液壓支柱結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)分析

1、    液壓支柱結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)分析    劉開(kāi)均摘 要：目前單體液壓支柱存在的主要問(wèn)題是空載升柱速度較慢，支護(hù)工作效率較低。針對(duì)這一問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了一種具有空心柱塞結(jié)構(gòu)的高效單體液壓支柱，并對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行規(guī)范設(shè)計(jì)，高效單體液壓支柱的活柱及柱塞強(qiáng)度滿足要求，整體穩(wěn)定性好，升柱速度比原支柱快一倍以上。關(guān)鍵詞：高效單體液壓支柱 設(shè)計(jì) 強(qiáng)度 升柱速度0引言外注式單體液壓支柱的工作原理是利用高壓乳化液推動(dòng)液壓支柱的伸長(zhǎng)及提供支護(hù)承載力，是煤礦井下廣泛使用的支護(hù)設(shè)備。外注式單體液壓支柱主要包括缸體、活柱、活塞、三用閥等部件。注液槍將乳化液泵內(nèi)的乳化液通過(guò)三用閥打入液

2、壓支柱缸體內(nèi)，推動(dòng)活柱及活塞工作。井下大量使用的現(xiàn)有單體液壓支柱普遍存在的問(wèn)題是空載升柱速度太慢。針對(duì)這一缺陷，本文提出了一種高效單體液壓支柱結(jié)構(gòu)，升柱速度比原結(jié)構(gòu)支柱快一倍以上，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，滿足強(qiáng)度及剛度要求。1.高效單體液壓支柱結(jié)構(gòu)組成及工作原理如圖1 所示。高效單體液壓支柱主要包括：手把、三用閥、活柱、通氣閥、缸體、柱塞、彈簧、單向閥等部分?？招闹?安裝在活柱3 腔內(nèi)，活柱3與缸體6組成活塞缸結(jié)構(gòu)，活柱3與空心活柱7形成柱塞缸結(jié)構(gòu)。因此，空心柱塞7將活塞腔分隔成其內(nèi)部活塞腔a 外部活塞腔b，單向閥10 和11 將a、b 兩腔連通。在空行程階段，通過(guò)閥體控制，乳化液進(jìn)入活塞腔a內(nèi)，在活

3、柱3與空心活柱7形成的柱塞缸內(nèi)發(fā)生作用，活柱7快速上升，活塞腔b的體積增大，此時(shí)，b腔通過(guò)單向閥12從油箱（ c 腔） 吸取同樣體積的乳化液。當(dāng)支柱上升到與頂板接觸后，支柱液壓系統(tǒng)系統(tǒng)壓力升高，壓力油通過(guò)單向閥11進(jìn)入活塞腔b，塞腔a 和塞腔b 聯(lián)通，在兩腔壓力油的共同作用下提供穩(wěn)定的支撐力。2.設(shè)計(jì)過(guò)程2.1.設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)mt 112.1礦用單體液壓支柱的相關(guān)規(guī)定，選取本次設(shè)計(jì)的高效單體液壓支柱的主要設(shè)計(jì)參數(shù)。額定工作阻力：250kn；額定工作壓力：31.8mpa；初撐力157kn；泵站壓力：20mpa；最大高度：2500mm；最小高度：1500mm；行程：1000mm。2.2缸體的設(shè)計(jì)缸體

4、主要承受其內(nèi)部乳化液的壓力及導(dǎo)向件的摩擦力，因此選用材料要需要充分考慮材料的抗疲勞性能及耐磨能力。目前常選用27simn 熱軋無(wú)縫鋼管作為缸體材料?；钪峁┑闹瘟εc缸體內(nèi)經(jīng)有直接關(guān)系。缸體內(nèi)徑計(jì)算公式為：將數(shù)值帶入上式，并根據(jù)中等壁厚計(jì)算公式3.2mm< p>2.3活柱的設(shè)計(jì)活柱直徑活柱屬于空心結(jié)構(gòu)，類似于厚壁缸體，活柱受到頂板的壓力及偏載力，同時(shí)受到內(nèi)腔柱塞的摩擦力。因此，活柱的受力形式比較復(fù)雜，同時(shí)受到壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及摩擦力的作用。經(jīng)過(guò)計(jì)算取活柱外徑90 mm，內(nèi)徑70 mm。材料選用27simn熱軋無(wú)縫鋼管?；钪鶑?qiáng)度校核活柱屬于桿件結(jié)構(gòu)，當(dāng)沿軸向受到的壓力沒(méi)有超過(guò)極限時(shí)，

