雙伸縮立柱控制回路分析

李華

（開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司， 河北 唐山 063000）

雙伸縮立柱控制回路分析

李華

（開灤（集團）有限責任公司唐山礦業分公司， 河北 唐山 063000）

雙伸縮立柱液壓支架的主要功能就是對上方的頂板形成支護，而實現這一功能的關鍵設備就是雙伸縮立柱。由于雙伸縮立柱采用液壓系統進行控制，因此整個結構性能高低的根本基礎就是雙伸縮支柱使用的控制回路設計是否合理。

雙伸縮立柱；閉鎖；分腔閉鎖

20世紀70年代后期著重研究和發展雙伸縮立柱，以適應煤層變化，擴大使用范圍。因此我國煤炭行業制定了雙伸縮立柱缸徑、柱徑和壓力系列的行業標準。

由于雙伸縮立柱控制回路的設計是影響雙伸縮立柱支架性能的根本，因此加強對于雙伸縮立柱控制回路的研究具有重要的現實意義。這里主要對不同控制回路的性能進行比較，進而進行分析討論。

現階段國內各行業使用的液壓支架雙伸縮立柱根據使用設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是否帶底閥可以分為兩種。

其中帶底閥的是二級缸帶底閥立柱，這種立柱的控制回路分為兩級，每一級缸的下腔都由單向閥進行閉鎖，并由安全閥進行限壓。不同的是一級缸采用液控單向閥、而二級缸才有機械單向閥，由于二級缸在底部，因此一般也稱為底閥閉鎖。而且二級缸的下腔閥能夠實現兩級缸之間的液體交流。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行過程如下。

當系統中的液體升柱時，液體會逐漸將回路中的液體單向閥打開，然后液體首先進入二級缸帶底閥立柱的一級缸，并逐漸利用進入缸內的液體推動缸內的本活塞，也就是二級缸帶底閥立柱的二級缸缸體向外伸，同時帶同二級缸活塞一起外伸。隨著一級缸內液壓的不斷升高，工作液體會逐漸將二級缸底部的底閥打開，進而液體進行二級缸內部，并推動二級缸的活塞柱逐漸向外運動。當一級缸和二級缸內都注滿液體，二級缸的活塞柱也就頂到支柱的頂板位置，這時供液停止。同時二級缸帶底閥立柱的一級缸內的單向閥會自動閉鎖，這樣二級缸帶底閥立柱的兩個缸就能相互獨立而且保持穩定。

另一種控制回路適用于無底閥立柱，兩級缸始終貫通，具體結構如圖2所示。這種液壓控制回路的工作過程如下。

（1）當液體進入缸內，首先是較小的二級缸的活柱逐漸開始向外伸，這時受到的泵壓需滿足

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

（2）然后是無底閥支柱的一級缸開始動作，這時液壓缸內承受的泵壓需滿足：

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

在液體進入缸內后，根據P1、P2的大小不同會有幾種不同的情況發生。如果P2＞P1，那么無底閥支柱的一級缸，也就是下面的缸首先開始運動，逐漸向外延伸，與此同時帶動二級缸整體，但是二級缸的活柱處于靜止狀態。

如果P2＜P1，那么頂部的二級缸首先開始運動，逐漸向外伸。

根據無底閥支柱的初始設計，一般F1＞F2，而且缸內承受的其他各力都普遍小于外載荷P。因此要想實現一級缸先動作的要求，只需要使外載荷P達到一定值即可。如果出現外載荷P等于零的情況，缸內的密封摩擦力以及回油阻力會直接影響到P2和P1數值的大小。因此這里對工作阻力進行研究。

二級缸未動作時，不起作用，立柱阻力：

其中D1代表的是無底閥支柱一級缸的缸體內徑，而P安表示的是安全閥設定的工作壓力。

二級缸開始參與動作時，立柱阻力：

因從結構圖能夠清楚的看出D1＞D2，所以可以判定P1＞P2

而對于有底閥的立柱而言，當二級缸開始參與動作時，說明底閥已經閉鎖，立柱承受阻力與公式（3）表示的相同。這種情況下，二級缸承受的作用力大小與缸內液體高度相關。當一級缸逐漸下降并達到最低位置時，二級缸底部的底閥會打開，這時兩個缸體貫通，立柱承受的壓力同公式（4）。

有底閥立柱在降柱過程中要遵從基本的順序，只能先降一級缸，再降二級缸。因為只有一級缸降到底部以后，二級缸的底閥才能打開，開始降柱。在降柱過程中，一級缸、二級缸收縮承受的壓力分別為：

當回液阻力出現下屬情況時，

當有底閥支柱的一級缸會出現迫降。

這時就呈現為一級缸下降，但是二級缸外伸的現象。在應用雙伸縮立柱支架時要盡量避免出現這種情況，否則容易導致一級缸和二級缸脫離，支柱支撐作用破壞。根據以上分析可知，要想有效消除上述現象，需要對底閥彈力進行合理設定，確保

從公式（8）可知，底閥彈力的大小要根據系統背壓的大小判定。因此在系統中如果是帶壓移架或者需要始終保持接觸推力時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。

為了對系統進行簡化，方便實現更好的性能，有些無底閥支柱進行如下改造，在二級缸缸體導向套的位置利用徑向斜孔K二級缸與一級缸迫降腔相溝通，這樣能夠實現自動迫降。改造后的結構如圖3所示。當位于下方的一級缸降到底部之后，二級缸底部的閥門就打開，開始降柱，與此同時迫降油會通過斜孔K進入到二級缸上腔，上下一起作用，從而實現快速迫降。

雖然能夠實現快速迫降，但是這種系統也存在一定的結構缺點——在迫降過程中斜孔容易擦傷一級缸的密封圈，造成卡澀；而且二級缸外伸時，上腔的液體不能有效回收。斜孔徑越大，造成的損傷會越嚴重。在設計斜孔K時要選擇合適的孔徑，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密封圈的擦傷。

另一種簡化系統與上面的方式差不多，不過是直接在二級缸的缸壁上設計一個縱向孔g，實現一級缸與二級缸活柱腔的聯通，進而實現二級缸的迫降。這結構工作流程與上述方式也相似，而且不會對密封圈造成擦傷，但是它缸壁鉆孔工藝比較復雜，難以實現，同時也容易導致二級缸缸體強度下降。

兩級缸分別由各自的液控平面閥進行閉鎖，并由安全閥進行限壓，而且兩級缸的控制系統也相互獨立。這種控制回路最大的特點是有4個進液口，能夠同時滿足順序升柱和逆程降柱的功能，在運行過程中具有較強的適應性。這種結構的立柱承受的工作阻力如下。

當二級缸參與和未參與工作時，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缸安全閥還沒有發揮作用。一級缸只有液壓加長段起到一定的支撐作用。

TD355.4

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1671-0711（2016）12（下）-0111-02