李華

（開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司， 河北 唐山 063000）

雙伸縮立柱控制回路分析

李華

（開(kāi)灤（集團(tuán)）有限責(zé)任公司唐山礦業(yè)分公司， 河北 唐山 063000）

雙伸縮立柱液壓支架的主要功能就是對(duì)上方的頂板形成支護(hù)，而實(shí)現(xiàn)這一功能的關(guān)鍵設(shè)備就是雙伸縮立柱。由于雙伸縮立柱采用液壓系統(tǒng)進(jìn)行控制，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)性能高低的根本基礎(chǔ)就是雙伸縮支柱使用的控制回路設(shè)計(jì)是否合理。

雙伸縮立柱；閉鎖；分腔閉鎖

20世紀(jì)70年代后期著重研究和發(fā)展雙伸縮立柱，以適應(yīng)煤層變化，擴(kuò)大使用范圍。因此我國(guó)煤炭行業(yè)制定了雙伸縮立柱缸徑、柱徑和壓力系列的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

由于雙伸縮立柱控制回路的設(shè)計(jì)是影響雙伸縮立柱支架性能的根本，因此加強(qiáng)對(duì)于雙伸縮立柱控制回路的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。這里主要對(duì)不同控制回路的性能進(jìn)行比較，進(jìn)而進(jìn)行分析討論。

現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)各行業(yè)使用的液壓支架雙伸縮立柱根據(jù)使用設(shè)備的不同主要可以分為以下幾種不同的控制回路。

單閉鎖、單限壓雙作用液壓控制回路。這種液壓控制回路根據(jù)是否帶底閥可以分為兩種。

其中帶底閥的是二級(jí)缸帶底閥立柱，這種立柱的控制回路分為兩級(jí)，每一級(jí)缸的下腔都由單向閥進(jìn)行閉鎖，并由安全閥進(jìn)行限壓。不同的是一級(jí)缸采用液控單向閥、而二級(jí)缸才有機(jī)械單向閥，由于二級(jí)缸在底部，因此一般也稱(chēng)為底閥閉鎖。而且二級(jí)缸的下腔閥能夠?qū)崿F(xiàn)兩級(jí)缸之間的液體交流。這種液壓控制的基本回路如圖1所示。

圖1

圖2

雙伸縮立柱液壓控制回路是目前在單閉鎖雙伸縮立柱中使用較為普遍的一種控制回路。這種控制回路的基本運(yùn)行過(guò)程如下。

當(dāng)系統(tǒng)中的液體升柱時(shí)，液體會(huì)逐漸將回路中的液體單向閥打開(kāi)，然后液體首先進(jìn)入二級(jí)缸帶底閥立柱的一級(jí)缸，并逐漸利用進(jìn)入缸內(nèi)的液體推動(dòng)缸內(nèi)的本活塞，也就是二級(jí)缸帶底閥立柱的二級(jí)缸缸體向外伸，同時(shí)帶同二級(jí)缸活塞一起外伸。隨著一級(jí)缸內(nèi)液壓的不斷升高，工作液體會(huì)逐漸將二級(jí)缸底部的底閥打開(kāi)，進(jìn)而液體進(jìn)行二級(jí)缸內(nèi)部，并推動(dòng)二級(jí)缸的活塞柱逐漸向外運(yùn)動(dòng)。當(dāng)一級(jí)缸和二級(jí)缸內(nèi)都注滿(mǎn)液體，二級(jí)缸的活塞柱也就頂?shù)街е捻敯逦恢?，這時(shí)供液停止。同時(shí)二級(jí)缸帶底閥立柱的一級(jí)缸內(nèi)的單向閥會(huì)自動(dòng)閉鎖，這樣二級(jí)缸帶底閥立柱的兩個(gè)缸就能相互獨(dú)立而且保持穩(wěn)定。

另一種控制回路適用于無(wú)底閥立柱，兩級(jí)缸始終貫通，具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種液壓控制回路的工作過(guò)程如下。

（1）當(dāng)液體進(jìn)入缸內(nèi)，首先是較小的二級(jí)缸的活柱逐漸開(kāi)始向外伸，這時(shí)受到的泵壓需滿(mǎn)足

公式（1）中，PC、G、F、F2分別表示無(wú)底閥立柱液壓缸承受的回液阻力、自身的質(zhì)量、支柱外載荷kg以及二級(jí)缸活柱、活塞的面積。

（2）然后是無(wú)底閥支柱的一級(jí)缸開(kāi)始動(dòng)作，這時(shí)液壓缸內(nèi)承受的泵壓需滿(mǎn)足：

公式（2）中，t1+t3表示的是一級(jí)缸活塞與缸體間，二級(jí)缸缸體外表面與導(dǎo)向套間摩擦力；F3、F1分別表示二級(jí)缸缸體外斷面面積和一級(jí)缸活塞面積；G1表示的是二級(jí)缸自重（其中也包括缸活塞的重量），kg。

在液體進(jìn)入缸內(nèi)后，根據(jù)P1、P2的大小不同會(huì)有幾種不同的情況發(fā)生。如果P2＞P1，那么無(wú)底閥支柱的一級(jí)缸，也就是下面的缸首先開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，逐漸向外延伸，與此同時(shí)帶動(dòng)二級(jí)缸整體，但是二級(jí)缸的活柱處于靜止?fàn)顟B(tài)。

如果P2＜P1，那么頂部的二級(jí)缸首先開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，逐漸向外伸。

