機載支護旋轉油缸的設計及加工

王海彬 趙 慧 張子明

（遼寧省調兵山市遼寧通用重型機械股份有限公司，遼寧 調兵山 112700）

1 問題提出

機載支護設備適用于掘進工作面新揭露的空頂區進行臨時支護的一種機載式輕型支架，可以迅速地在掘進機切割頭前方頂板上形成有效的支撐防護，為下一步在該區進行支護作業的人員提供一個安全可靠的工作空間，而機載支護設備需要以油缸作為運動單元，通過控制閥控制各部的動作，旋轉油缸實現自潤滑，達到運動安全平穩可靠目的[1-5]。

2 機載支護旋轉油缸的方案設計

2.1 油缸總圖設計

機載支護旋轉油缸工作介質是乳化油，機載支護設備工況條件苛刻，在掘進巷道有限的空間內，實現臨時支護要求油缸小型化，安全可靠自潤滑，滿足支護需求。旋轉油缸額定工作壓力16 MPa，額定流量50 L/min，推力要求130 kN，拉力要求40 kN。油缸總圖如圖1。

2.2 油缸計算

油缸推力和拉力的計算，液壓支架立柱初撐力和支架初撐力的計算公式：立柱初撐力計算公式p=（πD2/4）×m×10-3，其中：p 為支柱的初撐力，kN；D 為立柱缸體內徑或活塞直徑，mm；m 為泵站工作壓力，MPa。

此油缸的缸筒內徑D=125 mm，泵站工作壓力m=16 MPa，帶入公式，因此油缸推力p1=（3.14×1252/4）×16×10-3≈196.2 kN， 油 缸 拉力p2=（3.14×1252/4）×16×10-3-（3.14×702/4）×16×10-3≈134.7 kN。經過計算油缸的推力和拉力滿足機載支護旋轉油缸的使用要求，安全系數1.5。

圖1 旋轉油缸總圖

2.3 油缸材質選擇

27SiMn 鋼的性能優于30Mn2 等鋼，因為缸筒需要熱處理，而這種缸的淬透性較高，在水中臨界淬透直徑達8～22 mm，可切削性良好，具備優良性能，經實踐檢、驗證，考慮整體使用要求及27SiMn的性能，因此本油缸缸筒、活塞桿、導向套、活塞材質采用27SiMn。

2.4 密封件選型設計

（1）O 型圈選擇需要考慮因素、注意事項：O型圈截面直徑的選定，使用環境壓力大小，間隙的選擇，壓縮余量，倒角處理，粗糙度選定等。

（2）O 型圈壓縮率的選定。本文選擇的是NOK 的O 型圈，圖2 是壓縮率的設計計算方法，壓縮率使用范圍8%～30%，E=σ/W×100。式中：E為壓縮率，%；σ 為壓縮余量（W-H），mm；W 為O 型圈截面直徑，mm；H 為溝槽深度，mm。

圖2 壓縮率的設計計算方法

（3）O 型圈的計算。選用的O 型圈直徑W=3.53 mm 的，壓縮率一般選擇20%左右，即E=20%=0.2，δ=W-H=3.53-H，帶入以上公式即0.2=（3.53-H）/3.53，算出H=2.824，再根據實際經驗使用情況和O 型圈的直徑大小，H 值可以選擇的相對小些，最后本文的H 值設計為2.7 mm。

（4）O 型圈充填率的計算方法，O 型圈寬度的計算。充填率的設定為n=75%=0.75，O 型圈的截面直徑W=3.53 mm，把H=2.7 mm 代入圖2 公式即0.75=(3.14÷4×3.532) ÷(2.7×G)，算出G=4.83 mm。如果沒有擋圈的O 型圈寬度尺寸按這個計算便可以使用。

圖3 O 型圈充填率的計算方法

（5）考慮本缸筒內徑大小和缸口螺紋的尺寸以及活塞桿直徑的空間尺寸，本缸筒和導向套的O型圈直徑選擇Φ3.53 mm 的，O 型圈有靜密封、動密封的區別，這個O 型圈位置是靜密封。O 型圈的材質選用NBR-90，NBR-90 具有耐油、耐磨、穩定的耐熱性。一般O 型圈和擋圈一起使用，在此處根據使用壓力要求，擋圈設定1 個即可，擋圈設計在受力O 型圈的反方向即靠近缸口方向，擋圈選擇寬度1.5 mm 的，因此O 型圈的最后寬度尺寸為4.83+1.5=6.33 mm，再根據實際使用經驗圓整到一個適合值，本文圓整到6.5 mm。適當調整O 型圈的尺寸，本文的擋圈選定為Φ126×Φ120.6×1.5，擋圈的材質選擇PTFE+Cu的，根據O型圈樣本選擇。

（6）防塵圈作用是防止塵土灰塵進入缸筒內部，本文選擇防刮油的DKB 防塵圈，唇口密封件選擇丁腈橡膠，帶金屬骨架的，材質代號U801+SPCC。具體型號是DKBI70×84×8 的，即直徑70 mm 活塞桿用的防塵圈。

（7）活塞桿用密封件。根據本設備工作條件選擇IUH 密封件，它適用石油基液壓油、水乳化型液壓油，選用型號為IUH70 70×85×9 的，材質選擇氫化丁腈橡膠G928，即直徑70 mm 活塞桿的密封件。

（8）緩沖圈是由密封件和支撐環組成的組合件，緩沖圈選擇HBY70 70×85.5×6 的，即直徑70 mm 活塞桿的緩沖圈。這里的密封圈選擇材質是UH05，支撐環的材質選擇12NM 的。

（9）該處密封選擇的是特瑞堡的CST 特康T46，該型號密封件抗壓強度高，滑動耐磨性好，抗擠出性好，適用溫度-54°～+120°，速度≤1.5 m/s，適用長行程情況。該密封圈是由一個彈性體施力的聚四氟乙烯組合密封圈，具有總體的穩定性，耐磨，密封性好，本文選擇的是缸筒內徑125 mm的PKZF 000021T46NP 的CST 密封圈。

3 旋轉油缸加工方法

缸筒的大體加工工序：下料—粗車—粗鏜深孔—精鏜深孔—精車—鉆孔—焊接缸底等，活塞桿的加工需要具備數控車床，鍍鉻區段的加工需要磨床加工，加工中注意圖紙尺寸公差、同軸度、粗糙度等要求，導向套、活塞在加工中尤其更要保證圖紙尺寸及公差、同軸度、倒角等要求，在導向套、活塞的加工中尤其要注意保證里孔和外圓的同軸度。

4 機載支護旋轉油缸裝配

4.1 裝配注意事項

缸筒的直徑方向尺寸是否受空間所限，還有長度方向是否有干涉的地方，活塞桿的孔一般和安裝的結構件部分經常有干涉問題，接頭座在油缸設計過程中更是要重點考慮是否和結構件其他地方干涉問題，往往油缸的接頭座和結構件有干涉，造成接頭座在使用過程中過早損壞。

4.2 三維模擬安裝

通過三維設計軟件對旋轉油缸進行模擬安裝裝配，進行油缸內部尺寸干涉檢查。圖4 是旋轉油缸三維裝配圖。

圖4 旋轉油缸三維裝配圖

5 結語

機載支護旋轉油缸在機載支護設備中運動自如，經過實踐檢驗，井下應用效果良好，滿足機載支護的使用要求，達到預期設計、使用要求。本文的油缸設計方法在其他礦山機械設備中同樣具有參考價值。本公司自主研發設計并制造的油缸代替采購，節省采購配件資金，增加本公司產品制造種類。