帶有距離套的立柱千斤頂的設計

霍州煤電集團鑫鉅煤機裝備制造有限責任公司 山西霍州 031412

液 壓支架作為綜采工作面機械化開采設備的重要組成部分，占整個工作面設備投資的 2/3。隨著我國綜采技術的不斷進步，液壓支架的設計工作也進一步完善，但總體偏重于架型和結構的研究，近年來，雖然立柱與各種實現不同功能的千斤頂作為液壓支架的核心部分已經趨于標準化、系列化，但是在一些細節方面還需不斷完善。筆者以液壓支架中一種比較特殊的帶有距離套的立柱千斤頂的設計為例，基于流體動力學理論，對距離套的使用過程進行了分析，希望對此類立柱千斤頂的設計工作提供理論依據。

1 距離套在立柱千斤頂中的應用

ZY6000-14-32Ⅲ 型掩護式液壓支架應用于霍州煤電集團辛置礦 10#-428 工作面，由于新舊設備更替，新采購的滾筒式采煤機截深比原采煤機小 200 mm，ZY6000-14-32Ⅲ 型掩護式液壓支架出井大修后將重新用于該工作面，工作面“三機”配套之后與原尺寸出現 200 mm 的差距。設計人員在對液壓支架結構分析后，決定采用添加距離套的方案改造原推移千斤頂[1]。該方案具有不需要改造原有支架，可以適應新舊 2 種不同的型號的采煤機優點。原“三機”配套方案中，液壓支架的推移千斤頂行程與原采煤機截深相匹配，新采煤機的截深減少了 200 mm，相應的液壓支架千斤頂行程也需要減少 200 mm，在千斤頂內部添加長度為 200 mm 的距離套可以減少千斤頂行程，理論上是可行的，如圖 1 所示。但是在千斤頂改造后試驗過程中，出現了活塞桿伸出緩慢現象。通過對千斤頂運動過程的分析，結合流體動力學與靜力學理論[2-3]，發現了該方案存在的問題。

圖1 帶有距離套的推移千斤頂Fig.1 Moving jack with distance sleeve

活塞桿第 1 次伸出與收回過程都正常，但是從第2 次開始，大部分千斤頂的活塞桿收回過程正常，伸出過程開始出現異常緩慢的現象，這表明距離套并沒有按照設計之初設想的那樣隨活塞運動，而是堵在了千斤頂上腔的進液口處。筆者從上腔進液和下腔進液2 個方向對距離套的受力及運動狀態進行分析。

1.1 上腔進液活塞桿收回狀態

此時距離套與導向套壓緊在一起，推移千斤頂工作狀態時與水平面夾角約為 6°。如圖 2 所示，當上腔液體壓力未達到千斤頂的工作壓力時，上腔內液體處于靜止狀態，壓力處處相等；隨著液體壓力逐漸升高達到工作壓力，千斤頂內開始出現液體流動。從圖 2 可以看出，乳化液進入千斤頂上腔后分為 2 個方向流動：方向 1 沿著缸筒內壁與距離套之間的縫隙流向活塞，此空間內由于存在 2 道聚氨酯導向環，致使液體流通面積大大降低，屬于縫隙流動中的圓環縫隙流動[4]；方向 2 則通過距離套與導向套之間的縫隙流向活塞桿，屬于縫隙流動中的平行平板縫隙流動。2個方向的液體流動過程中沿流程克服摩擦阻力做功和克服過流端面突變都會造成能量損失，產生局部壓力損失 Δp。

