液压千斤顶缸简壁厚的计算及设计研究

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The Calculation and Design of WaⅡThicknes for Hydraulic Jack CyhnderLV Jing-xia，BI Bao-ping，ZHANG De-$hart(Shanxi Pingyang Industry Machinery Co.，Ltd.，Houma 043003，China)Abstract：This paper introduces the key element supports，configuratiottype and working theories of jack machine，and takes the forceand reliability analysis.Th rough the examples，describes the selecting method of design procedure and safety factor for wal thickness ofcylinder，it can provides the efective design scheme for suppoand jack machine designing。

Key words： cylinder design； intensity； stifnessO 时代背景立柱和支撑千斤顶是液压支架的关键元器件.其性能直接关系到液压支架的支撑能力和可靠性.直接影响综采工作面的安全和生产效率 随着采煤工业技术的快速发展.对液压支架的要求越来越高。具体表现在采高越来越大 .工作阻力不断攀升.寿命要求大幅度提高，从而产生了高端液压支架。高端液压支架上的立柱和千斤顶是液压支架发展的核心技术之-：从技术层面上看.大工作阻力、高可靠性能将是立柱和千斤顶研制的主攻方向↑年来.立柱和千斤顶不断出现新的结构类型和先进的结构型式.并且在分析方法和研究手段都有进-步的发展1 立柱、千斤顶的结构和工作原理立柱、千斤顶的结构：考虑立柱、千斤顶工作可靠性，我们以双伸缩双作用立柱(见图 1)为例介绍立柱、千斤顶的结构；立柱的结构-般含有：活柱、中缸筒、外缸筒及大、小导向套等立柱的工作原理：双伸缩双作用的立柱结构是通过中缸筒、外缸筒的上、下腔和活柱的下腔实现双作用的：中缸活塞的下部安装底阀.控制着立柱的伸缩顺序收稿日期：2013-01-04作者简介：吕晶霞(1959-)，女，辽宁黑山人，工程师，大专，主要从事产品设计、工艺设计、标准化等技术管理工作。

20并保证立柱在整个行程范围内有相同的工作阻力 ；立柱实施动作的高可靠性是由活柱、中缸筒、外缸筒的高强度及密封件的可靠来实现的。

- 图 1 双伸缩双作用立柱千斤顶2 立柱的缸筒受力与可靠性的分析2.1 受力分析立柱、千斤顶是高压容器 ，缸筒壁厚 8>DI20，属厚壁范畴：工作时 。对于双伸缩双作用立柱外缸筒、在立柱腔外的中缸筒、单伸缩双作用及千斤顶缸筒均受内压载荷，受力截面；对于双伸缩双作用立柱中缸筒 ，在立柱腔内受双面压力.受力截面图如图2所示 。此时缸筒因各受内、外的液体压强，对缸筒的作用应力可以相互抵消-部分.故缸筒的受力状况较前-种的较好：于是.本文选受力情况比较恶劣的立柱外侧中缸筒受内载荷状况进行强度分析2.1.1 有液压介质作用的径向应力如图3缸筒筒壁上任-质点的受力图：从图中可以看出缸筒壁上任-质点的径向应力是缸筒内表面上的液体压力，即srpHydraulics Pneumatics& Seals，NO.O6.2013謦 滚 鍪图2 双伸缩双作用立柱千斤顶受力图图 3 缸筒筒壁上任- 质点的 受力 图2.12 有液压介质作用的环 向应力在缸筒直径 D上.由液压产生的任-质点环向应力是2 ， 2 2 Sq[pD/(D1-D )](IDl/45)2.1.3 轴 向应力1)受中心额定载荷的作用计算对象为缸筒全部伸出(包括机械加长杆)，支撑的中间段和加长段所有横断面的应力：s A式中 s --总横断面的应力：- - 中心额定载荷；A --总横断面面积。

2)受偏心额定力的作用最大偏心点 e-处其力矩 忍单项最大偏心力产生的弯曲应力s ±M-W式中 e 最大偏心距；- - 缸筒横断面的抗弯截面模数。

3)兼有侧向力缸体兼有侧向力加载时。在此载荷的最大点的弯曲直力 s ±M-W o4)轴向力叠加Sz xS S)式中 s 额定偏心力产生的最大应力；s 。 侧向力产生的最大应力。

