液压支架关键构件立柱的设计及稳定性校核

[摘 要]本文在概述液压支架的结构及工作原理的基础上，重点对液压支架的主要构件立柱进行了分析。对液压支架中立柱的布置及设计过程进行了分析，并通过实例对其基础参数和性能参数进行了相应的设计计算，最后对立柱的强度及稳定性校核方法进行了说明，为相关问题进一步的分析研究奠定了基础。

[关键词]液压支架；立柱；基础参数；性能参数；强度；稳定性

中图分类号：TD35 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）01-0024-01

0 引言

为防止顶板冒落，在采煤过程中，液压支架用于保证工作人员的作业安全。液压支架与采煤机和输送机组成了机械化的采煤设备，是提高采煤效率、降低生产成本及保证人员安全的有效措施，因此液压支架合理的设计在采煤作业有着重要的作用[1，2]。

液压支架的主要包括机械部分和液压部分，通过液压控制液压缸的运动，实现液压支架的升降、移架和推移输送。在液压支架的组成中，立柱用于承受载荷，支撑顶梁，并起着调整液压支架的高度的作用。在液压支架工作过程中，立柱的数量较少，而工作压力较大，因此，液压支架中立柱的设计对液压支架的整体性能有着重要的影响[3，4]，文中主要对立柱进行设计并对其稳定性校核进行分析。

1.立柱的布置及尺寸的确定

该液压支架采用单伸缩立柱，立柱数目为4。立柱间距指支撑式和支撑掩护式支架而言即前、后柱的间距。立柱间距的选择原则为：有利于操作、行人和部件合理布置。本支架立柱间距选0.87。对于支撑掩护式支架，前柱窝一般近似在顶梁后部三分之二处，而下柱窝的位置根据立柱的角度来确定，一般立柱与底座垂线的夹角α角要小于11°，其具置如图1所示。

在设计时，我们选择泵站的工作压力为31.5MPa，立柱的数目为4，理论上支架承受的总载荷为10000KN，安全阀可调整的压力为40MPa，额定工作压力为36.1MPa，立柱与底座垂线的最大夹角α为11°。采用以上数据为例对液压支架立柱的设计做系统的分析。

1.1 立柱的尺寸

立柱采用单伸缩液压缸时，缸体内径为：

（1）

式中：F为理论上支架承受的总载荷力；n为支架中采用立柱的数目；Pa为安全阀的调整压力；α为立柱与垂直线的最大夹角。

那么通过计算求得D的值为284.8mm，通过查询机械设计手册选择立柱的缸体内径D为300mm，立柱的柱径为290mm。

那么立柱缸筒内的压力可计算为：

MPa （2）

其中D根据上述缸体内径的计算求得。通过上述的计算可选取缸筒的材料为27SiMn无缝钢管，其屈服极限σs为835N/mm2。安全系数为2时，那么此材料的许用应力为[σ]=σs/2，即417N/mm2。

那么缸筒的内壁厚度可由以公式（3）计算求得：

（3）

将上述计算求得的许用应力[σ]、立柱缸筒内压力机缸体内径D代入式（3）得δ=11.7mm。考虑在立柱的液压缸内需要安装导向套，因此选取缸筒内壁厚度为δ=25mm。

1.2 立柱的初撑力及工作阻力计算

立柱的初撑力p1及工作阻力p2分别按公式（4）及公式（5）进行计算，式中Pb为泵站的工作压力，Pc为安全阀的额定工作压力：

（4）

（5）

2 立柱强度和稳定性验算

2.1 立柱缸体强度验算

缸筒是立柱的主要零件之一，由于立柱长期承受高压，要求缸筒本身具有足够的强度能够保持很好的性能。在对缸筒设计时，应当满足一定的强度和变形条件。对于缸筒壁厚的设计，应使得工作的额定压力Pn小于一定的极限值。即满足条件：

（MPa） （6）

式中D1为缸筒外径尺寸。

同时为了避免塑性变形的发生，也应当满足以下条件：

（7）

2.2 立柱的稳定性验算

油缸的稳定性条件：

（8）

式中PK1为油缸稳定的极限力；Pm为油缸最大工作阻力，根据实际工作情况确定；J1为活塞杆断面惯性矩。的数值根据《液压传动设计手册》中极限力计算得到。

3.小结

文中对液压支架的主要组成结构进行了介绍，并重点对液压支架的立柱进行了分析。文中对液压支架的立柱布置方式进行了简要的分析，并通过实例对立柱的基本参数和受力情况进行了相应的分析，并对立柱的强度及稳定性校核方法进行了说明，为相关问题的分析奠定了基础。

参考文献

[1] 赵宏珠，宋秋爽.特大采高液压支架发展与研究[J].采矿与安全工程学报，2007，24（3）：265-269.

[2] 张银亮.国产大采高液压支架的研究现状与发展趋势[J].煤矿开采，2008，（6）：1-3.

[3] 舒凤翔，闫海峰，张幸福.液压支架立柱试验台液压系统的设计及仿真[J].煤矿机械，2009，30（12）：29-31.

[4] 刘欣科.一种新型液压支架立柱设计与研究[J].煤矿开采，2013（4）：47-49.

作者简介

乔武生（1973-），男，内蒙古鄂尔多斯人，现任榆林神华能源有限责任公司副矿长；研究方向采矿工程；联系地址：榆林神华能源有限责任公司；联系电话：18291217500；邮编：719300；Email：。