圖2 上腔進液距離套狀態Fig.2 State of distance sleeve for liquid entering to upper cavity

根據平板縫隙流動流量方程

可以求得壓力損失

式中：q為流量；B為在圓環縫隙流動狀態下縫隙沿流向寬度；δ為縫隙高度；μ為流體動力黏度；L為縫隙沿流向長度；d為圓環內壁直徑。

由式 (1) 可以看出，在q、μ、L、B不變的情況下，壓差與縫隙高度成反比。

假設液體從進液口進入腔體時壓力為p，方向 1中縫隙高度維持不變，液體在縫隙中間呈層流狀態，因為流體內部黏度的原因，會對距離套施加與方向 1同向的摩擦力F1[5]，液體作用在距離套外表面上的壓力方向指向距離套中心線方向，對距離套的運動沒有影響；方向 2 中的液體流過距離套與導向套的間隙，產生作用在距離套右側面的壓力p1，液體流過距離套內表面時對距離套施加與方向 1 同向的摩擦力F2；由于沿程和局部的壓力損失，液體流過距離套后壓力必然會降低，在距離套左右兩側形成壓力差，從而產生一個與方向 1 同向的推力F3。距離套在F1、F2、F3共同作用下有運動的趨勢，只需要克服距離套與缸筒內壁的摩擦力即可運動。根據圖紙要求，缸筒內壁粗糙度級別在Ra0.4 以上，距離套上裝配的導向環只起導向作用，與缸筒內壁之間存在間隙，并處于乳化液的潤滑狀態下，因此摩擦力可以忽略不計。綜上所述，活塞桿開始收回的瞬間，距離套會隨著活塞桿一同沿方向 1 運動，進液通暢不受阻，不影響千斤頂的收回動作。

隨著距離套沿方向 1 運動，距離套與導向套之間的縫隙高度δ逐漸增大，B＞＞δ、L＞＞δ是縫隙流動流量方程的前提條件。當前提條件不再滿足后，假設液體為不可壓縮流體并做定常流動，忽略局部壓力損失和勢能差，采用伯努利方程來分析距離套的后續受力狀況。

伯努利方程為

式中：p為某點的壓力；ρ為流體密度；v為該點的速度；h為該點所在的高度；C為常量。

因此，在同一水平狀態下，流速小的地方壓力大，流速大的地方壓力小。距離套與導向套之間的空間小，流速必然大，流過距離套后流速減慢，隨著縫隙逐漸增大，因為縫隙而產生的壓差轉變為因為流速不同而產生的反向壓差。此時距離套沿方向 1 的運動趨勢逐漸停止，由于反向壓差而產生的推力與液體對距離套的摩擦力達到平衡后，距離套停止運動，而活塞桿依舊正常收回。

1.2 下腔進液活塞桿伸出過程

下腔進液活塞桿開始伸出的瞬間，距離套所在的上腔內液體運動狀態與上腔進液時完全相反，如圖 3所示，液體流過距離套從上腔進液口流出，液體作用在距離套內外壁上的摩擦力F1、F2沿方向 3 與液體流動方向相同。此時液體的流動依然滿足伯努利方程，液體流過距離套與導向套之間的空間時流速加快，壓力降低，由于距離套兩側壓差而產生的推力F3方向與方向 3 同向，距離套在F1、F2、F3共同作用下，在活塞桿伸出的瞬間朝上腔進液口方向開始移動，F3隨著距離套與導向套之間空間縮小逐漸增大，距離套運動速度加快并最終與導向套接觸，并在合力的作用下與導向套壓緊在一起，導致該方向回液受阻，千斤頂上腔的液體只能通過距離套與缸筒內壁和導向套之間的縫隙回液，降低了活塞桿伸出的速度，也就出現活塞桿伸出異常緩慢的現象。

圖3 下腔進液距離套狀態Fig.3 State of distance sleeve for liquid entering to lower cavity

綜上所述，距離套與導向套壓緊導致的回液不通暢是造成活塞桿伸出異常緩慢的主要原因，因此對距離套重新設計，在距離套與導向套接觸的一面銑通槽，為回液提供通道，如圖 4 所示。活塞桿伸出的過程中，乳化液經過距離套與活塞桿的間隙后，可以通過通槽流向出液口。將重新加工的距離套裝配后，現場試驗效果良好，解決了活塞桿伸出緩慢的問題。

圖4 重新加工的距離套Fig.4 Re-machined distance sleeve

2 距離套改進方案

重新加工的距離套雖然解決了活塞桿伸出緩慢的問題，但其運動狀態仍不可控，在此基礎上提出了 2種改進方案 (見圖 5)：方案 1，將距離套放在下腔，該方案同樣可以滿足“三機”配套要求的尺寸，并且避免了距離套對千斤頂進液口的干擾；方案 2，對距離套重新設計，縮小了距離套內圓直徑，將導向環放在距離套內壁，使得距離套通過導向環與活塞桿貼合在一起，距離套的外表面與缸筒內壁之間設計有 10 mm 間隙，解決了回液受阻的問題。

圖5 距離套改進方案Fig.5 Optimization scheme of distance sleeve

3 結語

在千斤頂中加裝距離套可以提高液壓支架的適應能力，但如果設計與使用不當，會造成立柱千斤頂的回液不通暢，影響使用效果。結合流體動力學、靜力學理論，對千斤頂運動過程中內部乳化液的運動狀態進行了分析，研究了距離套對乳化液運動的影響，最終提出了 2 種合理的距離套加裝方案，對此類立柱千斤頂的設計工作提供了理論依據。