双伸缩立柱控制回路分析

李华

（开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司， 河北 唐山 063000）

双伸缩立柱控制回路分析

李华

（开滦（集团）有限责任公司唐山矿业分公司， 河北 唐山 063000）

双伸缩立柱液压支架的主要功能就是对上方的顶板形成支护，而实现这一功能的关键设备就是双伸缩立柱。由于双伸缩立柱采用液压系统进行控制，因此整个结构性能高低的根本基础就是双伸缩支柱使用的控制回路设计是否合理。

双伸缩立柱；闭锁；分腔闭锁

20世纪70年代后期着重研究和发展双伸缩立柱，以适应煤层变化，扩大使用范围。因此我国煤炭行业制定了双伸缩立柱缸径、柱径和压力系列的行业标准。

由于双伸缩立柱控制回路的设计是影响双伸缩立柱支架性能的根本，因此加强对于双伸缩立柱控制回路的研究具有重要的现实意义。这里主要对不同控制回路的性能进行比较，进而进行分析讨论。

现阶段国内各行业使用的液压支架双伸缩立柱根据使用设备的不同主要可以分为以下几种不同的控制回路。

单闭锁、单限压双作用液压控制回路。这种液压控制回路根据是否带底阀可以分为两种。

其中带底阀的是二级缸带底阀立柱，这种立柱的控制回路分为两级，每一级缸的下腔都由单向阀进行闭锁，并由安全阀进行限压。不同的是一级缸采用液控单向阀、而二级缸才有机械单向阀，由于二级缸在底部，因此一般也称为底阀闭锁。而且二级缸的下腔阀能够实现两级缸之间的液体交流。这种液压控制的基本回路如图1所示。

图1

图2

双伸缩立柱液压控制回路是目前在单闭锁双伸缩立柱中使用较为普遍的一种控制回路。这种控制回路的基本运行过程如下。

当系统中的液体升柱时，液体会逐渐将回路中的液体单向阀打开，然后液体首先进入二级缸带底阀立柱的一级缸，并逐渐利用进入缸内的液体推动缸内的本活塞，也就是二级缸带底阀立柱的二级缸缸体向外伸，同时带同二级缸活塞一起外伸。随着一级缸内液压的不断升高，工作液体会逐渐将二级缸底部的底阀打开，进而液体进行二级缸内部，并推动二级缸的活塞柱逐渐向外运动。当一级缸和二级缸内都注满液体，二级缸的活塞柱也就顶到支柱的顶板位置，这时供液停止。同时二级缸带底阀立柱的一级缸内的单向阀会自动闭锁，这样二级缸带底阀立柱的两个缸就能相互独立而且保持稳定。

另一种控制回路适用于无底阀立柱，两级缸始终贯通，具体结构如图2所示。这种液压控制回路的工作过程如下。

（1）当液体进入缸内，首先是较小的二级缸的活柱逐渐开始向外伸，这时受到的泵压需满足

公式（1）中，PC、G、F、F2分别表示无底阀立柱液压缸承受的回液阻力、自身的质量、支柱外载荷kg以及二级缸活柱、活塞的面积。

（2）然后是无底阀支柱的一级缸开始动作，这时液压缸内承受的泵压需满足：

公式（2）中，t1+t3表示的是一级缸活塞与缸体间，二级缸缸体外表面与导向套间摩擦力；F3、F1分别表示二级缸缸体外断面面积和一级缸活塞面积；G1表示的是二级缸自重（其中也包括缸活塞的重量），kg。

在液体进入缸内后，根据P1、P2的大小不同会有几种不同的情况发生。如果P2＞P1，那么无底阀支柱的一级缸，也就是下面的缸首先开始运动，逐渐向外延伸，与此同时带动二级缸整体，但是二级缸的活柱处于静止状态。

