建筑机械、农业机械、汽车等；钢铁工业用的冶金机械、提升装置、轧辊调整装置等；土木水利工程用的防洪闸门及堤坝装置、河床升降装置、桥梁操纵机构等；发电厂涡轮机调速装置、核发电厂等国；船舶用的甲板起重机械（绞车）、船头门、舱壁阀、船尾推进器等；特殊技术用的巨型天线控制装置、测量浮标、升降旋转舞台等；军事工业用的火炮操纵装置、船舶减摇装置、飞行器仿真、飞机起落架的收放装置和方向舵控制装置等。

液压传动的基本原理是在密闭的容器内，利用有压力的油液作为工作介质来实现能量转换和传递动力的。

其中的液体称为工作介质，一般为矿物油，它的作用和机械传动中的皮带、链条和齿轮等传动元件相类似。

一个完整的液压系统是由各种不同功能的基本回路构成，去完成执行机构的工作要求。

液压系统主要由：动力元件（油泵）、执行元件（油缸或液压马达）、控制元件（各种阀）、辅助元件和工作介质等五部分组成：(1)动力元件（油泵）它的作用是把液体利用原动机的机械能转换成液压力能；是液压传动中的动力部分。

(2)执行元件（油缸、液压马达）它是将液体的液压能转换成机械能。

其中，油缸做直线运动，马达做旋转运动。

(3)控制元件包括压力阀、流量阀和方向阀等。

它们的作用是根据需要无级调节液动机的速度，并对液压系统中工作液体的压力、流量和流向进行调节控制。

(4)辅助元件除上述三部分以外的其它元件，包括压力表、滤油器、蓄能装置、冷却器、管件及油箱等，它们同样十分重要。

(5)工作介质工作介质是指各类液压传动中的液压油或乳化液，它经过油泵和液动机实现能量转换。

2.1.2 液压传动的优点液压传动之所以能得到广泛的应用，是由于它具有以下的主要优点：（1）由于液压传动是油管连接，所以借助油管的连接可以方便灵活地布置传动机构，这是比机械传动优越的地方。

例如，在井下抽取石油的泵可采用液压传动来驱动，以克服长驱动轴效率低的缺点。

由于液压缸的推力很大，又加之极易布置，在挖掘机等重型工程机械上，已基本取代了老式的机械传动，不仅操作方便，而且外形美观大方。

（2）液压传动装置的重量轻、结构紧凑、惯性小。

例如，相同功率液压马达的体积为电动机的12%～13%。

液压泵和液压马达单位功率的重量指标，目前是发电机和电动机的十分之一，液压泵和液压马达可小至0.0025N/W,发电机和电动机则约为0.03N/W。

（3）可在大范围内实现无级调速。

借助阀或变量泵、变量马达，可以实现无级调速，调速范围可达1∶2000，并可在液压装置运行的过程中进行调速。

（4）传递运动均匀平稳，负载变化时速度较稳定。

正因为此特点，金属切削机床中的磨床传动现在几乎都采用液压传动。

（5）液压装置易于实现过载保护——借助于设置溢流阀等，同时液压件能自行润滑，因此使用寿命长。

（6）液压传动容易实现自动化——借助于各种控制阀，特别是采用液压控制和电气控制结合使用时，能很容易地实现复杂的自动工作循环，而且可以实现遥控。

（7）液压元件已实现了标准化、系列化和通用化，便于设计、制造和推广使用。

2.1.3 液压技术的缺点（1）使用液压传动对维护的要求高，工作油要始终保持清洁；（2）对液压元件制造精度要求高，工艺复杂，成本较高；（3）液压元件维修较复杂，且需有较高的技术水平；（4）用油做工作介质，在工作面存在火灾隐患；（5）传动效率低。

2.2 液压加载系统工况分析及设计要求仔细理解欧洲标准中规定的立柱试验的过程，可得到加载液压缸的设计要求。

（1）加载系统加载力要求理论上可以计算出加载系统所需产生的最大推力，即该系统的最大加载力：kN 16886844322max =⨯=⨯=F F根据设计要求，该系统的最大加载力取F =17000 kN（2）加载系统拉力分析试验台工作情况该系统的平均力取F 拉=100 kN（3） 液压加载缸的运动速度加载缸在试验过程中的运动速度：最小加载速度： mm/min 2 1=v 让压加载速度： mm/min 10 2=v最大加载速度： mm/min 100 3=v空载运行速度： v 空mm/min 100 =缩回速度： mm/min 100 =v 缩（4）液压加载缸最大加载行程分析试验台的实际需要，加载缸所需的最大加载行程取1000 mm 。

2.3 液压加载系统方案设计2.3.1 选择液压动力源液压系统的工作介质完全由液压源来提供，液压源的核心是液压泵。

为节省能源提高效率，液压泵的供油量要尽量与系统所需流量相匹配。

对在工作循环各阶段中系统所需油量相差较大的情况，一般采用多泵供油或变量泵供油。

对长时间所需流量较小的情况，可增设蓄能器做辅助油源。

参考国内矿用设备及国内同类或相关设备和资料，经初步估算该液压系统的压力和流量的变化范围大，采取两台泵较合适。

拟选用一台恒压变量柱塞泵，一台定量柱塞泵。

节流调速系统一般用定量泵供油，在无其他辅助油源的情况下，液压泵的供油量要大于系统的需油量，多余的油经溢流阀流回油箱，溢流阀同时起到控制并稳定油源压力的作用。

容积调速系统多数是用变量泵供油，用安全阀限定系统的最高压力。

所以本系统拟采用操纵变量机构改变系统流量和采用单向节流调速阀结合的方式达到调节速度的目的。

系统背压力初估为1.5MPa 。

2.3.2 选择执行元件加载缸有正向加载和反向缩回两个方向的动作，因此选用双作用单活塞杆液压缸。

加载缸空载运行速度与缩回速度相等，确定无杆腔面积A 1 等于有杆腔面积 A 2的2倍，即A 1 = 2A 2 。

2.3.3 确定控制方式执行元件的控制方式有泵控制方式和阀控制方式，泵控制方式采用双向变量泵，通过控制泵的流量实现执行元件的速度控制，通过控制泵的出油方向实现执行器的方向控制。

这种方式中每个执行元件需要一个变量泵。

重视能源的经济的场合或者负载惯性大、起动停止冲击成问题时可以采用。

阀控制方式中，用方向控制阀实现执行器的方向控制，用流量控制阀实现执行器的速度控制。

这种方式应用最广泛，适用于一个液压源同时驱动多个执行器的场合或者输入信号很复杂而要求快速响应的场合。

本试验台采用换向阀的控制方式。

2.3.4 液压回路设计由于设计者的思路、经验或对所有元件的考虑方法不同，即使针对同样目的，设计出来的液压回路也是千差万别的。

因此拟定几种符合目的的液压回路，再从成本、重量、使用方便等方面进行对比论证，确定最合适的液压回路。

液压回路包括油压发生回路、执行器控制回路、油液处理回路、其他辅助回路等。