液壓支架用立柱千斤頂導(dǎo)向套連接方式的研究

陳素芳 黃泉清 張芳衛(wèi) 解成林 張旭和

（鄭州四維礦業(yè)機(jī)械有限責(zé)任公司，河南 鄭州 450000）

液壓支架是煤礦綜采設(shè)備中不可或缺的重要組成部分，其性能的好壞對(duì)生產(chǎn)效率有著重要的影響，在實(shí)際使用中，液壓支架立柱千斤頂是支架中極其重要而又極易損壞的部件，作為千斤頂上的一個(gè)重要組成零件，導(dǎo)向套應(yīng)具有如下主要功能［1］：

①承受活塞桿收回時(shí)油缸內(nèi)壓產(chǎn)生的軸向作用力或其他軸向力，這就要求導(dǎo)向套能提供必需的軸向連接強(qiáng)度。

②導(dǎo)向帶和密封件安裝于導(dǎo)向套上，導(dǎo)向套通過導(dǎo)向帶對(duì)活塞桿起導(dǎo)向作用，也是起密封作用密封件的安裝載體。對(duì)導(dǎo)向套的要求是導(dǎo)向套在各種工作載荷環(huán)境和條件下以及各種工作載荷環(huán)境和條件的變化過程中，應(yīng)保證密封所需要的活塞桿與密封面之間間隙或接觸面之間角度變化最小，以防止導(dǎo)向或密封失效。

1 導(dǎo)向套常用連接方式

液壓支架用立柱千斤頂上導(dǎo)向套與缸筒的連接一般分為以下三種連接方式：卡鍵連接、鋼鍵連接和螺紋連接，其中螺紋連接又分為三角螺紋連接和矩形螺紋連接兩種［2］。見圖1：

圖1

2 導(dǎo)向套連接方式的研究

目前，國內(nèi)外千斤頂設(shè)計(jì)通常采用的是卡鍵連接和螺紋連接，尤其是螺紋連接，已逐步代替了卡鍵和鋼鍵連接，越來越多地成為設(shè)計(jì)中的首選。隨著油缸設(shè)計(jì)的不斷優(yōu)化，我們也注意到了在實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)漏液、導(dǎo)向套打出、拆裝困難等現(xiàn)實(shí)問題，為了解決這些問題，我們就不得不對(duì)導(dǎo)向套連接方式進(jìn)行更加細(xì)致的研究，由于鋼鍵和卡鍵連接的方式已逐步被取代，在此我們主要對(duì)螺紋連接方式的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了研究分析，尤其是矩形螺紋與三角螺紋的優(yōu)劣對(duì)比和選用方面。

2.1 三角螺紋的特性及力學(xué)分析

2.1.1 三角螺紋加工容易，有成熟的加工方法、檢驗(yàn)方法及國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這些都會(huì)有效保證螺紋的成品質(zhì)量。

2.1.2 三角螺紋（尤其是細(xì)牙螺紋）都具有較好的自鎖性能，在用于導(dǎo)向套連接時(shí)通常都不用再附加防松裝置。對(duì)于一些結(jié)構(gòu)受限制的千斤頂來說，這點(diǎn)尤為重要。

2.1.3 力學(xué)方面，受三角形螺紋本身的結(jié)構(gòu)特征決定，其在承受軸向力作用的同時(shí)，也會(huì)承受較大的徑向分力，如圖2：

圖2

如上圖，徑向分力與軸向分力的比值為1:sqrt（3）。對(duì)于1 000KN的軸向力，其徑向力達(dá)到580KN，如果這個(gè)徑向力均勻作用于與導(dǎo)向套等厚的厚壁圓筒上，其徑向變形可以按厚壁圓筒承受外壓計(jì)算如下：

圖3

以D=280mm、P=31.5MPa的導(dǎo)向套為例，我們通過計(jì)算可以知道當(dāng)?shù)谝蝗β菁y承受1/5的軸向力時(shí)，則其半徑將減小0.3mm。如果其承受1/10 的軸向力時(shí)，則其徑向?qū)p小0.16mm。通過對(duì)國內(nèi)外支架用千斤頂設(shè)計(jì)中導(dǎo)向套螺紋規(guī)格、有效長度的統(tǒng)計(jì)研究，我們可以看出，所有螺紋的第一圈所承受的軸向力均會(huì)超過1/10 軸向力，即其均勻變形量必將大于0.16mm。

