单体水液压支柱的结构设计及性能研究.pdf

中图分类号T D 3 5 5 ；T D 2 11 学科分类号．．璺鱼Q 2 Q 论文编号 密级公珏 安徽理工大学 硕士学位论文 单体水液压支柱的结构设计及性能研究 作者姓名高霞 专业名称担槭遮盐区理途 研究方向流佳接动墨撞剑 导师姓名王伎垫教授 导师单位塞徽堡王太堂 答辩委员会主席割塞捶 论文答辩日期2 0 1 3 年5 月3 1 日 安徽理工大学研究生处 2 0 1 3 年6 月5 日 AD i s s e r t a t i o ni nM e c h a n i c a lD e s i g na n dT h e o r y R e s e a r c ho np r o p e r t i e sa n dd e s i g no fw a t e r h y d r a u l i c s i n g l ep r o p C a n d i d a t e G a oX i a S u p e r v i s o r W a n g C h u a n l i M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n gS c h o o l A n H u iU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y N o ．16 8 ，S h u n g e n gR o a d ，H u a i n a n ，2 3 2 0 01 ，P ．R ．C H I N A 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方以外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 塞徵理王太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示谢意。 学位论文作者签名壶霆日期丝年么月上日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解塞徵堡王太堂有保留、使用学位论文 的规定，即研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属于 塞邀堡王太堂。学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权塞邀堡王太堂可 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用 影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论 文在解密后适用本授权书 学位论文作者鲐离章 导师鲐弓彳朔几 签字日期矽侈年歹月夕日 签字日期劢哆年占月r 日 摘要 捅要 随着人类环保意识的不断加深和可持续发展战略的实施，具备环保、高效、 节能等优点的水压技术逐渐成为人类关注的焦点。目前，我国煤矿使用的单体液 压支柱都是以乳化液为工作介质，对采空区及地下水造成了极大的污染。因此， 本文提出了用水代替乳化液，设计一种新型的单体水液压支柱，降低煤矿成本、 保护环境、节约能源，对煤矿生产有着重要的实际意义和巨大的经济效益。 本文主要完成了单体水液压支柱的结构设计及动态性能研究，首先，针对水 介质特殊的理化性质引起的关键技术问题，提出解决措施，在活柱体的外表面每 隔3 0 0 r a m 处加工一周条形状沟槽微造型结构，这种结构可以很大程度上减少摩 擦磨损、有效地改善润滑情况及提高抗震能力。建立单体水液压支柱活柱体的有 限元模型，并对其进行静力学分析，得出活柱体的最优壁厚值为8 m r n 。其次，采 用F l u e n t 软件对单体水液压支柱的升柱一初撑、承载一溢流及回柱三个工作过程 进行支柱内部流场仿真分析。结论显示，单体水液压支柱的流场稳定，且当支柱 正常工作时，支柱内腔不会产生气穴与涡流现象，避免了能量的损失与噪声的加 剧。最后，在建立单体水液压支柱及安全阀数学模型的基础上，运用 M A T L A B ／S i m u l i n k 对单体水液压支柱承载一溢流过程的动态特性进行了仿真研 究，得出影响单体水液压支柱系统动态特性的主要因素。结果显示阻尼系数越大， 超调量越小，系统的稳定性越好，但是系统的响应快速性降低；活柱体截面积越 大，支柱的移动速度越小。 图【5 9 】表[ 4 】参【6 8 】 关键词水介质；单体液压支柱有限元分析；流场分析；动态特性； 分类号T D 3 5 5T D 2 1l 安徽理工大学硕士学位论文 一Ⅱ． 摘要 A b s t r a c t W i t ht h e d e e p e n i n go fe n v i r o n m e n t a la w a r e n e s sa n dt h ei m p l e m e n t a t i o no f s u s t a i n a b l ed e v e l o p m e n ts t r a t e g y ，W a t e rh y d r a u l i ct e c h n o l o g yw h i c hi se n v i r o n m e n t a l ， e f f i c i e n t , e n e r g y s a v i n gi sb e c o m i n gt h ea t t e n t i v ef o c u s ．I ti ss i n g l eh y d r a u l i cp r o pt h a t p o l l u t e dg o ba n dg r o u n d w a t e rs e r i o u s l yi n C h i n a sc o a lt l l i n e sn o w ，w h i c hu s e d e m u l s i o na sw o r k i n gs u b s t a n c e ．S ot h i sp a p e rp r e s e n t e dan e wi d e at h a tu s e dw a t e r i n s t e a do fe m u l s i o n ．I ti ss i g n i f i c a n tt h a tr e s e a r c hs i n g l ew a t e rh y d r a u l i cp r o pt or e d u c e t h ec o a lm i n e sp r o d u c t i o nc o s ta n de c o n o m i cb e n e f i t s ，w h i c hp r o t e c t e dt h e e n v i r o n m e n ta n ds a v e de n e r g y ． I nt h i sp a p e r , r e s e a r c ho nd e s i g na n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fw a t e rs i n g l e h y d r a u l i cp r o pi sd o n e ．F i r s t ，s o l u t i o n st h a ts t r i pg r o o v ei sp r o d u c t e d i nt h eo u t f a c eo f m o v a b l ec o l u m ne a c h3 0 0 m ma l ep r o p o s e da i m e da tt h ek e yt e c h n i c a lp r o b l e m sd u et o w a t e rm e d i u ms p e c i a lp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e s ，w h i c t hC a l lg r e a t l yr e d u c et h e f r i c t i o na n dw e a r , e f f e c t i v e l yi m p r o v et h el u b r i c a t i o nc o n d i t i o n sa n di m p r o v et h e a n t i - s e i s m i ca b i l i t y ．