金顯賀，郭文孝

（1.太原重工軌道交通設(shè)備有限公司，山西 太原 030006；2.中國煤炭科工集團(tuán) 太原研究院，山西 太原 030006）

0 引言

液壓支架側(cè)護(hù)板裝置一般由側(cè)護(hù)板、彈簧筒、側(cè)護(hù)千斤頂、導(dǎo)向桿和連接銷軸等組成。彈簧筒內(nèi)置一個(gè)大的圓柱螺旋彈簧，側(cè)護(hù)板主要通過圓柱螺旋壓縮彈簧與側(cè)推千斤頂控制其伸縮，彈簧力的大小將影響側(cè)護(hù)板的防護(hù)效果。彈簧力過大，液壓系統(tǒng)的壓力小于彈簧的彈力，將導(dǎo)致側(cè)護(hù)板收不到原位；彈簧力過小，側(cè)護(hù)板伸出后將處于浮動(dòng)狀態(tài)，無法保證架間間隙，給移架帶來困難。因此，本文對液壓支架側(cè)護(hù)裝置中的圓柱螺旋壓縮彈簧進(jìn)行了計(jì)算。

1 液壓支架側(cè)護(hù)板裝置

現(xiàn)階段加工生產(chǎn)的掩護(hù)式與支撐掩護(hù)式液壓支架都有較完善的側(cè)護(hù)裝置，不僅支架掩護(hù)梁兩側(cè)設(shè)有側(cè)護(hù)板，整體頂梁的兩側(cè)也設(shè)有側(cè)護(hù)板。液壓支架工作時(shí)，一側(cè)的側(cè)護(hù)板處于固定狀態(tài)，另一側(cè)則為活動(dòng)狀態(tài)。加工制造時(shí)，兩側(cè)側(cè)護(hù)板通常是對稱的，在對支架進(jìn)行裝配時(shí)可按照需要將一側(cè)用銷軸固定于頂梁與掩護(hù)梁上。

側(cè)護(hù)板裝置的作用如下：①消除相鄰支架掩護(hù)梁、頂梁之間的架間間隙，防止頂板冒落的矸石進(jìn)入支護(hù)空間；②支架移架過程中可起到導(dǎo)向的作用；③支架降落后側(cè)護(hù)板裝置可防止支架的傾斜；④利用側(cè)護(hù)板裝置可調(diào)整支架的間距。

目前側(cè)護(hù)板裝置的控制方式主要為彈簧液壓混合控制，它既有彈簧伸出機(jī)構(gòu)，也有側(cè)推千斤頂伸縮機(jī)構(gòu)。

2 圓柱螺旋壓縮彈簧

彈簧作為機(jī)械產(chǎn)品中一種利用彈性來工作的通用零件，其種類復(fù)雜多樣。彈簧具有夾緊、減振、復(fù)位、調(diào)節(jié)等多種功能，由于普通圓柱螺旋彈簧制造簡單，且可根據(jù)受載情況制成各種型式，故應(yīng)用最廣。

制造圓柱螺旋壓縮彈簧的材料應(yīng)具有高的疲勞極限、彈性極限、沖擊韌性以及良好的熱處理性能等，選擇彈簧的材料主要是根據(jù)彈簧的工作條件、承受的載荷類型以及是否受沖擊載荷等因素確定，同時(shí)也應(yīng)考慮彈簧制造的工藝性。

3 圓柱螺旋壓縮彈簧計(jì)算公式

圖1為圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸標(biāo)注圖。

圖1 圓柱螺旋壓縮彈簧尺寸標(biāo)注圖

3.1 主要計(jì)算公式

（1）材料直徑d（mm）：

（2）有效圈數(shù)n：

其中：G為彈簧材料的切變模量，N／mm；Fn為最大工作阻力，N；P′d為單圈剛度，N／mm；P′為彈簧剛度，N／mm。

（3）彈簧剛度P′（N／mm）：

3.2 幾何尺寸計(jì)算

（1）彈簧中徑D（mm）：先按結(jié)構(gòu)要求估計(jì)，然后按參考文獻(xiàn)［1］中表11－2－9取標(biāo)準(zhǔn)值。

（2）彈簧內(nèi)徑D1（mm）：D1＝D－d.

