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。

空心柱塞7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

2.3活柱的設(shè)計(jì)

⑴活柱直徑

活柱屬于空心結(jié)構(gòu)，類(lèi)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。

⑵活柱強(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)，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。

⑶空心柱塞

活柱結(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L1。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。

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