I ti Sr e s u l t e dt h a tt h eo p t i m a lw a l lo fm o v a b l ec o l u m ni s8 m m ． S e c o n d , i tp r e s e n t e dt h ef l o wf i e l da n a l y s i so nr a i s e i n i t i a lw o r k i n g ，b e a r o v e r f l o w a n d p r o pd r a w i n go f w a t e rh y d r a u l i cs i n g l ep r o pu s i n gt h ef l u e n ts o f t w a r e ．I ti sr e s u l t e d t h a tt h ei n n e rf l o wf i e l di Ss t a b l e ，t h ec a v i t a t i o n sa n dv o r t e xp h e n o m e n aa r en o t p r o d u c e di nt h ei n n e rc a v i t yd u r i n gt h ep i l l a rn o r m a lw o r k i n g ．W h i c h d o e sn o tr e s u l ti n l o s so fe n e r g ya n dn o i s ei n t e n s i f i e s ．T h i r d ，i tp r e s e n t e dt h ed y n a m i cs i m u l a t i o no n w a t e rh y d r a u l i cs i n g l ep r o pu s i n gt h eM A T L A B ／S i m u l i n ks o f t v d a r e ．T h em a i nf a c t o r i n f l u e n c i n gt h ed y l l a I n i cp e r f o r m a n c eo f p u r ew a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p i sr e s u l t e d ． F i g u r e 【5 9 】t a b l e [ 4 】r e f e r e n c e [ 6 8 】 K e y W o r d s w a t e r , s i n g l eh y d r a u l i cp r o p ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，f l o wf i e l ds i m u l a t i o n ， d y n a m i cs i m u l a t i o n C l a s s i f i e dn u m b e r T D 3 5 5T D 2 11 ．．I I I ．． 安徽理工大学硕士学位论文 一Ⅳ一 目录 目录 摘 要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一I A b s t r a c t ⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I I I 引 言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．1 单体液压支柱的特点及发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．1 ．1 单体液压支柱的特点⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．1 ．2 单体液压支柱的发展状况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 水压技术的研究现状及关键技术问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 ．2 ．1 水压技术的研究现状⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 1 ．2 ．2 水压技术的关键技术问题⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 ．3 课题的主要研究内容及研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 l - 3 ．1 课题的主要研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．2 课题的研究意义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 单体水液压支柱结构的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．1 单体水液压支柱的工作原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2 单体水液压支柱关键问题的解决措施⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．1 单体水液压支柱的微造型结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．2 ．2 单体水液压支柱材料的选择⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 2 2 ．3 单体水液压支柱设计及计算⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一1 3 2 ．3 ．1 缸体与活柱体的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2 水压三用阀的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 6 2 ．3 ．3 复位弹簧的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．3 ．4 单体水液压支其余零件的设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．18 2 ．4 单体水液压支柱的三维实体设计⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 1 2 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 单体水液压支柱关键件的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 3 ．V 。 安徽理工大学硕士学位论文 3 ．1 活柱体的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．2 活柱体的结构优化⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3 缸体的有限元分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 6 3 ．4 单体水液压支柱的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 7 3 ．4 ．1 A N S Y S 软件的模态分析介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 3 ．4 ．2 单体水液压支柱的模态分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一2 7 3 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 0 4 单体水液压支柱的流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3l 4 ．1 液压元件中气穴与气蚀现象及排除方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 l 4 ．1 ．