２０１０年第１期 液压与气动 ５３ 液压支架双伸缩立柱优化设计研究 贾春强，丁少华，于洋 Ｏｐｔｉｍａｌ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｄｏｕｂｌｅ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｉｃ Ｐｒｏｐｓ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｐｏｗｅｒｅｄ Ｓｕｐｐｏｒｔｓ ＪＩＡ Ｃｈｕｎ—ｑｉａｎｇ，ＤＩＮＧ Ｓｈａｏ—ｈｕａ，ＹＵ Ｙａｎｇ （三一重型装备有限公司，辽宁沈阳１１００２７） 摘要：从液压支架立柱基础设计理论出发，详细分析了双伸缩立柱设计中的规律，研究了安全系数，中 缸压力等参数对立柱设计的影响，建立了双伸缩立柱的最优化设计模型，并以工程设计实例验证了双伸缩立 柱优化设计模型的可行性和有效性。为提高液压支架立柱的设计水平和自动化程度提供了有力的技术 保障。 关键词：液压支架；双伸缩立柱；优化设计 中图分类号：ＴＨ１３７ 文献标识码：Ｂ 文章编号：１０００－４８５８（２０１０）０１－００５３－０３ 引言 液压支架立柱是液压支架重要的动力部件，其性 能和可靠性直接影响着支架的性能和可靠性，进而影 响着综采工作面的安全和生产效率。随着液压支架大 采高及高工作阻力的发展，对立柱的结构形式、密封、 强度等提出了更高的要求¨』。因此，对液压支架立柱 的设计参数进行分析，寻找相应的设计规律来指导立 柱的进一步优化设计很有必要。本文以目前应用较为 广泛的双伸缩立柱 ２ 为研究对象，从基础设计理论出 发，对双伸缩立柱的关键尺寸设计进行了深入研究，分 析了安全系数，中缸压力等参数对立柱设计的影响，并 结合优化设计方法，建立双伸缩立柱的最优化设计模 型，为双伸缩立柱的最优化设计奠定了基础。 １双伸缩立柱设计参数 图１ 双伸缩立柱结构示惹圈 其中，大缸缸径Ｄ 根据设计者经验来确定，大缸 工作压力Ｐ 由式（１）计算得到。 中缸缸筒壁厚的计算公式为： ＝ 如图１所示为液压支架双伸缩立柱内部结构示意 图，Ｄ 为大缸的活塞直径，Ｐ 为大缸活塞腔的工作压 力，Ｄ：为中缸活塞直径， 为中缸缸筒壁厚，Ｐ：为中缸 活塞腔的工作压力，ｄ．为大缸活塞杆径，Ｆ为立柱承受 的负载力。 ２双伸缩立柱设计的数学推导 其中，Ｐ ＝ｐ ； ＝等， 为屈服极限；ｎ为安全 系数。 则由式（１）和式（２）可得双伸缩立柱的大缸杆径 ｄ１为： 在立柱承受外负载Ｆ时，大缸和中缸均承受相应 的载荷 ｄ。＝Ｄ２＋２６＝ －＋ｚ×蔗 收稿日期：２００９－０７－１１ （３） Ｐｌ，ｒｒＤ Ｐ２．ｉｒＤ； 丁 丁 一 ／１、 作者简介：贾春强（１９７９～），男，浙江东阳人，博士，主要从事 煤矿机械液压传动与控制的设计、研发工作。 即ＰｌＤ ＝Ｐ：Ｄ；，Ｄ：＝． Ｄ 液压与气动 由式（３）可以看出，大缸杆径ｄ 与中缸压力Ｐ 及 一２０１０年第１期 嗣叫／ 培 安全系数ｎ有关。以Ｐ 为自变量，大缸杆径ｄ。为因变 ４Ｆ ４×３×１０ ｒｒＤ 一３１４×０．３２ ＝３７．