根據(jù)無(wú)底閥支柱的初始設(shè)計(jì)，一般F1＞F2，而且缸內(nèi)承受的其他各力都普遍小于外載荷P。因此要想實(shí)現(xiàn)一級(jí)缸先動(dòng)作的要求，只需要使外載荷P達(dá)到一定值即可。如果出現(xiàn)外載荷P等于零的情況，缸內(nèi)的密封摩擦力以及回油阻力會(huì)直接影響到P2和P1數(shù)值的大小。因此這里對(duì)工作阻力進(jìn)行研究。

二級(jí)缸未動(dòng)作時(shí)，不起作用，立柱阻力：

其中D1代表的是無(wú)底閥支柱一級(jí)缸的缸體內(nèi)徑，而P安表示的是安全閥設(shè)定的工作壓力。

二級(jí)缸開(kāi)始參與動(dòng)作時(shí)，立柱阻力：

因從結(jié)構(gòu)圖能夠清楚的看出D1＞D2，所以可以判定P1＞P2

而對(duì)于有底閥的立柱而言，當(dāng)二級(jí)缸開(kāi)始參與動(dòng)作時(shí)，說(shuō)明底閥已經(jīng)閉鎖，立柱承受阻力與公式（3）表示的相同。這種情況下，二級(jí)缸承受的作用力大小與缸內(nèi)液體高度相關(guān)。當(dāng)一級(jí)缸逐漸下降并達(dá)到最低位置時(shí)，二級(jí)缸底部的底閥會(huì)打開(kāi)，這時(shí)兩個(gè)缸體貫通，立柱承受的壓力同公式（4）。

有底閥立柱在降柱過(guò)程中要遵從基本的順序，只能先降一級(jí)缸，再降二級(jí)缸。因?yàn)橹挥幸患?jí)缸降到底部以后，二級(jí)缸的底閥才能打開(kāi)，開(kāi)始降柱。在降柱過(guò)程中，一級(jí)缸、二級(jí)缸收縮承受的壓力分別為：

當(dāng)回液阻力出現(xiàn)下屬情況時(shí)，

當(dāng)有底閥支柱的一級(jí)缸會(huì)出現(xiàn)迫降。

這時(shí)就呈現(xiàn)為一級(jí)缸下降，但是二級(jí)缸外伸的現(xiàn)象。在應(yīng)用雙伸縮立柱支架時(shí)要盡量避免出現(xiàn)這種情況，否則容易導(dǎo)致一級(jí)缸和二級(jí)缸脫離，支柱支撐作用破壞。根據(jù)以上分析可知，要想有效消除上述現(xiàn)象，需要對(duì)底閥彈力進(jìn)行合理設(shè)定，確保

從公式（8）可知，底閥彈力的大小要根據(jù)系統(tǒng)背壓的大小判定。因此在系統(tǒng)中如果是帶壓移架或者需要始終保持接觸推力時(shí)需要保持較大的彈簧力，如果是其他情況可以選定較小的彈簧力。

為了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，方便實(shí)現(xiàn)更好的性能，有些無(wú)底閥支柱進(jìn)行如下改造，在二級(jí)缸缸體導(dǎo)向套的位置利用徑向斜孔K二級(jí)缸與一級(jí)缸迫降腔相溝通，這樣能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)迫降。改造后的結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)位于下方的一級(jí)缸降到底部之后，二級(jí)缸底部的閥門(mén)就打開(kāi)，開(kāi)始降柱，與此同時(shí)迫降油會(huì)通過(guò)斜孔K進(jìn)入到二級(jí)缸上腔，上下一起作用，從而實(shí)現(xiàn)快速迫降。

雖然能夠?qū)崿F(xiàn)快速迫降，但是這種系統(tǒng)也存在一定的結(jié)構(gòu)缺點(diǎn)——在迫降過(guò)程中斜孔容易擦傷一級(jí)缸的密封圈，造成卡澀；而且二級(jí)缸外伸時(shí)，上腔的液體不能有效回收。斜孔徑越大，造成的損傷會(huì)越嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)斜孔K時(shí)要選擇合適的孔徑，一般情況下保持在1～4mm即可，另外需要將斜孔的孔角修鈍倒圓，這樣能夠有效降低對(duì)密封圈的擦傷。

另一種簡(jiǎn)化系統(tǒng)與上面的方式差不多，不過(guò)是直接在二級(jí)缸的缸壁上設(shè)計(jì)一個(gè)縱向孔g，實(shí)現(xiàn)一級(jí)缸與二級(jí)缸活柱腔的聯(lián)通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)二級(jí)缸的迫降。這結(jié)構(gòu)工作流程與上述方式也相似，而且不會(huì)對(duì)密封圈造成擦傷，但是它缸壁鉆孔工藝比較復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也容易導(dǎo)致二級(jí)缸缸體強(qiáng)度下降。

兩級(jí)缸分別由各自的液控平面閥進(jìn)行閉鎖，并由安全閥進(jìn)行限壓，而且兩級(jí)缸的控制系統(tǒng)也相互獨(dú)立。這種控制回路最大的特點(diǎn)是有4個(gè)進(jìn)液口，能夠同時(shí)滿(mǎn)足順序升柱和逆程降柱的功能，在運(yùn)行過(guò)程中具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。這種結(jié)構(gòu)的立柱承受的工作阻力如下。

當(dāng)二級(jí)缸參與和未參與工作時(shí)，立柱承受的工作阻力分別為：

這種情況下二分腔閉鎖限壓雙作用立柱的一級(jí)缸安全閥還沒(méi)有發(fā)揮作用。一級(jí)缸只有液壓加長(zhǎng)段起到一定的支撐作用。

TD355.4

A

1671-0711（2016）12（下）-0111-02