1 液压元件中气穴与气蚀现象⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～3 l 4 ．1 ．2 气穴与气蚀现象的排除方法⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 2 4 ．2 流体力学基础⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 ’4 ．2 ．1 流体的流动状态⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 2 4 ．2 ．2 流体力学的基本控制方程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 3 4 ．3 单体水液压支柱的流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 5 4 ．3 ．1 解析基本假定⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 5 4 ．3 ．2 升柱一初撑过程的流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。3 6 4 ．3 ．3 升柱一初撑过程的流场仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一3 8 4 ．3 ．4 承载一溢流过程的流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 4 ．3 ．5 承载一溢流过程的流场仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 0 4 ．3 ．6 回柱过程的流场分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 2 4 ．3 ．7 回柱过程的流场仿真结果分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 2 4 ．4 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 4 5 单体水液压支柱的动态特性研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一4 5 5 ．1M A T L A B ／S i m u l i n k 软件简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 5 5 ．2 数学模型的建立⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 5 5 ．2 ．1 单体水液压支柱⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯～4 6 5 ．2 ．2 安全阀⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 7 5 3 单体水液压支柱系统的动态仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 一V I 目录 5 ．3 ．1 单体水液压支柱动态仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 9 5 ．3 ．2 安全阀动态仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 5 ．3 ，3 承载一溢流过程支柱系统的仿真模型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 ．1 单体水液压支柱的仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 0 5 ．4 ．2 承载一溢流过程仿真结果与分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 5 ．5 本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 8 6 结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 9 6 ．1 结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。5 9 6 ．2 展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。6 0 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 5 作者简介及读研期间主要科研成果⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 7 一V I I 目录 C o n t e n t s A b s t r a c t ⋯．．．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．．．．．⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I A b s t r a c t ⋯⋯．．．．．⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯．．I I I P r e f a c e ⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．1 1I n t r o d u c t i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．⋯⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．ID e v e l o p m e n ts t a t u sa n df e a t u r e so fs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 1 ．1 ．1F e a t u r e so f s i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．1 ．2D e v e l o p m e n ts t a t u so fs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ．．⋯．．．．．．．．．．⋯．．。⋯。．．⋯．⋯．．4 1 ．2P r e s e n tS t a t u sa n dk e yp r o b l e m so f w a t e rh y d r a u l i ct e c h n o l o g y ．．⋯．⋯．⋯．⋯4 1 ．2 ．1P r e s e n ts t a t u so f w a t e rh y d r a u l i ct e c h n o l o g y ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．4 1 ．2 ．2K e yp r o b l e m so f w a t e rh y d r a u l i ct e c h n o l o g y ．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．6 1 ．3P u r p o s e sa n dc o n t e n t so f t h i sp r o j e c t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 1 ．3 ．1C o n t e n t so f t h i sp r o j e c t ⋯．．．．．．⋯．⋯．⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．．．．．7 1 ．3 ．2P u r p o s e so f t h i sp r o j e c t ．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．