5、受力形式包含受到彎曲應(yīng)力和壓縮力的作用。由于伸縮行程較大，活柱與導(dǎo)向套之間存在間隙，如果活柱剛性不足，活柱伸縮時(shí)容易刮缸。計(jì)算得活柱的初始擾度y1 = 1.95mm。由于支柱的最大高度與活柱內(nèi)經(jīng)的比值為2500/90>5，可得到活柱的綜合應(yīng)力為140.9 mpa。小于許用應(yīng)力，強(qiáng)度滿足要求?？招闹钪Y(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)完成后可進(jìn)行對(duì)應(yīng)的空心柱塞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。同時(shí)，工作時(shí)空心柱塞內(nèi)外均為高壓液體，可彼此抵消一部分，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮工藝要求及空間尺寸，不需要強(qiáng)度校核?？招闹鈴皆O(shè)計(jì)為70 mm，內(nèi)徑為60 mm。3穩(wěn)定性分析單體液壓支柱主要作用是為回采工作面頂板、綜采工作面端頭提供支護(hù)力，也可用

6、于其他方面的臨時(shí)支護(hù)。為了改善單體液壓支柱的受力狀態(tài)，通常在立柱頂部采用球形鉸蓋在底部采用弧面底座，兩段可視鉸鏈結(jié)構(gòu)，支柱整體可認(rèn)為只承受軸向力，符合二力桿的受力特征?；钪可斐鰰r(shí)最大繞度點(diǎn)位置為：將支柱的額定工作阻力f=250kn及其余數(shù)值帶入上式，可得到最大繞度點(diǎn)位置x= 1 670mm大于支柱頂端與活柱下端面之間的間距l(xiāng)1。屬于不等截面階梯桿。對(duì)應(yīng)得極限應(yīng)力fk為：將形狀系數(shù)k = 0.8及其余數(shù)值帶入上式，可得到支柱不穩(wěn)定的極限應(yīng)力fk為666kn。安全系數(shù)fk/f=2.7，滿足穩(wěn)定性要求。4.升柱速度活柱的升柱速度與流量和截面積有關(guān)。原結(jié)構(gòu)支柱的升柱速度為：高效單體液壓支柱的升柱速

7、度為：兩式相比可得到v2=2v1，高效單體液壓支柱的升柱速度為原結(jié)構(gòu)液壓支柱升柱速度的兩倍。5.結(jié)論單體液壓支柱在煤礦井下發(fā)揮著重要的支護(hù)作用，其升降速度的快慢與井下防護(hù)工作的效率有密切關(guān)系。針對(duì)原結(jié)構(gòu)單體液壓支柱升柱速度較慢的問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)了具有特殊空心柱塞結(jié)構(gòu)的高效單體液壓支柱。該結(jié)構(gòu)強(qiáng)度及剛度均滿足要求。支柱的升柱速度是原結(jié)構(gòu)的兩倍，可顯著提高支柱的支護(hù)效率。參考文獻(xiàn)：1 許萬(wàn)軍，顧惠君. 煤礦液壓支架抗沖擊能力的提高j. 煤炭技術(shù)，2009，28（09）：23-24.2 閻海琴，龔宇. 液壓支架抗沖擊能力分析j. 煤炭技術(shù)，2006（01）：13-15.3 姚藝武. ztc12800/20/38型超前支護(hù)液壓支架的研制j. 山西焦煤科技，2011（s1）：53-54.4 高立群，趙光明，盛偉強(qiáng). 端頭液壓支架替代關(guān)門支柱的研究與應(yīng)用j. 山東煤炭科技，2011（04）：81+83.5 種濤