液壓支架小千斤頂缸筒使用冷拔鋼管替代熱軋管的研究

劉玉亮　黃泉清

摘 要：目前，液壓支架的立柱千斤頂缸筒大多采用熱軋管加工方式，來料一般為鋼管毛坯，需要經過多道工序，加工周期長，嚴重影響加工效率。本文通過液壓支架千斤頂的受力分析和計算，結合冷拔鋼管的力學性能，判斷各規格的千斤頂缸筒使用冷拔鋼管替代熱軋管的可行性。

關鍵詞：冷拔鋼管;屈服強度;抗拉強度;液壓支架千斤頂;缸筒

中圖分類號：TD355.4文獻標識碼：A文章編號：1003-5168（2021）06-0078-03

Research on Replacing Hot-rolled pipes with Cold-drawn Steel Pipes

in the Cylinder Tube of Small Jack for Hydraulic Support

LIU Yuliang HUANG Quanqing

（Zhengzhou Suda Industrial Machinery Service Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450000）

Abstract： At present， most of the column jack cylinder tubes of hydraulic supports are processed by hot-rolled pipes， and incoming materials are generally steel pipe blanks， which need to go through multiple procedures， and the processing cycle is long， which seriously affects the processing efficiency. Based on the force analysis and calculation of the hydraulic support jack， combined with the mechanical properties of cold-drawn steel pipes， this paper judged the feasibility of using cold-drawn steel pipes instead of hot-rolled pipes for jack cylinder tubes of various specifications.

Keywords： cold-drawn steel pipe;yield strength;tensile strength;hydraulic support jack;cylinder tube

液壓支架的立柱千斤頂缸筒多是熱軋管加工而成的，來料一般為鋼管毛坯，需要經過下料—熱處理—車兩端面—車兩端倒角—焊接頭—粗鏜內壁—精鏜內壁—車架窩—車內槽—劃線鉆孔等工序[1]，流程煩瑣，加工周期為35～40 d，嚴重制約了加工效率。基于此，本文提出一種用冷拔鋼管替代熱軋管的方案。

1 冷拔鋼管力學性能

根據《冷拔異型鋼管》（GB/T 3094—2012）的規定，結合廠家提供的冷拔鋼管實際數據，人們可以得出，幾種常用的冷拔鋼管材料進行熱處理后，其各項力學性能如表1所示。

2 液壓支架千斤頂缸筒力學性能

2.1 液壓支架千斤頂缸筒屈服強度的受力分析

下面對液壓支架缸筒受力情況進行分析。由于目前主流泵站壓力為31.5 MPa，達到額定工作阻力時壓力為40 MPa左右，因此按照以上兩種壓力進行計算，得出各規格缸徑的缸筒理論最低屈服強度。缸筒截面如圖1所示。圖中，[D1]為缸筒內徑;[D2]為缸筒外徑;[t]為缸筒壁厚;[r]為缸筒內徑半徑。

2.1.1 額定供液壓力。從上述內容可知，主流泵站壓力[p1]為31.5 MPa，額定供液壓力[p2]為40 MPa。

2.1.2 液體的推力。千斤頂工作中，缸筒中液體的推力計算公式為：

[Fb=A1×p]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（1）

式中，[Fb]為缸筒中液體的推力;[p]為供液壓力;[A1]為供液面積。

參數[A1]的計算公式為：

[A1=π×D12/4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （2）

2.1.3 軸向應力。本文僅計算正常工作狀態下缸筒截面所受的軸向應力，計算公式為：

[σx=-Fn/A]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （3）

式中，[σx]為缸筒所受軸向應力。

參數[A]的計算公式為：

[A=π×D22-D12/4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

2.1.4 內邊緣切向正應力和外邊緣切向正應力。內邊緣切向正應力和外邊緣切向正應力的計算公式為：

[σym=-p×rt1+t2r+t/2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（5）

[σyi=-p×rt1-t2r+t/2]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（6）

式中，[σym]為缸筒所受內邊緣切向正應力;[σyi]為缸筒所受外邊緣切向正應力;[r]為缸筒內半徑;[t]為缸筒壁厚。

2.1.5 徑向正應力。在液壓缸所受液體壓力的內表面，缸筒所受徑向正應力按[σz=p]計算;在液壓缸所受液體壓力的外表面，缸筒所受徑向正應力按[σz=0]計算。其中，[σz]為缸筒所受徑向正應力。

2.1.6 合成應力（切向正應力僅計算切應力最大值）。合成應力計算公式為：

[σv=12×σx-σy2+σy-σz2+σx-σz2]? ? ? ? ?（7）

式中，[σv]為缸筒所受合成應力。

2.1.7 要求材料最低屈服強度。要求的材料最低屈服強度計算公式為（安全系數[n]取2.5）：

[σq=σv×2.5]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

式中，[σq]為要求材料的最低屈服強度。

根據液壓支架相關設計規范，目前，液壓支架千斤頂缸筒規格大多數介于63～230 mm，故本文按照不同規格對該區間內的缸筒進行了受力分析。缸筒屈服強度的受力計算結果如表2所示。

2.2 液壓支架千斤頂缸筒抗拉強度的受力分析

由上文可知，缸筒缸徑為[D1]，缸筒外圓尺寸為[D2]。

2.2.1 缸筒所受額定拉力。缸筒所受額定拉力計算公式為：

[Fn=A1×p1]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （9）

[A1=π×D12/4]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（10）

式中，[Fn]為缸筒所受額定拉力;[A1]為供液面積;[p1]為主流泵站 壓力，取值為31.5 MPa。

2.2.2 缸筒環形截面面積。缸筒環形截面面積[A]根據式（4）進行計算。

2.2.3 缸筒單位面積受力。缸筒單位面積受力的計算公式為：

[σt=Fn/A]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （11）

式中，[σt]為單位面積受力。

2.2.4 理論最低抗拉強度（安全系數[n]取2.5）。理論最低抗拉強度的計算公式為：

[σl=σt×2.5]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （12）

式中，[σ1]為理論最低抗拉強度。

缸筒理論最低抗拉強度如表3所示。

2.3 液壓支架千斤頂缸筒力學性能計算結果

根據《煤礦用液壓支架 第2部分：立柱和千斤頂技術條件》（GB 25974.2—2010），結合表2缸筒屈服強度及表3缸筒理論最低抗拉強度的計算結果，人們可以得出，液壓支架常用規格千斤頂缸筒的材料性能要求如表4所示。

3 對比分析

根據液壓支架千斤頂常用的規格，對表1與表4進行比較，對比各項力學性能，最終得出對照表，如表5所示。

4 結語

對于[Φ]63 mm、[Φ]80 mm、[Φ]100 mm和[Φ]125 mm等液壓支架小缸徑缸筒，使用材料等級高的冷拔鋼管可以滿足需要，人們可以使用冷拔鋼管替代熱軋管，但是對于受力情況特殊的千斤頂（如抬底千斤頂），使用冷拔鋼管前應謹慎考慮。

參考文獻：

[1]王國法.液壓支架技術[M].北京：煤礦工業出版社，1999：80-81.