以上是假設(shè)外壓力均勻作用的情況，但是，在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，螺紋牙的接觸部位是不均勻的，雖然總的徑向力可能是不變的，但具體到圓周上某個(gè)位置處的應(yīng)力值，卻可能由于加工公差導(dǎo)致螺紋牙的接觸部位和間隙，形狀位置度的不同和螺紋相對(duì)旋合位置的不同，使圓周上的徑向力和相應(yīng)的徑向變形不均勻。這種不均勻的徑向力會(huì)造成導(dǎo)向套很大的徑向變形，如圖4：

圖4

并且，鑒于三角形螺紋受力特點(diǎn)，這種徑向力和徑向變形會(huì)由于軸向力的不斷變化而不斷變化，導(dǎo)致導(dǎo)向帶和密封件與密封面的接觸角度和間隙不斷變化，有時(shí)甚至?xí)鰧?dǎo)向帶和密封件的支撐彈性范圍，惡化密封條件，而加速導(dǎo)向帶和密封件的破壞。

2.2 矩形螺紋的特性及力學(xué)分析

2.2.1 導(dǎo)向套矩形螺紋與活塞桿之間徑向無直接軸心定位。由于導(dǎo)向套與油缸桿均存在一定的不直度，導(dǎo)向套和油缸桿本身也存在橢圓度，結(jié)構(gòu)裝配后，所承受的徑向約束會(huì)由于螺紋牙無顯著的軸心定位作用，得到一定的釋放和補(bǔ)償，而不會(huì)產(chǎn)生過大的徑向力和由此造成徑向的變形。

2.2.2 矩形螺紋連接的自鎖性能較差。在使用時(shí)一般需另設(shè)防松裝置，通常在導(dǎo)向套與缸筒端面設(shè)定位螺釘防松。對(duì)于結(jié)構(gòu)受限制的結(jié)構(gòu)，如小缸徑千斤頂其壁厚有限，無法采用矩形螺紋。

2.2.3 力學(xué)方面

假設(shè)螺紋牙展開為一端固定、一端自由的懸臂梁，由于螺紋牙上載荷分布影響因素較多，分布情況隨機(jī)性較大，一般按載荷作用在中徑上進(jìn)行強(qiáng)度分析。

在受到軸向力后各圈螺紋受力不均，第一牙最大，其次逐漸減小，隨著加工精度的降低不均勻性會(huì)更大。為保證計(jì)算的相對(duì)科學(xué)性和安全性，推薦矩形螺紋設(shè)計(jì)時(shí)旋合長度不小于5圈，假設(shè)受力的不均勻系數(shù)為1.5，則螺紋牙最大受力為30%，按此牙進(jìn)行強(qiáng)度分析。受力如圖5所示：

圖5

油缸活塞桿腔以31.5MPa 的額定泵站壓力供液，導(dǎo)向套所受軸向載荷為

式中:

D——油缸缸筒直徑

d——油缸活塞桿直徑

矩形螺紋受載和載荷發(fā)生變化時(shí)，由于其螺紋牙的兩表面均與軸線垂直，所以矩形螺紋無徑向分力，也就無徑向分力導(dǎo)致的徑向變形，連接件的徑向受力的變化以及徑向變形都很小，可以保證導(dǎo)向帶和密封件的徑向安裝間隙和角度，從而保證密封性能和密封件壽命。

3 螺紋連接方式的選擇

由使用經(jīng)驗(yàn)結(jié)合研究分析可知，千斤頂缸徑較小時(shí)，由于結(jié)構(gòu)限制，導(dǎo)向套與缸筒連接無法采用矩形螺紋或無法防松。而缸徑較大時(shí)，導(dǎo)向套與缸筒采用三角螺紋連接會(huì)由于牙型強(qiáng)度弱產(chǎn)生擼扣問題或由于徑向分力而發(fā)生導(dǎo)向套被打出質(zhì)量問題［3］。所以，依據(jù)以上分析及實(shí)際情況，我們對(duì)導(dǎo)向套與缸筒之間采用何種螺紋連接方式進(jìn)行了歸納劃分：

①缸筒內(nèi)徑小于等于125mm 的千斤頂，導(dǎo)向套與缸筒采用三角螺紋連接。

②缸筒內(nèi)徑大于等于140mm 的千斤頂，導(dǎo)向套與缸筒采用矩形螺紋連接。

［1］王國法，等.高端液壓支架及先進(jìn)制造技術(shù)［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2010.

［2］丁紹南.采煤工作面液壓支架設(shè)計(jì)［M］.北京:世界圖書出版公司，1992.

［3］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)：連接與緊固［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.