液压千斤顶缸简壁厚的计算及设计研究.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 6期 液压千斤顶缸简壁厚的计算及设计研究 吕晶霞， 毕保平， 张德 山 山西平 阳重工机械有 限责任公 司， 山西 侯马0 4 3 0 0 3 摘要 该文介绍了液压支架 的关键元器件立柱 、 千斤顶 的结构型式 、 工作原理 ， 并对其进行 了受力和可靠性分析 ， 通过举例叙述 了缸筒 壁厚的设计程序及安全系数的选取方法， 将会为工程技术人员进行立柱、 千斤顶的设计提供有效的设计思路。 关键词 缸筒设计 ； 强度 ； 刚度 中图分类号 T H 1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 6 0 0 2 0 0 5 T h e C a l c u l a t i o n a n d De s i g n o f W a ⅡTh i c k n e s s f o r Hy d r a u l i c J a c k C y h n d e r L V J i n g - x i a， BI Ba o - pi n g， Z HANG De - h a rt S h a n x i P i n g y a n g I n d u s t r y Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，Ho u ma 0 4 3 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r i n t r o d u c e s t h e k e y e l e me n t s u p p o r t s ，c o n f i g u r a t i o t t y p e a n d w o r k i n g t h e o ri e s o f j a c k m a c h i n e ，a n d t a k e s t h e f o r c e a n d r e l i a b i l i t y a n a l y s i s ．Th r o u g h t h e e x a mp l e s ，d e s c ri b e s t h e s e l e c t i n g me tho d o f d e s i g n p r o c e d u r e a n d s a f e t y f a c t o r f o r wa l l thi c k n e s s o f c y l i n d e r ，i t c a n p rov i d e s the e ff e c t i v e d e s i g n s c h e me f o r s u p p o a n d j a c k m a c h i n e d e s i g n i n g ． Ke y wo r d s c y l i n d e r d e s i g n； i n t e n s i t y ； s t i ff n e s s O 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 的核心技术之一 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。近年来 ． 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 手段都有进一步的发展 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 ； 立柱的结构一般含有 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 2 0 1 3 0 1 0 4 作者简介 吕晶霞 1 9 5 9 一 ， 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 。 2 0 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。 一 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 DI 2 0 ， 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 互抵消一部分 ． 故缸筒 的受力状况较前一种的较好 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缸筒筒壁上任一质点的受力图 从 图中可 以看出缸筒壁上任一质点的径 向应力是缸筒内表面上 的液体压力 ， 即 s r p Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， N O ． O 6 ． 2 01 3 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 一 质点的 受力 图 2 ． 1 _ 2 有 液 压介 质 作用 的环 向应 力 在缸筒直径 D_ 上 ． 由液压产生的任一质点环向应 力 是 2 ， 2 2 ’ S q [ p D ／ D1 一 D ] I D l ／ 4 5 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 一处其力矩 忍 单项最大偏心力产生的弯曲应力 s MW 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 o 4 轴 向力叠加 S z x S 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 1 Sq 82 8 r S3 Sz 式中s ． 径 向应力 ； s ． 一 环 向应力 ； s 轴向应力。 合成应力 s s 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 5 0 0 mm。工作阻力达 8 5 0 0 k N ， 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 G B ／ T 2 5 9 7 4。 2 2 0 1 0 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 Ⅳ T 3 1 3 1 9 9 2 液压支架立柱技术条件 和 MT ／ T 9 7 1 9 9 2 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 选择也将发生一些变化 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一些 变化 ， 使得许用应力I s ] 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 筒材料一 般选用 2 7 S i Mn 。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 的选取会有一定 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 中一般安全系数在 n 1 ． 