王海彬 趙 慧 張子明

（遼寧省調(diào)兵山市遼寧通用重型機(jī)械股份有限公司，遼寧 調(diào)兵山 112700）

1 問題提出

機(jī)載支護(hù)設(shè)備適用于掘進(jìn)工作面新揭露的空頂區(qū)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)的一種機(jī)載式輕型支架，可以迅速地在掘進(jìn)機(jī)切割頭前方頂板上形成有效的支撐防護(hù)，為下一步在該區(qū)進(jìn)行支護(hù)作業(yè)的人員提供一個(gè)安全可靠的工作空間，而機(jī)載支護(hù)設(shè)備需要以油缸作為運(yùn)動(dòng)單元，通過控制閥控制各部的動(dòng)作，旋轉(zhuǎn)油缸實(shí)現(xiàn)自潤滑，達(dá)到運(yùn)動(dòng)安全平穩(wěn)可靠目的[1-5]。

2 機(jī)載支護(hù)旋轉(zhuǎn)油缸的方案設(shè)計(jì)

2.1 油缸總圖設(shè)計(jì)

機(jī)載支護(hù)旋轉(zhuǎn)油缸工作介質(zhì)是乳化油，機(jī)載支護(hù)設(shè)備工況條件苛刻，在掘進(jìn)巷道有限的空間內(nèi)，實(shí)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)要求油缸小型化，安全可靠自潤滑，滿足支護(hù)需求。旋轉(zhuǎn)油缸額定工作壓力16 MPa，額定流量50 L/min，推力要求130 kN，拉力要求40 kN。油缸總圖如圖1。

2.2 油缸計(jì)算

油缸推力和拉力的計(jì)算，液壓支架立柱初撐力和支架初撐力的計(jì)算公式：立柱初撐力計(jì)算公式p=（πD2/4）×m×10-3，其中：p 為支柱的初撐力，kN；D 為立柱缸體內(nèi)徑或活塞直徑，mm；m 為泵站工作壓力，MPa。

此油缸的缸筒內(nèi)徑D=125 mm，泵站工作壓力m=16 MPa，帶入公式，因此油缸推力p1=（3.14×1252/4）×16×10-3≈196.2 kN， 油 缸 拉力p2=（3.14×1252/4）×16×10-3-（3.14×702/4）×16×10-3≈134.7 kN。經(jīng)過計(jì)算油缸的推力和拉力滿足機(jī)載支護(hù)旋轉(zhuǎn)油缸的使用要求，安全系數(shù)1.5。

圖1 旋轉(zhuǎn)油缸總圖

2.3 油缸材質(zhì)選擇

27SiMn 鋼的性能優(yōu)于30Mn2 等鋼，因?yàn)楦淄残枰獰崽幚恚@種缸的淬透性較高，在水中臨界淬透直徑達(dá)8～22 mm，可切削性良好，具備優(yōu)良性能，經(jīng)實(shí)踐檢、驗(yàn)證，考慮整體使用要求及27SiMn的性能，因此本油缸缸筒、活塞桿、導(dǎo)向套、活塞材質(zhì)采用27SiMn。

2.4 密封件選型設(shè)計(jì)

（1）O 型圈選擇需要考慮因素、注意事項(xiàng)：O型圈截面直徑的選定，使用環(huán)境壓力大小，間隙的選擇，壓縮余量，倒角處理，粗糙度選定等。

（2）O 型圈壓縮率的選定。本文選擇的是NOK 的O 型圈，圖2 是壓縮率的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，壓縮率使用范圍8%～30%，E=σ/W×100。式中：E為壓縮率，%；σ 為壓縮余量（W-H），mm；W 為O 型圈截面直徑，mm；H 為溝槽深度，mm。

圖2 壓縮率的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

（3）O 型圈的計(jì)算。選用的O 型圈直徑W=3.53 mm 的，壓縮率一般選擇20%左右，即E=20%=0.2，δ=W-H=3.53-H，帶入以上公式即0.2=（3.53-H）/3.53，算出H=2.824，再根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)使用情況和O 型圈的直徑大小，H 值可以選擇的相對(duì)小些，最后本文的H 值設(shè)計(jì)為2.7 mm。

（4）O 型圈充填率的計(jì)算方法，O 型圈寬度的計(jì)算。充填率的設(shè)定為n=75%=0.75，O 型圈的截面直徑W=3.53 mm，把H=2.7 mm 代入圖2 公式即0.75=(3.14÷4×3.532) ÷(2.7×G)，算出G=4.83 mm。如果沒有擋圈的O 型圈寬度尺寸按這個(gè)計(jì)算便可以使用。

