液压立式装缸机的研制
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摘要：本文主要针对液压支架用液压立式装缸机结构件进行了应力分析，设计了一种新型液压立式装缸机，利用SolidWork对装缸机进行了模拟加载受力和强度分析，给出了装缸机的主要参数。
关键词：液压缸；装缸机；设计；有限元分析；Simulation模块
0 引言
目前液压支架向高阻力的两柱掩护式支架发展，支护工作阻力达12000 KN，支护高度7m ，支架立柱缸径Φ440mm。而液压装缸机性能的好坏直接影响液压缸的装配质量，影响液压件的整体质量。结合不同的立柱、千斤顶的结构特点，兼顾传统立式与卧式装配的优点，研制一台功能全、效率高、性能好的装缸机是发展高端液压支架关键之一。
1 液压立式装缸机方案
（1）设计思路
液压立式装缸机是在多年对油缸装配工艺研究基础上，设计完成的性能优越的油缸标准化装配设备。装配方式首先选择立式装配，立式装配占用车间面积小，装缸机构结构紧凑；传动方式根据螺纹导向套装配需要径向旋转和轴向移动，利用液压马达实现旋转，液压缸实现移动，液压传动平稳，容易控制。
（2）工作原理
装缸动作全部通过液压控制，各种装配动作均由液压缸操作完成，整体采用液压阀组控制，操作方便、安全可靠，装配效率高。装缸机构立在工作台上方通过装缸立柱动作，在装配油缸时将活塞杆压进缸筒内或拆缸时将活塞杆拉出缸筒；装缸机构上连接用于保证装缸动作准确可靠的导向机构，导向机构上方固定横梁和伸缩机构，通过伸缩千斤顶水平动作，可以水平调整装缸机构的水平位置，使装缸机构中心与活塞杆和缸筒同轴；在工作台上与伸缩机构前端装缸机构向下对应的位置固定可以夹紧缸体的夹紧机构，通过加紧千斤顶利用V型铁加紧需装配的液压缸体。工作台下方设置升降机构，通过升降千斤顶调整液压缸体的上下高度，以适应操作。安装机构上安装液压马达，马达带动拧套机构，实现导向套的装配。此种装缸机具有通用性强的特点，全部动作一人操作即可完成。
2 液压立式装缸机结构
液压立式装缸机结构如图1所示，主要包括结构件、液压缸及操作系统三部分。
3 液压立式装缸机的主要参数
经过方案论证，确定液压立式装缸机的主要技术参数为：输出转速：0～12.3r/min；输出转矩：6958N.m；装配行程：≤3395mm；装配缸径：≤Φ500mm；外形尺寸：2100×2950×6050（4751）mm；整机总重：7500kg；马达配套泵站：XRB-2B（200l/20MPa）；装配高度范围：≤5000mm；整体压力要求：31.5MPa。
4 液压立式装缸机结构设计优化
基于SolidWorks对装缸机具体结构进行了详细设计和计算，建立了主要零部件的三维实体模型，并利用SolidWorks的Simulation模块，对装缸机的主要受力零部件装缸机机架、拧套机构进行了模拟加载受力进行强度有限元分析，从而减少或取消物理样机的制造、检测和反复修改定型的过程，使我们对装缸机结构的强度设计计算得到理论依据。
（1）装缸机架是装缸机的主体结构，所有其它部件都要在装缸机架上实现它的功能。装缸机架承受扭转工况，因此主要对装缸机架扭转工况进行有限元分析。根据经验和估算假设装缸机要提供扭矩为7000N.m的力矩，定义了材料属性、边界条件、载荷和约束、铰接接触面，划分实体网格后，对装缸机架进行扭转受力分析。图2为液压立式装缸机扭转应力分布图。
通过对装缸机受力情况分析，在危险界面处采用优质高强板优化材料，提高装缸机结构的可靠性；也可以对装缸机某些应力较小、结构材料浪费的零部件按照实际情况进行优化减重，从而保证装缸机设计的经济性。
（2）拧套机构是装缸机的主要受力部分，单独对拧套机构进行扭转模拟加载。预设拧套机构的连接盘为固定，给拧套机构连接销轴受7000N.m力矩载荷时，对拧套机构进行扭转受力分析，检验拨盘、连接销轴等拧套机构结构的强度。图3是拧套机构扭转应力分布图。
通过分析装缸机拧套机构等效应力云图可以看出，装缸机拧套机构所受的最大等效应力出现在拨盘豁口处，最大应力值为52.5MPa，远小于所选择材料的屈服极限，整个拧套机构的设计能够满足强度要求，并且没有出现应力集中现象。
5 结论
液压立式装缸机的设计研制成功代替了传统液压缸装配方式，不但会减少劳动用工，减轻操作者体力消耗，而且还会提高装配质量，通过实践验证新型立式装缸机设计理念可行，使用效果很好，在支架生产中大大降低了劳动强度，减轻操作者体力消耗，提高装配质量，延长液压产品使用寿命，提高了液压支架生产质量和效率，增强了液压支架的产品市场竞争力。
作者介绍：张永（1974―），男，内蒙古赤峰人，工程师，硕士，现从事综采工作面液压支架的研发工作。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
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