液压支架用伸缩式两级液压缸设计分析-dai.doc

液压支架用伸缩式两级液压缸设计分析
摘要：双作用伸缩液压缸具有调高范围大，属液压无极调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高，成本高等特点。文章简要分析了液压系统、双级液压缸设计原理、双级液压缸设计特点和关键点设计分析，这一研究对于组合式液压缸的推广具有一定的意义。
关键词：两级液压缸；液压系统；导向套
0 引言
国内外煤矿生产支架上使用的液压缸已经有了许多种类型，轻载，重载。单缸单作用，单缸双作用，多缸单作用，多缸双作用。文中主要设计双作用伸缩液压缸。优点：调高范围大，属液压无极调高，操作方便灵活，但结构复杂，加工要求高。本文基于伸缩式两级液压缸简要的分析了这类液压支架的设计，这一研究对于组合式液压缸的推广具有一定的意义。
1 系统设计分析
1.1 液压系统
图1是一个规范的液压系统，其构成要素是：动力元件——液压泵或送风装置，其作用是把原动力输入机械能转变为流体压力，使其可以为系统提供能能源；执行元件-——液压缸或气缸、液压马达或压缩空气发动机，其作是把流体压力能转化为机械能，输出力和速度或力矩和转速)，驱动负载做直线运动或旋转运动；控制元件——压力、流量和方向操控阀，效用是操纵和调整系统在流体压力、流量和流动的方向，以确保执行组件达到所需的输出力(或力矩)，移动速度和运动轨迹；辅助元素，确保系统正常运行所需要的辅助装置，包括管道、管街头、油罐或存储柜、过滤器皿和压力计；工作介质——液压油。

图1 典型的液压系统
1.2 双级液压缸设计原理
液压缸是将液压能转换为机械能的装置，驱动运行机制做来回式线性(或摆动)运动的液压执动器，根据作用方式分有单、双式，双作用式代表两腔都可以进出压力油，活塞(缸体)可以有正反两个相对方向的运动。采用的组合液压缸，即伸缩筒是由两个阶段或多个阶段的活塞缸套装而成，也叫做多阶段缸体。伸出的顺序是：由大到小，推力则从大到小，速度从慢到快;缩回的顺序是：从小大、速度从快至慢。双伸缩类型的立柱工作机理，图2所示，立柱上升时高压液柱从液嘴A注入立柱，液嘴B和C连接回液通道，在立柱上升的时候，该过程分为两个部分，第一部分是活柱伸出而且只能将活柱下端完全伸出，第二部分柱内部止回阀打开才能让活柱的上端伸出。降柱的过程中，高压液体从B和C嘴输入，打开液嘴A连接回液管道。降柱过程也分为两个阶段完成。第一阶段是在下活柱缩回缸体内的情况下，上活柱不会下缩原于柱内单阀侧处于闭锁状态，但是当下活柱完全缩回时，单向阀的内部芯片的顶杆将会与缸体凸台相撞导致单向阀打开，上活柱下腔可以倒回液体，因此上活柱缩回。系统运行时，顶板对上活柱的压力会由上活柱下端被闭锁的液体承担并转移给下活柱，这时上下活柱所承受的压力是一致的。换言之，这种立柱的别名是等负载双伸缩立柱。当下活柱内的液体达到安全阀不能承担的压力时，安全阀自动打开，下活柱退回原来位置，当下活柱完全缩入缸体中，只有上活柱承单压力时，顶板的作用力又会使上活柱退回原位。

图2 双伸缩式立柱液压缸
1.3 双级液压缸设计特点
双液压缸立柱由于下活柱的伸缩顺序一致，上活柱顺序相反。在煤层变化微小，上活柱的伸缩长度是相同的。所以上活柱等价于立柱的液压加长杆。因为活柱的长度可随意调整，比单一的伸缩立柱控制机械加长杆灵活，所以当前的应用越来越多广泛，但是，事实上它的价格相对比较高。因为等负载双伸缩支柱的上下活柱活塞面积不一样，所以在一个泵站的工作基础下，上下活柱伸出的最大的支撑顶板的初撑力，下活柱相对较大。所以，在煤层厚度改变较明显的情况下，上活柱伸出长度随着改变，导致初撑力变小，阻碍了板屋顶维修。此外，在承担压力时，由于相同的负载条件，上活柱下端的压力会超过下活柱下端的压力，假如压力过大，，会导致下活柱在巨大的压力下膨胀变形的后果，干扰到下活柱的正常作用，甚至造成导向套和立柱啮合。因此，在煤层厚度改变较大时或波及到地压大煤层，使用这样的等负载立柱要谨慎小心。
1.4 关键点设计分析
以下主要就双极液压缸设计的支撑和导向套进行分析。
（一）支架承载过程
支架的支撑经过是指支架与顶板的相互作用力起作用的过程，包括初撑，承载增阻和恒阻三道程序。详见图3所示：第一道程序——在支架上升的阶段中，当支架的顶板碰到顶梁，直到立柱下端的液体作用力强度慢慢增加到泵站工作强度时，停止供应液体，液控单向阀迅速合闭；第二道程序——支架初撑完成后，随着顶板的下降，随着立柱下端的液体作用力逐渐增加，支架对顶板的支撑力也随之增加，出现增阻的现象；第三道程序 ——伴着顶板作用力的逐渐变大，立柱下端的液体作用力越来越大，当增加到安全阀的既定压力时，安全阀自动打开阀门，流出液体，使得立柱表面降低，液体的作用力也慢慢减少。当降到安全阀的既定压力时，安全阀不受人工控制的关闭，阻止液体继续流出。

图3 支架的承载过程
（二）导向套设计
引导套在活塞重复往返的移动过程中有着指导支持的功能，导向套的效能的高低对液压缸的作用有很大的控制力。设计应符合要求的最低指南长度和隔环长度的确定，当所有的活塞杆都伸出时，从活塞支持点对引导套滑动表面中间位置的距离称为最小距离H，如图4所示

图4 导向长度图
2 小结
设计分析的液压支架，特点是调高范围大，移架速度快，工作面产量高；支架的使用寿命长等。在实际进行应用分析还应更为详细进行一、二级活塞缸以及各部分参数的确定，才能获得更为全面的设计效果。
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