带有距离套的立柱千斤顶的设计

霍州煤电集团鑫钜煤机装备制造有限责任公司 山西霍州 031412

液 压支架作为综采工作面机械化开采设备的重要组成部分，占整个工作面设备投资的 2/3。随着我国综采技术的不断进步，液压支架的设计工作也进一步完善，但总体偏重于架型和结构的研究，近年来，虽然立柱与各种实现不同功能的千斤顶作为液压支架的核心部分已经趋于标准化、系列化，但是在一些细节方面还需不断完善。笔者以液压支架中一种比较特殊的带有距离套的立柱千斤顶的设计为例，基于流体动力学理论，对距离套的使用过程进行了分析，希望对此类立柱千斤顶的设计工作提供理论依据。

1 距离套在立柱千斤顶中的应用

ZY6000-14-32Ⅲ 型掩护式液压支架应用于霍州煤电集团辛置矿 10#-428 工作面，由于新旧设备更替，新采购的滚筒式采煤机截深比原采煤机小 200 mm，ZY6000-14-32Ⅲ 型掩护式液压支架出井大修后将重新用于该工作面，工作面“三机”配套之后与原尺寸出现 200 mm 的差距。设计人员在对液压支架结构分析后，决定采用添加距离套的方案改造原推移千斤顶[1]。该方案具有不需要改造原有支架，可以适应新旧 2 种不同的型号的采煤机优点。原“三机”配套方案中，液压支架的推移千斤顶行程与原采煤机截深相匹配，新采煤机的截深减少了 200 mm，相应的液压支架千斤顶行程也需要减少 200 mm，在千斤顶内部添加长度为 200 mm 的距离套可以减少千斤顶行程，理论上是可行的，如图 1 所示。但是在千斤顶改造后试验过程中，出现了活塞杆伸出缓慢现象。通过对千斤顶运动过程的分析，结合流体动力学与静力学理论[2-3]，发现了该方案存在的问题。

图1 带有距离套的推移千斤顶Fig.1 Moving jack with distance sleeve

活塞杆第 1 次伸出与收回过程都正常，但是从第2 次开始，大部分千斤顶的活塞杆收回过程正常，伸出过程开始出现异常缓慢的现象，这表明距离套并没有按照设计之初设想的那样随活塞运动，而是堵在了千斤顶上腔的进液口处。笔者从上腔进液和下腔进液2 个方向对距离套的受力及运动状态进行分析。

1.1 上腔进液活塞杆收回状态

此时距离套与导向套压紧在一起，推移千斤顶工作状态时与水平面夹角约为 6°。如图 2 所示，当上腔液体压力未达到千斤顶的工作压力时，上腔内液体处于静止状态，压力处处相等；随着液体压力逐渐升高达到工作压力，千斤顶内开始出现液体流动。从图 2 可以看出，乳化液进入千斤顶上腔后分为 2 个方向流动：方向 1 沿着缸筒内壁与距离套之间的缝隙流向活塞，此空间内由于存在 2 道聚氨酯导向环，致使液体流通面积大大降低，属于缝隙流动中的圆环缝隙流动[4]；方向 2 则通过距离套与导向套之间的缝隙流向活塞杆，属于缝隙流动中的平行平板缝隙流动。2个方向的液体流动过程中沿流程克服摩擦阻力做功和克服过流端面突变都会造成能量损失，产生局部压力损失 Δp。