（3）彈簧外徑D2（mm）：D2＝D＋d.

（4）支承圈數(shù)n2和總?cè)?shù)n1（圈）：由參考文獻(xiàn)［1］中表11－2－14按結(jié)構(gòu)形式選取。

其中：Fj為工作極限載荷下的變形量。

（6）自由高度H0（mm）：由參考文獻(xiàn)［1］中表11－2－14計(jì)算。

（7）間距δ（mm）：δ＝t－d.

（8）最小工作載荷時(shí)的高度H1（mm）：

（9）最大工作載荷時(shí)的高度Hn（mm）：

（10）工作極限載荷下的高度Hj（mm）：

（11）壓并高度Hb（mm）：由參考文獻(xiàn)［1］中表11－2－14計(jì)算。

對壓縮彈簧推薦α＝5°～9°.

（13）彈簧展開長度L（mm）：

4 應(yīng)用實(shí)例

本文以ZZ6600／14／28型四柱支撐掩護(hù)式支架為例，已知條件如下：工作載荷種類為Ⅱ類載荷，最小工作載荷P1＝100N，最大工作載荷Pn＝3 700，工作行程h＝270mm。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及已知條件初步選擇彈簧的簧絲直徑d＝12mm；彈簧中徑D＝75mm，端部結(jié)構(gòu)為端部并緊、磨平，支承圈為1圈，彈簧材料為碳素彈簧鋼絲C級。

4.1 參數(shù)計(jì)算

（2）因是Ⅱ類載荷Pj≥1.25Pn，故工作極限載荷Pj≥1.25×3 700＝4 625N。

（3）由參考文獻(xiàn)［1］的表11－2－19查得：工作極限載荷Pj＝4 629N時(shí)，工作極限載荷下的單圈變形量fj＝9.541mm，單圈剛度P′d＝485N／mm。

（5）總?cè)?shù)n1＝n＋2＝38.5圈。

（7）工作極限載荷下的變形量Fj＝nfj＝36.5×9.541≈348.2mm。

（9）自由高度H0＝nt＋1.5d＝804.265 4mm，取H0＝805mm。

（10）彈簧外徑D2＝D＋d＝87mm。

（11）彈簧內(nèi)徑D1＝D－d＝63mm。

4.2 驗(yàn)算

根據(jù)上述數(shù)據(jù)選?。簜?cè)護(hù)板油缸收回時(shí)彈簧長度為500mm，側(cè)護(hù)板油缸伸出時(shí)彈簧長度為770mm。

（4）實(shí)際工作行程h＝H1－Hn＝797.48－526.8≈271mm。

4.3 工作圖

圖2為圓柱螺栓壓縮彈簧工作圖。

圖2 圓柱螺栓壓縮彈簧工作圖

5 結(jié)論

本文以ZZ6600／14／28型四柱支撐掩護(hù)式支架側(cè)護(hù)板裝置的圓柱螺旋壓縮彈簧設(shè)計(jì)為例，通過計(jì)算得出彈簧的主要技術(shù)參數(shù)。該支架在井下的實(shí)際使用效果可證明對圓柱螺旋壓縮彈簧的設(shè)計(jì)計(jì)算是正確的。

［1］ 成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［2］ 皮亞南，劉燕霞，李和平.彈簧的應(yīng)用與設(shè)計(jì)計(jì)算［J］.鍛壓機(jī)械，1999（2）：23－25.

［3］ 陳普慶，周照耀，羅宗強(qiáng)，等.彈簧壓縮變形的數(shù)值分析［J］.現(xiàn)代制造工程，2002（4）：30－32.

［4］ 張英會(huì).彈簧手冊［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1997.