３ ＭＰａ，中缸压力７５≤Ｐ２．量，安全系数分别为ｎ＝２．６、ｎ＝３．Ｏ、ｎ＝３．５时，进 行仿真计算可以得出如图２所示的结果。 ≤１００，安全系数取值范围１．５～３，材料选用２７ＳｉＭｎ。 在输入相应的初始参数后，开始计算，得到如表１所示 图２大缸杆径仿真设计曲线 对图２进行分析得出如下结论： （１）大缸杆径ｄ 随着中缸压力Ｐ 的增加出现先 减后增的一个趋势，即ｄ 存在一个最小值； （２）在相同中缸压力Ｐ 的前提下，安全系数ｎ越 大，大缸杆径ｄ 越大； （３）安全系数ｎ越大，大缸杆径ｄ 的最小值所对 应的中缸压力Ｐ 越小。 ３最优化设计 ３．１优化模型 由于大缸杆径ｄ 与中缸压力Ｐ 的对应曲线中存 在一个极小值，且该极小值所对应的中缸压力Ｐ 与安 全系数ｎ之间也有一个对应关系。因此在设计过程 中，可以最少材料为目标来建立双伸缩立柱优化设计 的数学模型，即： ｒｍｉｎ（ｄ ） ｛【ｎ＝ｆ（ｐ ，ｍｉｎ（ｄ ）） （４） ７５≤Ｐ２≤１００ 在合适的安全系数ｎ下，使得大缸杆径ｄ 取最小 值，同时为保证中缸的密封性能，该最小值对应的中缸 压力Ｐ２应在７５—１００ ＭＰａ之间。 ３．２设计实例 为验证上述模型的有效性及可行性，利用ｍａｔｌａｂ 开发了双伸缩立柱优化设计程序，主要包括设计参数 输入、优化计算和结果输出等模块，其中结果输出包括 设计曲线输出和详细数据输出。 下面以ＺＹ６００／２０／４０Ｄ液压支架立柱设计为例， 该支架采用两根双伸缩立柱，泵站压力３１．５ ＭＰａ，单 根立柱额定工作阻力３０００ ｋＮ。 取大缸缸径为３２０ ｍｍ，大缸活塞腔的工作压力Ｐ 的最优设计结果： 表１双伸缩立柱优化设计结果 大缸缸径 大缸杆径 安全系 中缸缸径 中缸壁厚 中缸压力 Ｄｌ（ｍｍ） ｄｌ（ｍｍ） 数ｎ Ｄ２（ｍｍ） ６（ｍｍ） Ｐ２（ＭＰａ） ２８４．４ ２．６ １９８．０ ４３．２ ９７．３ ２８９．９ ２．７ ２Ｏ２．３ ４３．８ ９３．３ ３２０ ２９５．２ ２．８ ２ｏ５．６ ４４．８ ９０．３ ３００．４ ２．９ ２ｏ９．２ ４５．６ ８７．３ ３０５．５ ３．０ ２１２．９ ４６．３ ８４．３ 该结果表明在安全系数１．５～３范围内，只有在ｎ ＝２．６、２．７、２．８、２．９、３．０时可以取得满足规定约束条 件的最小值。利用上述程序可以很轻松地获得各安全 系数下中缸缸径Ｄ 、中缸壁厚 、中缸压力Ｐ 的可行解 曲线图，如图３所示为安全系数ｎ＝２．６和 ：３．０时 的可行解曲线图。 量 悄 中缸压力／ＭＰａ 中缸压力，／ＭＰａ ａ）ｎ＝２．６ ｂ）ｎ＝３．０ 图３安全系数ｎ＝２．６和ｎ＝３．０时的可行解曲线图 设计人员根据材料性能和工艺性，对照表１中对 应安全系数的理论最优解，从图３所示的结果中选择 合适的中缸壁厚及中缸压力，并最终确定合适的安全 系数及相应的优化解。 ４结论 本文从基础设计理论出发，详细分析了双伸缩立 柱设计中的规律，研究了安全系数，中缸压力等参数对 立柱设计的影响，建立了双伸缩立柱的最优化设计模 型，并以工程设计实例验证了双伸缩立柱优化设计模 型的可行性和有效性。