如果P2＜P1，那么顶部的二级缸首先开始运动，逐渐向外伸。

根据无底阀支柱的初始设计，一般F1＞F2，而且缸内承受的其他各力都普遍小于外载荷P。因此要想实现一级缸先动作的要求，只需要使外载荷P达到一定值即可。如果出现外载荷P等于零的情况，缸内的密封摩擦力以及回油阻力会直接影响到P2和P1数值的大小。因此这里对工作阻力进行研究。

二级缸未动作时，不起作用，立柱阻力：

其中D1代表的是无底阀支柱一级缸的缸体内径，而P安表示的是安全阀设定的工作压力。

二级缸开始参与动作时，立柱阻力：

因从结构图能够清楚的看出D1＞D2，所以可以判定P1＞P2

而对于有底阀的立柱而言，当二级缸开始参与动作时，说明底阀已经闭锁，立柱承受阻力与公式（3）表示的相同。这种情况下，二级缸承受的作用力大小与缸内液体高度相关。当一级缸逐渐下降并达到最低位置时，二级缸底部的底阀会打开，这时两个缸体贯通，立柱承受的压力同公式（4）。

有底阀立柱在降柱过程中要遵从基本的顺序，只能先降一级缸，再降二级缸。因为只有一级缸降到底部以后，二级缸的底阀才能打开，开始降柱。在降柱过程中，一级缸、二级缸收缩承受的压力分别为：

当回液阻力出现下属情况时，

当有底阀支柱的一级缸会出现迫降。

这时就呈现为一级缸下降，但是二级缸外伸的现象。在应用双伸缩立柱支架时要尽量避免出现这种情况，否则容易导致一级缸和二级缸脱离，支柱支撑作用破坏。根据以上分析可知，要想有效消除上述现象，需要对底阀弹力进行合理设定，确保

从公式（8）可知，底阀弹力的大小要根据系统背压的大小判定。因此在系统中如果是带压移架或者需要始终保持接触推力时需要保持较大的弹簧力，如果是其他情况可以选定较小的弹簧力。

为了对系统进行简化，方便实现更好的性能，有些无底阀支柱进行如下改造，在二级缸缸体导向套的位置利用径向斜孔K二级缸与一级缸迫降腔相沟通，这样能够实现自动迫降。改造后的结构如图3所示。当位于下方的一级缸降到底部之后，二级缸底部的阀门就打开，开始降柱，与此同时迫降油会通过斜孔K进入到二级缸上腔，上下一起作用，从而实现快速迫降。

虽然能够实现快速迫降，但是这种系统也存在一定的结构缺点——在迫降过程中斜孔容易擦伤一级缸的密封圈，造成卡涩；而且二级缸外伸时，上腔的液体不能有效回收。斜孔径越大，造成的损伤会越严重。在设计斜孔K时要选择合适的孔径，一般情况下保持在1～4mm即可，另外需要将斜孔的孔角修钝倒圆，这样能够有效降低对密封圈的擦伤。

另一种简化系统与上面的方式差不多，不过是直接在二级缸的缸壁上设计一个纵向孔g，实现一级缸与二级缸活柱腔的联通，进而实现二级缸的迫降。这结构工作流程与上述方式也相似，而且不会对密封圈造成擦伤，但是它缸壁钻孔工艺比较复杂，难以实现，同时也容易导致二级缸缸体强度下降。

两级缸分别由各自的液控平面阀进行闭锁，并由安全阀进行限压，而且两级缸的控制系统也相互独立。这种控制回路最大的特点是有4个进液口，能够同时满足顺序升柱和逆程降柱的功能，在运行过程中具有较强的适应性。这种结构的立柱承受的工作阻力如下。

当二级缸参与和未参与工作时，立柱承受的工作阻力分别为：

这种情况下二分腔闭锁限压双作用立柱的一级缸安全阀还没有发挥作用。一级缸只有液压加长段起到一定的支撑作用。

TD355.4

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1671-0711（2016）12（下）-0111-02