在缸壁直径 上，3个方向的主应力分别为：S 1Sq 828 r S3 Sz式中 s.--径向应力；s. -环向应力；s 轴向应力。

合成应力ss式中 s 缸筒材料的屈服极限；n--材料的安全系数2.2 可靠性的分析立柱、千斤顶的可靠性是指在规定的使用条件和时间内完成支架支撑功能的能力.即可靠度。立柱、千斤顶的缸筒若发生失效，将是不可修复的.整个缸体部分将彻底的报废，缸筒件是立柱、千斤顶的主要零件：在设计缸筒时应该对其选择较高的安全系数.以提高设计的安全裕度随着液压支架的科技进步，立柱和千斤顶的类型、结构参数、密封型式等水平都在不断的创新与发展 ：特别是大采高强力液压支架的研制.立柱和千斤顶的缸径不断增大 (目前 ，立柱缸径达 500mm。工作阻力达8500kN)，支撑强度的要求越来越高。因此，立柱和千斤顶的强度核算与设计思路也需拓展在已发布和实施的GB/T 25974。2-2010《煤矿用液压支架第 2部分：立柱和千斤顶技术条件》标准中，对立柱和千斤顶的安全性要求提出了比 M ⅣT 313-1992(液压支架立柱技术条件》和 MT/T 97-1992(液压支架千斤顶技术条件》更高的要求，检测项目范围越来越广、内容越来越细、要求越来越高、为了适应新形势下的市场需求、产品具备较高的可靠度.其安全系数的选择也将发生-些变化3 缸筒设计安全系数选取的分析由于《液压工程手册》的修订、有关标准的升级，立柱、千斤顶试验载荷及压力、安全系数等参数发生-些变化，使得许用应力Is]的数值变化较大；《液压工程手册》新旧版本之间的主要区别见表 1、煤炭部标准和国标的主要区别见表 2在各立柱、千斤顶的设计中.缸筒材料-般选用27SiMn。因此，我们以该材料为例进行如下六项的分析：首先 .有关文献中材料的机械性能见表 3。由表 3可以看出由于采用标准和手册的不同.可获得不同的机械强度数值 .对煤矿用液压支架的立柱(或支撑千斤顶)、千斤顶的许用应力 1的选柔有-定的影响。

其次，与许用应力 1关系密切的安全系数选取差距较大，从表 1中两种手册的安全系数所述；《新编液压工程手册》中-般安全系数在 n1.5～2.5之间。安全系数值是根据液压缸的重要程度和工作压力大小等因素选取(工作压力大. 可选取小-些)。

第三，因缸筒材料的许用应力 1 ，现将安全系数、材料许用应力 1、手册的版本、标准的升级等影响因素汇总并计算例表 4从表 4各数值比对，《液压工程手册》与《新编液压工程手册)27SiMn缸筒材料的许用应力 ，[s]m196MPa，[S]r653.3MPa。且， - ] 3.3，即最大的许用应力是最小许用应力的 3-3倍。在钢筒壁厚设计时，往往是用许用应力 ]来进行计算的，许用应力s1值将直接影响到21液压 气动 与 密封/2013年 第 06期表 1 《液压工程手册》新旧版本之间的主要区别项 目名称 《液压工程手册》 《新编液压工程手册》 变化程度6--8oc1c2式中 6 - 为缸筒材料强度要求的最小值(m)； 按表 1第三行所列情况分别进行计算。 变化较大 缸筒壁厚 80(mm1Cl--为钢筒外径公差余量 ：c广 腐蚀余量。

当 口≤0.08(m) 符号不同 时(11) ≥精 (m)当 81D R-、 P mD ，m、0.08-0.3 -2.3[o-]- 缸筒 时(mm) 式中 p - 缸筒内最高工作压力(MPa)； (m) 符号不同壁厚 [盯- 缸筒材料的许用应力(MPa)；8o(m) n--安全系数。

当6≥O.3 ≥争c、/ ： cm， 6≥手(慨 1)(m)符号不同 时(mm) 舶 。≥争c/ cm 或6 O/ [o'1 -1)(m)交变载荷材料名称 静载荷 冲击载荷 通常安全系数n1.5～2.5.根据液压缸的重要程度和 安全系数 不对称 对称 变化较大工作压力大小等因素选龋钢 3 5 8 12p 35 (D- (MPa)或Dp 40.35 (MP )或额定压力 DP (MPa) 0.5 (MP ) 相同V3D.D p 5 (MPa)式中 p 缸的额定工作/，)t3(MPa)； V3D1D- 缸简材料的屈服强度(MPa。

塑性变形 P ≤(0.35-0.42)pr(MPa)P ≤(O.35-0.42)p(MPa)压力 PPL：2.3o'，1。g争(MPa) 变化不大 缸筒 ppL2.3o'，1。g争(MPa) 壁厚 pr(MPa) 式中 p - 缸简发生完全塑性变形的压力(MPa)。

验算 n- 上功T，D1D 、，-、 △D：譬 ( y)( ) 缸筒径向 --E、- ” D.-D变形量 式中 p广 缸筒耐压试验的压力(MPa)； 式中 p广 缸简耐压试验压力(MPa)； 相同tm(m) E--钢筒材料弹性模数(MPa)； 钢筒材料弹性模数(MPa)；r 钢筒材料泊桑系数，对于钢材y0.3。 r 钢筒材料泊桑系数，对于钢材 yO.3。

