液压支架用立柱千斤顶导向套连接方式的研究

陈素芳 黄泉清 张芳卫 解成林 张旭和

（郑州四维矿业机械有限责任公司，河南 郑州 450000）

液压支架是煤矿综采设备中不可或缺的重要组成部分，其性能的好坏对生产效率有着重要的影响，在实际使用中，液压支架立柱千斤顶是支架中极其重要而又极易损坏的部件，作为千斤顶上的一个重要组成零件，导向套应具有如下主要功能［1］：

①承受活塞杆收回时油缸内压产生的轴向作用力或其他轴向力，这就要求导向套能提供必需的轴向连接强度。

②导向带和密封件安装于导向套上，导向套通过导向带对活塞杆起导向作用，也是起密封作用密封件的安装载体。对导向套的要求是导向套在各种工作载荷环境和条件下以及各种工作载荷环境和条件的变化过程中，应保证密封所需要的活塞杆与密封面之间间隙或接触面之间角度变化最小，以防止导向或密封失效。

1 导向套常用连接方式

液压支架用立柱千斤顶上导向套与缸筒的连接一般分为以下三种连接方式：卡键连接、钢键连接和螺纹连接，其中螺纹连接又分为三角螺纹连接和矩形螺纹连接两种［2］。见图1：

图1

2 导向套连接方式的研究

目前，国内外千斤顶设计通常采用的是卡键连接和螺纹连接，尤其是螺纹连接，已逐步代替了卡键和钢键连接，越来越多地成为设计中的首选。随着油缸设计的不断优化，我们也注意到了在实践中经常出现漏液、导向套打出、拆装困难等现实问题，为了解决这些问题，我们就不得不对导向套连接方式进行更加细致的研究，由于钢键和卡键连接的方式已逐步被取代，在此我们主要对螺纹连接方式的优缺点进行了研究分析，尤其是矩形螺纹与三角螺纹的优劣对比和选用方面。

2.1 三角螺纹的特性及力学分析

2.1.1 三角螺纹加工容易，有成熟的加工方法、检验方法及国家标准规定，这些都会有效保证螺纹的成品质量。

2.1.2 三角螺纹（尤其是细牙螺纹）都具有较好的自锁性能，在用于导向套连接时通常都不用再附加防松装置。对于一些结构受限制的千斤顶来说，这点尤为重要。

2.1.3 力学方面，受三角形螺纹本身的结构特征决定，其在承受轴向力作用的同时，也会承受较大的径向分力，如图2：

图2

如上图，径向分力与轴向分力的比值为1:sqrt（3）。对于1 000KN的轴向力，其径向力达到580KN，如果这个径向力均匀作用于与导向套等厚的厚壁圆筒上，其径向变形可以按厚壁圆筒承受外压计算如下：

图3

以D=280mm、P=31.5MPa的导向套为例，我们通过计算可以知道当第一圈螺纹承受1/5的轴向力时，则其半径将减小0.3mm。如果其承受1/10 的轴向力时，则其径向将减小0.16mm。通过对国内外支架用千斤顶设计中导向套螺纹规格、有效长度的统计研究，我们可以看出，所有螺纹的第一圈所承受的轴向力均会超过1/10 轴向力，即其均匀变形量必将大于0.16mm。

以上是假设外压力均匀作用的情况，但是，在实际结构中，螺纹牙的接触部位是不均匀的，虽然总的径向力可能是不变的，但具体到圆周上某个位置处的应力值，却可能由于加工公差导致螺纹牙的接触部位和间隙，形状位置度的不同和螺纹相对旋合位置的不同，使圆周上的径向力和相应的径向变形不均匀。这种不均匀的径向力会造成导向套很大的径向变形，如图4：

图4

并且，鉴于三角形螺纹受力特点，这种径向力和径向变形会由于轴向力的不断变化而不断变化，导致导向带和密封件与密封面的接触角度和间隙不断变化，有时甚至会超出导向带和密封件的支撑弹性范围，恶化密封条件，而加速导向带和密封件的破坏。

2.2 矩形螺纹的特性及力学分析

2.2.1 导向套矩形螺纹与活塞杆之间径向无直接轴心定位。由于导向套与油缸杆均存在一定的不直度，导向套和油缸杆本身也存在椭圆度，结构装配后，所承受的径向约束会由于螺纹牙无显著的轴心定位作用，得到一定的释放和补偿，而不会产生过大的径向力和由此造成径向的变形。

2.2.2 矩形螺纹连接的自锁性能较差。在使用时一般需另设防松装置，通常在导向套与缸筒端面设定位螺钉防松。对于结构受限制的结构，如小缸径千斤顶其壁厚有限，无法采用矩形螺纹。

2.2.3 力学方面

假设螺纹牙展开为一端固定、一端自由的悬臂梁，由于螺纹牙上载荷分布影响因素较多，分布情况随机性较大，一般按载荷作用在中径上进行强度分析。

在受到轴向力后各圈螺纹受力不均，第一牙最大，其次逐渐减小，随着加工精度的降低不均匀性会更大。为保证计算的相对科学性和安全性，推荐矩形螺纹设计时旋合长度不小于5圈，假设受力的不均匀系数为1.5，则螺纹牙最大受力为30%，按此牙进行强度分析。受力如图5所示：

图5

油缸活塞杆腔以31.5MPa 的额定泵站压力供液，导向套所受轴向载荷为

式中:

D——油缸缸筒直径

d——油缸活塞杆直径

矩形螺纹受载和载荷发生变化时，由于其螺纹牙的两表面均与轴线垂直，所以矩形螺纹无径向分力，也就无径向分力导致的径向变形，连接件的径向受力的变化以及径向变形都很小，可以保证导向带和密封件的径向安装间隙和角度，从而保证密封性能和密封件寿命。

3 螺纹连接方式的选择

由使用经验结合研究分析可知，千斤顶缸径较小时，由于结构限制，导向套与缸筒连接无法采用矩形螺纹或无法防松。而缸径较大时，导向套与缸筒采用三角螺纹连接会由于牙型强度弱产生撸扣问题或由于径向分力而发生导向套被打出质量问题［3］。所以，依据以上分析及实际情况，我们对导向套与缸筒之间采用何种螺纹连接方式进行了归纳划分：

①缸筒内径小于等于125mm 的千斤顶，导向套与缸筒采用三角螺纹连接。

②缸筒内径大于等于140mm 的千斤顶，导向套与缸筒采用矩形螺纹连接。

［1］王国法，等.高端液压支架及先进制造技术［M］.北京:煤炭工业出版社，2010.

［2］丁绍南.采煤工作面液压支架设计［M］.北京:世界图书出版公司，1992.

［3］成大先.机械设计手册：连接与紧固［M］.北京:化学工业出版社，2004.