⋯．⋯⋯．⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯8 1 ．4C o n c l u s i o n s ⋯．⋯．．．．．．．．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．8 2D e s i g ns t r u c t u r eo f w a t e r h y d r a u l i cs i n g l ep r o p ．．．．．．．⋯．⋯．⋯．⋯．．．．．⋯．⋯⋯⋯．．⋯．⋯⋯9 2 ．1W o r k i n g p r i n c i p l eo fp u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯9 2 ．2S o l v i n gm e a s u r e so f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p k e yp r o b l e m s ⋯．．1 0 2 ．2 ．1M i c r om o d e l l i n gs t r u c t u r eo p t i m i z a t i o no fp u r e - w a t e rs i n g l e h y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 0 2 ．2 ．2 M a t e r i a ls e l e c t i o no f p u r e - w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯。1 2 2 ．3D e s i g na n dc a l c u l a t i o no f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 2 2 ．3 ．1D e s i g no f c y l i n d e rb l o c ka n dm o v a b l ec o l u m n ⋯．⋯．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 3 2 ．3 ．2D e s i g no f p u r e - w a t e rt h r e ew a yv a l v e ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 2 ．3 ．3D e s i g no f r e s e ts p r i n g ．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．18 2 ．3 ．4D e s i g no f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o pr e s tp a r t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18 2 ．4T h r e e ．d i m e n s i o nd e s i g no f p u r e - w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 2 ．5C o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．⋯。．。2 2 ．Ⅸ． 安徽理工大学硕士学位论文 3F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p k e yp a r t s ．．．．．．．．．⋯⋯2 3 3 ．1F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f m o v a b l ec o l u m n ⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．2 3 3 ．2S 劬c n l r eo p t i m i z a t i o no f m o v a b l ec o l u m n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 3 3 ．3F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f c y l i n d e rb l o c k ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．⋯．．．⋯．⋯．．2 7 3 ．4M o d a la n a l y s i so f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 3 ．4 ．1I n t r o d u c t i o no f A N S Y SM o d a la n a l y s i s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．4 ．2M o d a la n a l y s i so f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 8 3 ．5C o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯．⋯．⋯．3l 4F l o wf i e l ds i m u l a t i o no f p u r e w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．．．．3 3 4 ．1C a v i t a t i o ne r o s i o na n de l i m i n a t i o nm e t h o do f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ⋯⋯．3 3 4 ．1 ．1C a v i t a t i o na n de r o s i o no f h y d r a u l i cc o m p o n e n t s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．1 ．2E l i m i n a t i o nm e t h o do f c a v i t a t i o na n de r o s i o n ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2H y d r o m e c h a n i c sb a s i s ．．．．．．．⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 4 4 ．2 ．1F l o wc o n d i t i o n ⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯3 4 4 ．2 ．2C o n t r o le q u a t i o no f h y d r o - d y n a m i c ．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．．．3 5 4 ．3F l o w 】[ i e l ds i m u l a t i o n ⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 7 4 ．3 ．1A n a l y t i cf u n d a m e n t a la s s u m p t i o n ．．⋯⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．⋯．．．．3 7 4 ．3 ．2F l o wf i e l ds i m u l a t i o no f r a i s e i n i t i a lw o r k i n g ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．3 8 4 ．3 ．