液压支柱结构件的设计分析

液压支柱结构件的设计分析

刘开均

摘要：目前单体液压支柱存在的主要问题是空载升柱速度较慢，支护工作效率

较低。针对这一问题，本文设计了一种具有空心柱塞结构的高效单体液压支

柱，并对其关键部分进行规范设计，高效单体液壬支柱的活柱及柱塞强度满足

要求，整体稳定性好，升柱速度比原支柱快一倍以上。

关键词：高效单体液压支柱设计强度升柱速度

0引言

外注式单体液压支柱的工作原理是利用高压乳化液推动液压支柱的伸长及提供

支护承载力，是煤矿井下广泛使用的支护设备。外注式单体液压支柱主要包括

缸体、活柱、活塞、三用阀等部件。注液枪将乳化液泵内的乳化液通过三尺阀

打入液压支柱缸体内，推动活柱及活塞工作。井下大量使用的现有单体液压支

柱普遍存在的问题是空载升柱速度太慢。针对这一缺陷，本文提出了一种高效

单体液压支柱结构，升柱速度比原结构支柱快一倍以上，结构稳定性好，满足

强度及刚度要求。

1.高效单体液压支柱结构组成及工作原理

如图1所示。高效单体液压支柱主要包括：手把、三用阀、活柱、通气阀、缸

体、柱塞、弹簧、单向阀等部分。

空心柱塞7安装在活柱3腔内，活柱3与缸体6组成活塞缸结构，活柱3与空

心活柱7形成柱塞缸结构。因此，空心柱塞7将活塞腔分隔成其内部活塞腔A

外部活塞腔B,单向阀10和11将A、B两腔连通。在空行程阶段，通过阀体

控制，乳化液进入活塞腔A内，在活柱3与空心活柱7形成的柱塞缸内发生作

用，活柱7快速上升，活塞腔B的体积增大，此时，B腔通过单向阀12从油箱

（C腔）吸取同样体积的乳化液。当支柱上升到与顶板接触后，支柱液压系

统系统压力升高，压力油通过单向阀11进入活塞腔B,塞腔A和塞腔B联

通，在两腔压力油的共同作用下提供稳定的支撑力。

2.设计过程

2.1.设计参数

根据MT112.1《矿用包体液压支柱》的相关规定，选取本次设计的高效单体液

压支柱的主要设计参数。额定工作阻力：250kN；额定工作压力：31.8MPa；初

撑力157kN；泵站压力：20MPa；最大高度：2500nim；最小高度：1500mm；行

程：1000mmo

2.2缸体的设计

缸体主要承受其内部乳化液的压力及导向件的摩猿力，因此选用材料要需要充

分考虑材料的抗疲劳性能及耐磨能力。目前常选用27SiMn热轧无缝钢管作为

缸体材料。活柱提供的支撑力与缸体内经有直接关系。缸体内径计算公式为:

将数值带入上式，并根据中等壁厚计算公式3.2nin<p>

2.3活柱的设计

⑴活柱直径

活柱属于空心结构，类似于厚壁缸体，活柱受到顶板的压力及偏载力，同时受

到内腔柱塞的摩擦力。因此，活柱的受力形式比较复杂，同时受到压应力、弯

曲应力及摩擦力的作出。。经过计算取活柱外径90mm,内径70mm0材料选用

27SiMn热轧无缝钢管。

⑵活柱强度校核

活柱属于杆件结构，当沿轴向受到的压力没有超过极限时，受力形式包含受到

弯曲应力和压缩力的作用。由于伸缩行程较大，活柱与导向套之间存在间隙，

如果活柱刚性不足，活柱伸缩时容易刮缸。计算得活柱的初始扰度yl二

1.95mm。由于支柱的最大高度与活柱内经的比值为2500/90>5,可得到活柱的

综合应力为140.9MPa«小于许用应力.强度满要求°

⑶空心柱塞

活柱结构尺寸设计完成后可进行对应的空心柱塞的结构设计。同时，工作时空

心柱塞内外均为高压液体，可彼此抵消一部分，结构设计时仅考虑工艺要求及

空间尺寸，不需要强度校核。空心柱塞外径设计为70nlm,内径为60nm1。

3稳定性分析

单体液压支柱主要作用是为回采工作面顶板、综采工作面端头提供支护力，也

可用于其他方面的临时支护。为了改善单体液压支柱的受力状态，通常在立柱

顶部采用球形较盖在底部采用弧面底座，两段可视较链结构，支柱整体可认为

只承受轴向力，符合二力杆的受力特征。活柱全部伸出时最大绕度点位置为：

将支柱的额定工作阻力F=250kN及其余数值带入上式，可得到最大绕度点位置

X=1670nlm大于支柱顶端与活柱下端面之间的间距属于不等截面阶梯杆。

对应得极限应力Fk为：

将形状系数k=0.8及其余数值带入上式，可得到支柱不稳定的极限应力Fk为

666KNo安全系数Fk/F=2.7,满足稳定性要求。

4.升柱速度

活柱的升柱速度与流量和截面积有关。原结构支柱的开柱速度为：

高效单体液压支柱的升柱速度为：

两式相比可得到V2=2V1,高效单体液压支柱的升柱速度为原结构液压支柱升柱

速度的两倍。

5.结论

单体液压支柱在煤矿井下发挥着重要的支护作用，其升降速度的快慢与井下防

护工作的效率有密切关系。针对原结构单体液压支柱升柱速度较慢的问题，本

文设计了具有特殊空心柱塞结构的高效单体液压支柱。该结构强度及刚度均满

足要求。支柱的升柱速度是原结构的两倍，可显著提高支柱的支护效率。

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