液壓支柱結構件的設計分析

劉開均

摘 要：目前單體液壓支柱存在的主要問題是空載升柱速度較慢，支護工作效率較低。針對這一問題，本文設計了一種具有空心柱塞結構的高效單體液壓支柱，并對其關鍵部分進行規范設計，高效單體液壓支柱的活柱及柱塞強度滿足要求，整體穩定性好，升柱速度比原支柱快一倍以上。

關鍵詞：高效單體液壓支柱 設計 強度 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液壓支柱的伸長及提供支護承載力，是煤礦井下廣泛使用的支護設備。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的乳化液通過三用閥打入液壓支柱缸體內，推動活柱及活塞工作。井下大量使用的現有單體液壓支柱普遍存在的問題是空載升柱速度太慢。針對這一缺陷，本文提出了一種高效單體液壓支柱結構，升柱速度比原結構支柱快一倍以上，結構穩定性好，滿足強度及剛度要求。

1.高效單體液壓支柱結構組成及工作原理

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，活柱3與缸體6組成活塞缸結構，活柱3與空心活柱7形成柱塞缸結構。因此，空心柱塞7將活塞腔分隔成其內部活塞腔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，通過閥體控制，乳化液進入活塞腔A內，在活柱3與空心活柱7形成的柱塞缸內發生作用，活柱7快速上升，活塞腔B的體積增大，此時，B腔通過單向閥12從油箱（ C 腔） 吸取同樣體積的乳化液。當支柱上升到與頂板接觸后，支柱液壓系統系統壓力升高，壓力油通過單向閥11進入活塞腔B，塞腔A 和塞腔B 聯通，在兩腔壓力油的共同作用下提供穩定的支撐力。

2.設計過程

2.1.設計參數

根據MT 112.1《礦用單體液壓支柱》的相關規定，選取本次設計的高效單體液壓支柱的主要設計參數。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缸體的設計

缸體主要承受其內部乳化液的壓力及導向件的摩擦力，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 熱軋無縫鋼管作為缸體材料。活柱提供的支撐力與缸體內經有直接關系。缸體內徑計算公式為：

將數值帶入上式，并根據中等壁厚計算公式3.2mm

2.3活柱的設計

⑴活柱直徑

活柱屬于空心結構，類似于厚壁缸體，活柱受到頂板的壓力及偏載力，同時受到內腔柱塞的摩擦力。因此，活柱的受力形式比較復雜，同時受到壓應力、彎曲應力及摩擦力的作用。。經過計算取活柱外徑90 mm，內徑70 mm。材料選用27SiMn熱軋無縫鋼管。

⑵活柱強度校核

活柱屬于桿件結構，當沿軸向受到的壓力沒有超過極限時，受力形式包含受到彎曲應力和壓縮力的作用。由于伸縮行程較大，活柱與導向套之間存在間隙，如果活柱剛性不足，活柱伸縮時容易刮缸。計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經的比值為2500/90>5，可得到活柱的綜合應力為140.9 MPa。小于許用應力，強度滿足要求。

⑶空心柱塞

活柱結構尺寸設計完成后可進行對應的空心柱塞的結構設計。同時，工作時空心柱塞內外均為高壓液體，可彼此抵消一部分，結構設計時僅考慮工藝要求及空間尺寸，不需要強度校核?？招闹鈴皆O計為70 mm，內徑為60 mm。

3穩定性分析

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力，也可用于其他方面的臨時支護。為了改善單體液壓支柱的受力狀態，通常在立柱頂部采用球形鉸蓋在底部采用弧面底座，兩段可視鉸鏈結構，支柱整體可認為只承受軸向力，符合二力桿的受力特征?；钪可斐鰰r最大繞度點位置為：

將支柱的額定工作阻力F=250kN及其余數值帶入上式，可得到最大繞度點位置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。對應得極限應力Fk為：

將形狀系數k = 0.8及其余數值帶入上式，可得到支柱不穩定的極限應力Fk為666KN。安全系數Fk/F=2.7，滿足穩定性要求。

4.升柱速度

活柱的升柱速度與流量和截面積有關。原結構支柱的升柱速度為：

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構液壓支柱升柱速度的兩倍。

5.結論

單體液壓支柱在煤礦井下發揮著重要的支護作用，其升降速度的快慢與井下防護工作的效率有密切關系。針對原結構單體液壓支柱升柱速度較慢的問題，本文設計了具有特殊空心柱塞結構的高效單體液壓支柱。該結構強度及剛度均滿足要求。支柱的升柱速度是原結構的兩倍，可顯著提高支柱的支護效率。

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