结果表明，本文研究的双伸缩 立柱优化设计模型能快速准确地生成若干符合性能要 求的优化结果，对双伸缩立柱的设计具有一定的指导 意义，为提高液压支架立柱的整体设计水平和自动化 程度提供了有力的技术保障。 ２０１０年第１期 液压与气动 ５５ 一种简易管道过滤器的设计 刘专 ，周炎 ，唐寿元 Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｓｉｍｐｌｅ Ｐｉｐｅｌｉｎｅ Ｆｉｌｔｅｒ ＬＩＵ Ｚｈｕａｎ ，ＺＨＯＵ Ｙａｎ ，ＴＡＮＧ Ｓｈｏｕ．ｙｕａｎ （１．衡阳钢管有限公司炼钢分厂，湖南衡阳４２１００１；２．衡阳大唐液压有限公司，湖南衡阳４２１００１） 摘价值。 要：通过对衡钢弧形连铸冷床液压系统的故障分析和其特殊的工作特点，设计出了一种简易的管道 过滤装置，能有效地将液压系统执行元件的污染物挡在系统阀台之外，取得了不错的效果，并有一定的推广 关键词：污染；过滤；双向流动；闭死容腔 中图分类号：ＴＨ１３７．５文献标识码：Ｂ文章编号：１０００－４８５８（２０１０｝０１－００５５－０２ 前言 同步缸，由于相当于一个“闭死容腔”，则这些污染如 ２００５年底，衡钢炼钢分厂建成一条９０Ｔ电炉一 果不进行大“手术”无法处理干净，即使处理干净了， 随后仍然可能出现重复问题，从而导致阀台液压元件 频繁卡刹。 ２管道过滤器的设计要点（如图２所示） １００Ｔ精炼炉及ＶＤ炉一四机四流连铸机生产线，由国外 某公司设计。其中连铸机冷床集坯装置采用液压系统 （国外供货）驱动，冷床升降系统采用同步缸和８个升 降缸进行升降同步驱动，此种设计和使用在国内外极 为少见，使用３年多来，冷床液压系统故障频繁，主要 由于升降缸污染导致液压阀台各液压元件卡刹失效。 １冷床升降系统简述（如图１所示】 （１）利用普通过滤器进行改装、改进； （２）根据液压系统的流量要求选用合适的金属滤 网，满足执行元件的速度要求； （３）在金属滤网的内外层增加钢骨架，防止屡网 冷床升降缸的无杆腔和同步缸之间形成了一个 “闭死容腔”，无杆腔一管线一阀台一同步缸这一部分油液 被双向高压冲破，在骨架上开孔； （４）内部一端采用螺纹连接，方便拆卸； （５）过滤器接口一端与油管连接，一端与软管 连接； 很难和系统液压站进行循环过滤，只有通过安全阀泄 回油箱。升降缸由于工况差、机械安装形式等原因，液 压缸内活塞或密封损坏后，污染碎片直接进入管道和 １、２．密封３．滤网骨架４．滤网 图２管道过滤器结构简图 收稿日期：２００９－０７－１３ 作者简介：刘专（１９７Ｏ一），男，湖南省株洲县人，高级工程师， 图１冷床同步系统原理图 学士，主要从事机械、液压技术管理和设备维护工作； 参考文献： ［３］ 雷天觉．新编液压工程手册［Ｍ］．北京：北京理工大学出 版社，２００５． ［１］ 王国法．液压支架技术［Ｍ］．北京：煤炭工业出版社，１９９９． ［２］ 程居山．液压支架双伸缩立柱的结构型式和性能分析 ［Ｊ］．煤矿机械，２００２（１１）：３４—３７． ［４］ 刘登彪，李翠，郭凡灿，等．负载等初撵力等压双伸缩立柱 的优化设计［Ｊ］．煤矿机械，２００８（２）：１－２．
