液压支架小千斤顶缸筒使用冷拔钢管替代热轧管的研究

刘玉亮　黄泉清

摘 要：目前，液压支架的立柱千斤顶缸筒大多采用热轧管加工方式，来料一般为钢管毛坯，需要经过多道工序，加工周期长，严重影响加工效率。本文通过液压支架千斤顶的受力分析和计算，结合冷拔钢管的力学性能，判断各规格的千斤顶缸筒使用冷拔钢管替代热轧管的可行性。

关键词：冷拔钢管;屈服强度;抗拉强度;液压支架千斤顶;缸筒

中图分类号：TD355.4文献标识码：A文章编号：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顶缸筒多是热轧管加工而成的，来料一般为钢管毛坯，需要经过下料—热处理—车两端面—车两端倒角—焊接头—粗镗内壁—精镗内壁—车架窝—车内槽—划线钻孔等工序[1]，流程烦琐，加工周期为35～40 d，严重制约了加工效率。基于此，本文提出一种用冷拔钢管替代热轧管的方案。

1 冷拔钢管力学性能

根据《冷拔异型钢管》（GB/T 3094—2012）的规定，结合厂家提供的冷拔钢管实际数据，人们可以得出，几种常用的冷拔钢管材料进行热处理后，其各项力学性能如表1所示。

2 液压支架千斤顶缸筒力学性能

2.1 液压支架千斤顶缸筒屈服强度的受力分析

下面对液压支架缸筒受力情况进行分析。由于目前主流泵站压力为31.5 MPa，达到额定工作阻力时压力为40 MPa左右，因此按照以上两种压力进行计算，得出各规格缸径的缸筒理论最低屈服强度。缸筒截面如图1所示。图中，[D1]为缸筒内径;[D2]为缸筒外径;[t]为缸筒壁厚;[r]为缸筒内径半径。

2.1.1 额定供液压力。从上述内容可知，主流泵站压力[p1]为31.5 MPa，额定供液压力[p2]为40 MPa。

2.1.2 液体的推力。千斤顶工作中，缸筒中液体的推力计算公式为：

[Fb=A1×p]                               （1）

式中，[Fb]为缸筒中液体的推力;[p]为供液压力;[A1]为供液面积。

参数[A1]的计算公式为：

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

2.1.3 轴向应力。本文仅计算正常工作状态下缸筒截面所受的轴向应力，计算公式为：

[σx=-Fn/A]                            （3）

式中，[σx]为缸筒所受轴向应力。

参数[A]的计算公式为：

[A=π×D22-D12/4]                   （4）

2.1.4 内边缘切向正应力和外边缘切向正应力。内边缘切向正应力和外边缘切向正应力的计算公式为：

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

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

式中，[σym]为缸筒所受内边缘切向正应力;[σyi]为缸筒所受外边缘切向正应力;[r]为缸筒内半径;[t]为缸筒壁厚。

2.1.5 径向正应力。在液压缸所受液体压力的内表面，缸筒所受径向正应力按[σz=p]计算;在液压缸所受液体压力的外表面，缸筒所受径向正应力按[σz=0]计算。其中，[σz]为缸筒所受径向正应力。

2.1.6 合成应力（切向正应力仅计算切应力最大值）。合成应力计算公式为：

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

式中，[σv]为缸筒所受合成应力。

2.1.7 要求材料最低屈服强度。要求的材料最低屈服强度计算公式为（安全系数[n]取2.5）：

[σq=σv×2.5]                                  （8）

式中，[σq]為要求材料的最低屈服强度。

根据液压支架相关设计规范，目前，液压支架千斤顶缸筒规格大多数介于63～230 mm，故本文按照不同规格对该区间内的缸筒进行了受力分析。缸筒屈服强度的受力计算结果如表2所示。

2.2 液压支架千斤顶缸筒抗拉强度的受力分析

由上文可知，缸筒缸径为[D1]，缸筒外圆尺寸为[D2]。

2.2.1 缸筒所受额定拉力。缸筒所受额定拉力计算公式为：

[Fn=A1×p1]                            （9）

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

式中，[Fn]为缸筒所受额定拉力;[A1]为供液面积;[p1]为主流泵站 压力，取值为31.5 MPa。

2.2.2 缸筒环形截面面积。缸筒环形截面面积[A]根据式（4）进行计算。

2.2.3 缸筒单位面积受力。缸筒单位面积受力的计算公式为：

[σt=Fn/A]                            （11）

式中，[σt]为单位面积受力。

2.2.4 理论最低抗拉强度（安全系数[n]取2.5）。理论最低抗拉强度的计算公式为：

[σl=σt×2.5]                    （12）

式中，[σ1]为理论最低抗拉强度。

缸筒理论最低抗拉强度如表3所示。

2.3 液压支架千斤顶缸筒力学性能计算结果

根据《煤矿用液压支架 第2部分：立柱和千斤顶技术条件》（GB 25974.2—2010），结合表2缸筒屈服强度及表3缸筒理论最低抗拉强度的计算结果，人们可以得出，液压支架常用规格千斤顶缸筒的材料性能要求如表4所示。

3 对比分析

根据液压支架千斤顶常用的规格，对表1与表4进行比较，对比各项力学性能，最终得出对照表，如表5所示。

4 结语

对于[Φ]63 mm、[Φ]80 mm、[Φ]100 mm和[Φ]125 mm等液压支架小缸径缸筒，使用材料等级高的冷拔钢管可以满足需要，人们可以使用冷拔钢管替代热轧管，但是对于受力情况特殊的千斤顶（如抬底千斤顶），使用冷拔钢管前应谨慎考虑。

参考文献：

[1]王国法.液压支架技术[M].北京：煤矿工业出版社，1999：80-81.