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 ． 可选取小一些 。 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 2 7 S i Mn缸筒材料 的许用应力 ， [ s ] m 1 9 6 MP a ， [ S ] r 6 5 3 ． 3 MP a 。 且 ， 】 一 ] 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『 s 1 值将直接影响到 21 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 6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 -- - 8 o c 1 c 2 式中6 一 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 8 0 mm1 C l 为钢筒 外径公差余量 c 广腐蚀余 量。 当 口≤0 ． 0 8 m 符 号不 同 时 111111 ≥ 精 m 当 8 1 D R -、 P mD ， m 、 0 ． 0 8 - 0 ． 3 一 2 ． 3 [ o -] 一 “ 缸筒 时mm 式中p 一缸筒内最高工作 压力 MP a ； m 符号不同 壁厚 [盯卜一 缸筒材料的许用应力 MP a ； 8 o m n 安全 系数 。 当 6 ≥ O ．3 ≥ 争 c 、 ／ cm ， 6 ≥ 手 慨_ 1 m 符号不 同 时 m m 舶 。 ≥ 争 c ＼ ／ cm 或 6 O ／ [o 1 一 1 m 交变载荷 材料名称 静载荷 冲击载荷 通常安全系数 n 1 ． 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 压力大小等因素选取 。 钢 3 5 8 1 2 p 3 5 D- MP a 或 D p 40 ．3 5 MP 或 额定压力 D P MP a 0 ． 5 MP 相 同 V3 D ． D p 5 MP a 式中p 缸的额定工作／ , t3 M P a ； V3 D 1 D 一 缸简材料的屈服强度 MP a 】 。 塑性 变形 P ≤ 0 ． 3 5 - 0 ．4 2 p r MP a P ≤ O ． 3 5 - 0 ． 4 2 p MP a 压 力 P P L 2 ．3 o ,1。 g 争 M P a 变 化 不 大 缸 筒 p p L 2 ．3 o ,1 。 g 争 M P a 壁厚 p r MP a 式中 p 一缸简发生完全塑性变形 的压力 MP a 。 验算 n一上 功T， D 1 D⋯ 、 ， 一 、 △ D 譬 y 缸 筒 径 向 一一E、 一 ” D． 一 D 变形 量 式中 p 广缸筒耐压试验的压力 MP a ； 式中p 广缸简耐压试验压力 MP a ； 相同 t m m E 钢筒材料 弹性模数 MP a ； 卜钢筒材料弹性模数 MP a ； r钢筒材料泊桑系数 ， 对于钢 材 y 0 ． 3 。 r钢筒 材料泊桑 系数 ， 对于钢材 y O ．3 。 爆破压力 p E 2 ．3 o g 争 M P a p s 2 ．3 o． 1 。 g - - M P a p MP a p r 2 ． 6 5 o． s 2 一 l 。 g Dl MP a 2 ．6 5 o ． s 2 一 争 l 0 g 争 M P a 相 同 而且 p E p 而且p z P Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ N o ． 0 6 ． 2 01 3 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 2 7 S i Mn的机械性 能数值单位 MP a 表 4 2 7 S i Mn材料缸筒许用应 力 第 四 。 由于 G B ／ I 2 5 9 7 4 2 2 0 1 0标准的宣贯 。 将立 柱 、千斤顶一 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 、 运动距离进一步量化考核。 第五 ， 由立柱、 千斤顶以往的伸出 2 ／ 3行程 2 0 0 ％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 态进一步恶劣 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 3 0 ms 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 Z F Y1 7 0 o 0 ／ 2 7 ／ 5 0 D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 3 1 ． 5 MP a ，一级缸安全 阀开启压力 额定工作压力 P 4 3 ． 4 MP a ． 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 n 8 3 ． 5 0 MP a 因 此 ． 我们选环境条件 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 8 t ra m 新编液压工程手册 z 衄 1额定压力P M P a 塑性变形压力p b l P a 缸筒径向 变形△ 口 爆破压力P e I壁厚差重量 1 0 t ． 2 3 3 7 ． 0 4 l 9 1 ． 2 9 p ,／ ／ 1 5 6 ． 0 7 p 0 ． 8 6 X 1 0 1 8 3 ． 3 l T 】 1 ． 2 8 8 t 下转第 3 0页 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 3年 第 0 6期 量大一端液压缸负载为2 5 00 0 0 N． 分流流量小一端液压 缸负载为 5 0 0 O 0 0 N时 ．和分流流量大一端液压缸负载 为 5 0 0 O 0 0 N，分流流量小一端液压缸负载为 2 5 0 0 0 0 N 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 ． 4 m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 3 1 ． 7 3 ％和 2 5 ． 1 9 ％． 且都将随着活塞 位移的增加 。 比值将进一步减小 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 系统和元件参数一致的情况下 ． 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 ， 若分流流量大一侧 负载大于分流流量 小一侧负载时 ，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 日常设计的一种优先参考方案 参考文 献 【 1 ] 刘 贤贵． 多 缸流一 压互 补 同步 回路[ J 】 ． 液压气动 与密封 ， 1 9 9 0 ， 4 1 6 - 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