液壓支架用伸縮式兩級液壓缸設計分析

摘要：雙作用伸縮液壓缸具有調高范圍大、屬液壓無極調高、操作方便靈活的優點，但結構復雜、加工要求高、成本高。文章簡要分析了液壓系統、雙級液壓缸設計原理、雙級液壓缸設計特點和關鍵點設計分析，這一研究對于組合式液壓缸的推廣具有一定的意義。

關鍵詞：兩級液壓缸；液壓系統；導向套；液壓支架

中圖分類號：TD355 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2012）30-0025-03

國內外煤礦生產支架使用的液壓缸已經有了許多種類型，如單缸單作用、單缸雙作用、多缸單作用、多缸雙作用。文中主要設計雙作用伸縮液壓缸。這種液壓缸的優點是調高范圍大、屬液壓無極調高、操作方便靈活，但結構復雜、加工要求高、成本高。本文基于伸縮式兩級液壓缸簡要地分析了這類液壓支架的設計，這一研究對于組合式液壓缸的推廣具有一定的意義。

1 系統設計分析

1.1 液壓系統

圖1是一個典型的液壓系統，其構成要素是：動力元件——液壓泵或送風裝置，其作用是把原動力輸入機械能轉變為流體壓力，使其可以為系統提供能源；執行元件——液壓缸或氣缸、液壓馬達或壓縮空氣發動機，其作用是把流體壓力能轉化為機械能，輸出力和速度或力矩和轉速，驅動負載做直線運動或旋轉運動；控制元件——壓力、流量和方向操控閥，作用是操縱和調整系統的流體壓力、流量和流動的方向，以確保執行組件達到所需的輸出力（或力矩）、移動速度和運動軌跡；輔助元素，確保系統正常運行所需要的輔助裝置，包括管道、管接頭、油箱或存儲罐、過濾器皿和壓力計；工作介質——液壓油。

1.2 雙級液壓缸設計原理

液壓缸是將液壓能轉換為機械能的裝置，驅動運行機制做來回式線性（或擺動）運動的液壓執動器，根據作用方式分有單、雙式，雙作用式代表兩腔都可以進出壓力油，活塞（缸體）可以有正反兩個相對方向的運動。采用的組合液壓缸即缸筒是由兩個階段或多個階段的活塞缸套裝而成，也叫做多階段缸體。伸出的順序是：由大到小，推力則從大到小，速度從慢到快；縮回的順序是：從小到大，速度從快至慢。雙伸縮類型的立柱工作機理如圖2所示，立柱上升時高壓液柱從A口注入立柱，B口和C口連接回液通道，在立柱1上升的時候，該過程分為兩個部分：第一部分是活柱2伸出而且只能將活柱3下端完全伸出，第二部分柱內部單向閥4打開才能讓活柱的上端5伸出。降柱的過程中，高壓液體從B和C嘴輸入，打開A口連接回液管道。降柱過程也分為兩個階段完成。第一階段是在下活柱2縮回缸體內的情況下，上活柱5不會下縮原于柱內單閥側處于閉鎖狀態，但是當下活柱2完全縮回時，單向閥4的內部芯片的頂桿將會與缸體凸臺相撞導致單向閥4打開，上活柱5下腔液體可以回A口，因此上活柱縮回。第二階段是當系統運行時，頂板對上活柱5的壓力會由上活柱下端被閉鎖的液體承擔并轉移給下活柱2，這時上下活柱所承受的壓力是一致的。換言之，這種立柱的別名是等負載雙伸縮立柱。當下活柱2的液體達到安全閥不能承擔的壓力時，安全閥自動打開，下活柱2退回原來位置，當下活柱2完全縮入缸體中，只有上活柱5承單壓力時，頂板的作用力又會使上活柱5退回原位。

1.3 雙級液壓缸設計特點

雙級液壓缸立柱由于下活柱的伸縮順序一致，上活柱順序相反。在煤層變化微小時，上活柱的伸縮長度是相同的。所以上活柱等價于立柱的液壓加長桿。因為活柱的長度可隨意調整，比單一的伸縮立柱控制機械加長桿靈活，所以當前的應用越來越多廣泛，但是，事實上它的價格相對比較高。因為等負載雙伸縮支柱的上下活柱活塞面積不一樣，所以在一個泵站的工作基礎下，上下活柱伸出的最大的支撐頂板的初撐力，下活柱相對較大。因此，在煤層厚度改變較明顯的情況下，上活柱伸出長度隨著改變，導致初撐力變小，阻礙了頂板維修。此外，在承擔壓力時，由于相同的負載條件，上活柱下端的壓力會超過下活柱下端的壓力，假如壓力過大，會導致下活柱在巨大的壓力下膨脹變形的后果，干擾到下活柱的正常作用，甚至造成導向套和立柱嚙合。因此，在煤層厚度改變較大時或波及到地壓大煤層，使用這樣的等負載立柱要謹慎小心。

1.4 關鍵點設計分析

以下主要就雙級液壓缸設計的支撐和導向套進行分析。

1.4.1 支架承載過程。支架的支撐經過是指支架與頂板的相互作用力起作用的過程，包括初撐、承載增阻和恒阻三道程序。詳見圖3所示：第一道程序——在支架上升的階段中，當支架的頂梁碰到頂板，直到立柱下端的液體作用力強度慢慢增加到泵站工作強度時，停止供應液體，液控單向閥迅速合閉；第二道程序——支架初撐完成后，隨著頂板的下降，隨著立柱下端的液體作用力逐漸增加，支架對頂板的支撐力也隨之增加，出現增阻的現象；第三道程序——伴著頂板作用力的逐漸變大，立柱下端的液體作用力越來越大，當增加到安全閥超過固定值時，安全閥自動打開閥門，液體釋放，使得立柱表面降低，液體的作用力也慢慢減少。當降到安全閥的調定壓力時，安全閥自動關閉，阻止液體繼續流出。

1.4.2 導向套設計。導向套在活塞重復往返的移動過程中有著引導支持的作用，導向套的效能的高低對液壓缸的作用有很大的控制力。設計應符合要求的最低值長度和隔環長度的確定，當所有的活塞桿都伸出時，從活塞支持點對導向套滑動表面中間位置的距離稱為最小距離H，如圖4所示：

2 結語

設計分析的液壓支架，特點是調高范圍大、移架速度快、工作面產量高、支架的使用壽命長等。在實際進行應用分析還應更為詳細進行一、二級活塞缸以及各部分參數的確定，才能獲得更為全面的設計效果。

參考文獻

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作者簡介：朱純才（1965-），男，遼寧錦縣人，阜礦集團機械制造分公司工程師，研究方向：機械制造。

（責任編輯：周加轉）