圖3 O 型圈充填率的計(jì)算方法

（5）考慮本缸筒內(nèi)徑大小和缸口螺紋的尺寸以及活塞桿直徑的空間尺寸，本缸筒和導(dǎo)向套的O型圈直徑選擇Φ3.53 mm 的，O 型圈有靜密封、動(dòng)密封的區(qū)別，這個(gè)O 型圈位置是靜密封。O 型圈的材質(zhì)選用NBR-90，NBR-90 具有耐油、耐磨、穩(wěn)定的耐熱性。一般O 型圈和擋圈一起使用，在此處根據(jù)使用壓力要求，擋圈設(shè)定1 個(gè)即可，擋圈設(shè)計(jì)在受力O 型圈的反方向即靠近缸口方向，擋圈選擇寬度1.5 mm 的，因此O 型圈的最后寬度尺寸為4.83+1.5=6.33 mm，再根據(jù)實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)圓整到一個(gè)適合值，本文圓整到6.5 mm。適當(dāng)調(diào)整O 型圈的尺寸，本文的擋圈選定為Φ126×Φ120.6×1.5，擋圈的材質(zhì)選擇PTFE+Cu的，根據(jù)O型圈樣本選擇。

（6）防塵圈作用是防止塵土灰塵進(jìn)入缸筒內(nèi)部，本文選擇防刮油的DKB 防塵圈，唇口密封件選擇丁腈橡膠，帶金屬骨架的，材質(zhì)代號(hào)U801+SPCC。具體型號(hào)是DKBI70×84×8 的，即直徑70 mm 活塞桿用的防塵圈。

（7）活塞桿用密封件。根據(jù)本設(shè)備工作條件選擇IUH 密封件，它適用石油基液壓油、水乳化型液壓油，選用型號(hào)為IUH70 70×85×9 的，材質(zhì)選擇氫化丁腈橡膠G928，即直徑70 mm 活塞桿的密封件。

（8）緩沖圈是由密封件和支撐環(huán)組成的組合件，緩沖圈選擇HBY70 70×85.5×6 的，即直徑70 mm 活塞桿的緩沖圈。這里的密封圈選擇材質(zhì)是UH05，支撐環(huán)的材質(zhì)選擇12NM 的。

（9）該處密封選擇的是特瑞堡的CST 特康T46，該型號(hào)密封件抗壓強(qiáng)度高，滑動(dòng)耐磨性好，抗擠出性好，適用溫度-54°～+120°，速度≤1.5 m/s，適用長行程情況。該密封圈是由一個(gè)彈性體施力的聚四氟乙烯組合密封圈，具有總體的穩(wěn)定性，耐磨，密封性好，本文選擇的是缸筒內(nèi)徑125 mm的PKZF 000021T46NP 的CST 密封圈。

3 旋轉(zhuǎn)油缸加工方法

缸筒的大體加工工序：下料—粗車—粗鏜深孔—精鏜深孔—精車—鉆孔—焊接缸底等，活塞桿的加工需要具備數(shù)控車床，鍍鉻區(qū)段的加工需要磨床加工，加工中注意圖紙尺寸公差、同軸度、粗糙度等要求，導(dǎo)向套、活塞在加工中尤其更要保證圖紙尺寸及公差、同軸度、倒角等要求，在導(dǎo)向套、活塞的加工中尤其要注意保證里孔和外圓的同軸度。

4 機(jī)載支護(hù)旋轉(zhuǎn)油缸裝配

4.1 裝配注意事項(xiàng)

缸筒的直徑方向尺寸是否受空間所限，還有長度方向是否有干涉的地方，活塞桿的孔一般和安裝的結(jié)構(gòu)件部分經(jīng)常有干涉問題，接頭座在油缸設(shè)計(jì)過程中更是要重點(diǎn)考慮是否和結(jié)構(gòu)件其他地方干涉問題，往往油缸的接頭座和結(jié)構(gòu)件有干涉，造成接頭座在使用過程中過早損壞。

4.2 三維模擬安裝

通過三維設(shè)計(jì)軟件對(duì)旋轉(zhuǎn)油缸進(jìn)行模擬安裝裝配，進(jìn)行油缸內(nèi)部尺寸干涉檢查。圖4 是旋轉(zhuǎn)油缸三維裝配圖。

圖4 旋轉(zhuǎn)油缸三維裝配圖

5 結(jié)語

機(jī)載支護(hù)旋轉(zhuǎn)油缸在機(jī)載支護(hù)設(shè)備中運(yùn)動(dòng)自如，經(jīng)過實(shí)踐檢驗(yàn)，井下應(yīng)用效果良好，滿足機(jī)載支護(hù)的使用要求，達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)、使用要求。本文的油缸設(shè)計(jì)方法在其他礦山機(jī)械設(shè)備中同樣具有參考價(jià)值。本公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)并制造的油缸代替采購，節(jié)省采購配件資金，增加本公司產(chǎn)品制造種類。