图2 上腔进液距离套状态Fig.2 State of distance sleeve for liquid entering to upper cavity

根据平板缝隙流动流量方程

可以求得压力损失

式中：q为流量；B为在圆环缝隙流动状态下缝隙沿流向宽度；δ为缝隙高度；μ为流体动力黏度；L为缝隙沿流向长度；d为圆环内壁直径。

由式 (1) 可以看出，在q、μ、L、B不变的情况下，压差与缝隙高度成反比。

假设液体从进液口进入腔体时压力为p，方向 1中缝隙高度维持不变，液体在缝隙中间呈层流状态，因为流体内部黏度的原因，会对距离套施加与方向 1同向的摩擦力F1[5]，液体作用在距离套外表面上的压力方向指向距离套中心线方向，对距离套的运动没有影响；方向 2 中的液体流过距离套与导向套的间隙，产生作用在距离套右侧面的压力p1，液体流过距离套内表面时对距离套施加与方向 1 同向的摩擦力F2；由于沿程和局部的压力损失，液体流过距离套后压力必然会降低，在距离套左右两侧形成压力差，从而产生一个与方向 1 同向的推力F3。距离套在F1、F2、F3共同作用下有运动的趋势，只需要克服距离套与缸筒内壁的摩擦力即可运动。根据图纸要求，缸筒内壁粗糙度级别在Ra0.4 以上，距离套上装配的导向环只起导向作用，与缸筒内壁之间存在间隙，并处于乳化液的润滑状态下，因此摩擦力可以忽略不计。综上所述，活塞杆开始收回的瞬间，距离套会随着活塞杆一同沿方向 1 运动，进液通畅不受阻，不影响千斤顶的收回动作。

随着距离套沿方向 1 运动，距离套与导向套之间的缝隙高度δ逐渐增大，B＞＞δ、L＞＞δ是缝隙流动流量方程的前提条件。当前提条件不再满足后，假设液体为不可压缩流体并做定常流动，忽略局部压力损失和势能差，采用伯努利方程来分析距离套的后续受力状况。

伯努利方程为

式中：p为某点的压力；ρ为流体密度；v为该点的速度；h为该点所在的高度；C为常量。

因此，在同一水平状态下，流速小的地方压力大，流速大的地方压力小。距离套与导向套之间的空间小，流速必然大，流过距离套后流速减慢，随着缝隙逐渐增大，因为缝隙而产生的压差转变为因为流速不同而产生的反向压差。此时距离套沿方向 1 的运动趋势逐渐停止，由于反向压差而产生的推力与液体对距离套的摩擦力达到平衡后，距离套停止运动，而活塞杆依旧正常收回。

1.2 下腔进液活塞杆伸出过程

下腔进液活塞杆开始伸出的瞬间，距离套所在的上腔内液体运动状态与上腔进液时完全相反，如图 3所示，液体流过距离套从上腔进液口流出，液体作用在距离套内外壁上的摩擦力F1、F2沿方向 3 与液体流动方向相同。此时液体的流动依然满足伯努利方程，液体流过距离套与导向套之间的空间时流速加快，压力降低，由于距离套两侧压差而产生的推力F3方向与方向 3 同向，距离套在F1、F2、F3共同作用下，在活塞杆伸出的瞬间朝上腔进液口方向开始移动，F3随着距离套与导向套之间空间缩小逐渐增大，距离套运动速度加快并最终与导向套接触，并在合力的作用下与导向套压紧在一起，导致该方向回液受阻，千斤顶上腔的液体只能通过距离套与缸筒内壁和导向套之间的缝隙回液，降低了活塞杆伸出的速度，也就出现活塞杆伸出异常缓慢的现象。

图3 下腔进液距离套状态Fig.3 State of distance sleeve for liquid entering to lower cavity

综上所述，距离套与导向套压紧导致的回液不通畅是造成活塞杆伸出异常缓慢的主要原因，因此对距离套重新设计，在距离套与导向套接触的一面铣通槽，为回液提供通道，如图 4 所示。活塞杆伸出的过程中，乳化液经过距离套与活塞杆的间隙后，可以通过通槽流向出液口。将重新加工的距离套装配后，现场试验效果良好，解决了活塞杆伸出缓慢的问题。

图4 重新加工的距离套Fig.4 Re-machined distance sleeve

2 距离套改进方案

重新加工的距离套虽然解决了活塞杆伸出缓慢的问题，但其运动状态仍不可控，在此基础上提出了 2种改进方案 (见图 5)：方案 1，将距离套放在下腔，该方案同样可以满足“三机”配套要求的尺寸，并且避免了距离套对千斤顶进液口的干扰；方案 2，对距离套重新设计，缩小了距离套内圆直径，将导向环放在距离套内壁，使得距离套通过导向环与活塞杆贴合在一起，距离套的外表面与缸筒内壁之间设计有 10 mm 间隙，解决了回液受阻的问题。

图5 距离套改进方案Fig.5 Optimization scheme of distance sleeve

3 结语

在千斤顶中加装距离套可以提高液压支架的适应能力，但如果设计与使用不当，会造成立柱千斤顶的回液不通畅，影响使用效果。结合流体动力学、静力学理论，对千斤顶运动过程中内部乳化液的运动状态进行了分析，研究了距离套对乳化液运动的影响，最终提出了 2 种合理的距离套加装方案，对此类立柱千斤顶的设计工作提供了理论依据。