爆破压力 pE2.3 og争(MPa) ps2.3o.1。g--(MPa)p(MPa) pr2.65o.s(2- )l。g Dl(MPa) 2.65o.s(2-争)l0g争(MPa) 相同而且pE》p 而且pz》PHydraulics Pneumatics＆ Seals/No.06.2013钢筒厚度的确定，直接影响到立柱、千斤顶的经济性、可靠性。

表 3 几种文献材料 27SiMn的机械性 能数值 单位 ：MPa表 4 27SiMn材料缸筒许用应 力第四。由于 GB/I 25974·2-2010标准的宣贯 ～立柱、千斤顶-往的静态偏载试验上升到动态偏载试验，偏载量随活塞杆的半径或结构变化而变化：偏心加载力和运动速度、运动距离进-步量化考核。

第五，由立柱、千斤顶以往的伸出2/3行程 200%额定载荷轴向加载试验.上升为全行程的 2倍额定载荷加载试验。且保压时间有所调整。此时，立柱的受力状态进-步恶劣第六.新标准将抗冲击立柱设计的相关要求纳入到标准中.新标准规定了立柱动态试验方法.用下落物体冲击带有预紧的立柱.该方法对下落冲击的重量做了规定。但是对下落的高度没有具体的规定.仅对 30ms内立柱缸内压力达到 1.5倍安全阀开启压力.所以立柱或支撑千斤顶的试验环境更加恶劣.对于立柱钢筒的强度计算要求也越来越高4 缸筒壁厚的计算以ZFY170o0/27/50D型高端支架的立柱为例进行缸筒壁厚的计算分析：已知支撑该型支架运行 的泵站 (系统 )压力31.5MPa，-级缸安全阀开启压力 (额定工作压力P )43.4MPa.立柱缸筒内径和活塞杆外径的匹配关系如表5所示表5 立柱缸内径和活塞杆外径的匹配关系(单位为 mm)当工作阻力值确定时.横截面越小单位面积受力越大，本立柱中缸内的额定工作压力p'n83.50MPa：因此.我们逊境条件比较差的中缸筒为计算对象.进行缸筒壁厚的计算及强度验算4.1 缸筒壁厚的计算根据已知参数和《液压工程手册》、《新编液压工程手册》文献有关计算公式对立柱缸筒的厚度进行计算 ，应用 《新编液压工程手册》计算方法获得壁厚 值较小，而两种手册验算的方法基本相同.于是我们用《新编液压工程手册》计算的壁厚6：值进行缸筒壁厚的验算，以保证立柱能安全工作。其计算值如表 6所示。

表 6 缸简的厚度计算及校核值缸筒壁厚计算 缸筒壁厚的验算 每台《液压工程手册》 8tram 《新编液压工程手册》 z衄 1额定压力P (MPa) 塑性变形压力p(blPa) 缸筒径向变形△口 爆破压力Pe( )I壁厚差重量10t.23 37.04 l 91.29>p，/ 156.07>p 0.86X10 183.3l》 T 1.288t(下转第30页)液压 气动 与密 封/2013年 第 06期量大-端液压缸负载为250000N.分流流量小-端液压缸负载为 500O00N时.和分流流量大-端液压缸负载为 500O00N，分流流量小-端液压缸负载为 250000N时，通过分别对以上两种工况的分析得出.活塞运动位移为 0.4m时，流压互补同步回路与常规同步回路的同步误差之比分别为 31.73%和 25.19%.且都将随着活塞位移的增加。比值将进-步减小5 结论根据对常规和流压互补同步 回路系统的仿真分析，得到了常规和流压互补同步回路系统在不同负载、同步阀不同分流精度下的系统同步精度。通过对系统同步精度不同影响因素的对比分析.可清晰地得出以下结论：(1)在系统和元件参数-致的情况下.采用流压互补式同步回路较常规同步回路优势明显.具有更好的系统同步精度，且系统同步精度随着液压缸无杆腔与有杆腔面积比的减小而增加.随着分流阀的分流精度的提高而提高：(2)在采用同步阀的常规同步回路和流压互补同步回路中，通常在同步阀精度不高(精度为 2%～5%)的情况下，流压互补式同步回路通过流量和压力互补方式可提高同步阀的同步精度，使其分流流量更趋于理论值：(3)在同步阀存在分流误差，同步液压缸存在负载差异(偏载)时，若分流流量大-侧负载大于分流流量小-侧负载时，系统能获得较好的系统同步精度.反之，系统同步精度较差：(4)采用流压互补式同步回路，具有较高的能源利用率 .即在相同的运动位移条件下.流压互补式同步回路较常规同步回路历经时间短总之，若系统允许工作压力下可以正常、可靠工作的同步系统.采用流压互补式同步回路较常规同步回路具有独特的优点，在考虑成本和同步精度要求较高的情况下，其可以作为 日常设计的-种优先参考方案