3R e s u l t sa n d a n a l y s i so f r a i s e i n i t i a lw o r k i n g ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 0 4 ．3 ．4F l o wf i e l ds i m u l a t i o no f b e a r o v e r f l o w ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 2 4 ．3 ．5R e s u l t sa n d a n a l y s i so f b e a r - - o v e r f l o w ．．⋯．⋯．．．．．．．⋯．⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．4 4 4 ．3 ．6F l o wf i e l ds i m u l a t i o no f p r o pd r a w i n g ．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．．．⋯．．．⋯．⋯．⋯．．4 4 4 ．3 ．7R e s u l t sa n da n a l y s i so f p r o pd r a w i n g ．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 6 4 ．4C o n c l u s i o n s ．．．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．．4 6 5D y n a m i cs i m u l a t i o n ⋯⋯．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．．⋯⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 7 5 ．1I n t r o d u c t i o no f M A T L A B ／S i m u l i n k ．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．4 7 5 ．2M a t h e m a t i c a lm o d e l ．⋯．⋯．．．．．．．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．4 7 5 ．2 ．1S i n g l eh y d r a u l i cp r o pm o d e l ⋯．．．⋯⋯⋯．．．⋯．⋯．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯．⋯．⋯．．．4 8 5 ．2 ．2T l 】er e l i e f v a l v em o d e l ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 9 一X 一 目录 5 ．3D y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e l ．⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯⋯⋯．．．．．．．．．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯51 5 ．3 ．1D y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f p u r e - w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯．51 5 ．3 ．2D y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f t h er e l i e f v a l v e ⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 2 5 ．3 ．3D y n a m i cs i m u l a t i o nm o d e lo f b e a r - o v e r f l o w ．．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．⋯．5 2 5 ．4R e s u l t sa n da n a l y s i s ．⋯．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．1R e s u l t sa n d a n a l y s i so f p u r e - w a t e rs i n g l eh y d r a u l i cp r o p ⋯⋯⋯⋯⋯5 3 5 ．4 ．2R e s u l t sa n da n a l y s i so f b e a r - - o v e r f l o w ．⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯．．．．⋯．．⋯⋯．．5 7 5 ．5C o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 1 6C o n c l u s i o n sa n do u t l o o k ⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯．⋯．．．．．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．6 3 6 ．1C o n c l u s i o n s ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 3 6 ．2O u t l o o k ⋯⋯．．．．．⋯⋯⋯．⋯．⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．．⋯⋯⋯⋯6 4 R e f e r e n c e ⋯．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．⋯．．⋯．⋯⋯⋯．．．．．6 5 C o m p l i m e n t ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．⋯⋯．．．．．．．⋯⋯⋯⋯．⋯．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．．．．．．．．．6 9 R e s a m eo f a u t h o r ．．．．．⋯．．．⋯．．．⋯．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．．⋯．．．．．⋯．⋯．．．．．⋯．⋯．⋯．．．．’7 0 一Ⅺ一 引言 己l 言 JI目 随着煤矿开采技术的逐步完善，高档普采工作面广泛采用单体液压支柱支护 顶板，并取得了良好的技术经济效益。传统的煤矿单体液压支柱以乳化液为工作 介质且用量巨大，每次采煤循环支柱卸载移动时，乳化液都要大量排出，造成了 矿山井下工作环境的污染。随着我国工业生产中环保意识的不断加强和可持续发 展战略的实施，要求液压技术向着安全、卫生及环境友善的方向发展，寻找一种 安全、环保的介质是亟待解决的问题，从这一点出发，采用环保、低成本的水作 为液压系统的工作介质，具有重大的实用意义。 水压传动技术是直接以海水、淡水或高水基液体作为工作介质的新型绿色液 压传动技术，所谓绿色技术，是指能减少污染、降低消耗和改善生态的技术体系 [ 1 1 。水压传动实现的绿色主要表现在 1 水介质具有价格低廉、来源广泛的优点， 可节约石油资源； 2 水介质无需运输仓储、环境友好、购买和使用成本低、可避 免或减少产品污染； 3 水介质具有阻燃性和安全性好的优点，可避免火灾危险； 4 水固有的清洁性和安全性使得煤矿作业中不用为废油处理、清洗、燃烧和工人 的安全而担心。除了对生态环境和可持续发展的日益重视等外部环境的要求外， 同时先进制造技术、润滑与密封理论、现代计算技术和材料科学等技术的快速发 展，也为水压传动提供了技术保证【2 】。因此水压技术已经在世界工业领域得到广 泛运用，成为液压领域新的发展方向之一。 本课题主要研究了单体水液压支柱的结构设计及动态性能，针对水介质的特 殊理化性质