φ500 mm缸径立柱二级缸筒的可靠性分析

2013-06-02王万法宋嘉

机床与液压 2013年20期

王万法，宋嘉

(1.万通液压机械有限公司，山东日照 262313；2.山东科技大学，山东青岛 266510)

φ500 mm缸径立柱应用于7 m大采高掩护式液压支架，该液压支架的设计要求是:最大高度7 m，工作阻力16 800 kN，支护强度应不低于1.4 MPa。这样支护高度和高工作阻力的液压支架，大立柱参数及结构的合理选取，是保证液压支架在井下能够正常工作的重要条件［1］。

φ500 mm缸径立柱的一级缸筒 (外缸筒)和二级缸筒 (内缸筒)是立柱的关键部件，其安全强度决定了立柱的可靠性，从而也决定了掩护式液压支架的支护质量。作者从大缸径立柱的研制出发，介绍了大缸径立柱的结构特点和在掩护式液压支架中的应用，分析了双伸缩立柱等负载下，活塞腔内工作压力的特点，确立了缸筒工作压力和采用大流量安全阀的理论依据;利用MATLAB编程，实现了变参数下缸筒验算、压力极限值和爆破压力计算过程;应用ANSYS对缸筒变形量进行了有限元分析。

1 立柱工作原理

掩护式液压支架在升柱时，高压液进入立柱下腔，立柱的二级缸带着活塞杆一起升起，当二级缸到位后，压力升高，打开二级缸缸筒底部的单向阀，液体进入二级缸体活塞腔，推动活塞杆升起，使液压支架顶梁接触顶板，立柱下腔和二级缸筒内压力加大;当增加到乳化液泵站工作压力时，乳化液泵站自动卸载，液压支架的液控单向阀关闭，立柱下腔压力达到初撑力。液压支架初撑力的大小取决于泵站的工作压力、立柱缸径和立柱的数量。合理的初撑力是防止直接顶过早地因下沉而离层、减缓顶板下沉速度、增加其稳定性和保证安全生产的关键。一般采用提高泵站工作压力的办法来提高初撑力，以免立柱的缸径过大。立柱结构图见图1。

图1 立柱结构图

假设立柱承受的负载力为F，一级缸筒的缸内径为D，外径DW，二级缸筒的缸外径为DW1，内径为D1(D＞D1)，p为二级缸筒外伸时一级缸活塞腔的工作压力，p1为活塞杆外伸时二级缸缸筒活塞腔的工作压力，立柱回油路较短，且直接回油箱，背压力忽略不计。当高压液压油从油口进入立柱一级缸活塞腔时，此时一级缸活塞受到的液压力为:

高压乳化液推动立柱活柱 (二级缸筒+活塞杆)向外伸出，当二级缸筒伸出到位后，压力升高，打开二级缸体上的底阀，继续向立柱二级缸活塞腔注液，此时二级缸活塞腔的工作压力变为p1(p1＞p)，底阀被打开，此时活塞杆活塞受到的液压力为:

式中:D为一级缸缸筒内径，D=0.5 m;

D1为二级缸缸筒内径，D1=0.38 m。此时活塞杆向外伸出。当立柱支撑顶板时，承受相等的载荷，此时，F=F1，由式 (1)和式 (2)得:

代入数值得:

液压支架初撑后，随着顶板压力继续增加，使立柱下腔压力超过液压支架1立柱的安全阀压力调定值时，安全阀打开而溢流，立柱下缩，使顶板压力减小，立柱下腔压力降低，当低于安全阀压力调整之后，安全阀停止溢流，这样在安全阀调定压力的限制下，压力曲线随时间呈波浪形变化，此阶段为恒阻阶段。此时液压支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它由液压支架立柱安全阀的调定压力决定。掩护式液压支架单个立柱的工作阻力为:

式中:pa为液压支架安全阀的调定压力 (Pa)。这里Fa=8 400 kN。

在恒阻阶段，一级缸筒和二级缸筒活塞腔承受相等的支撑载荷，也就是二者承受同样大小的载荷:F=F1=Fa，由此得二级缸活塞腔的压力为:

对式 (4)和式 (5)利用MATLAB编制计算程序如下:

运行上述程序，得:

一级缸安全阀调定压力 (MPa):

pa=42.7808

请输入安全阀的调定压力 (MPa)=42

二级缸活塞腔内压力 (MPa):72.7146

在恒阻阶段，二级缸活塞腔的压力是一级缸活塞腔压力的1.731 3倍。当受到冲击时，由于立柱安全阀排液受到限制，二级缸活塞腔的压力还要高。由于压力太高，二级缸缸筒在高压下要膨胀变形，直径加大，因而在降柱时，会造成立柱与导向套之间的附加阻力，轻则导向套塑料衬环表面被破坏，重则导向套与立柱咬死，甚至导向套被挤裂破坏。为了防止液压支架或立柱损坏，在冲击地压大的工作面，液压支架立柱上需要安装两个大流量安全阀［2-3］。