马 强 1，2 ， 韩 雷 2 ， 刘志民 2 

（1. 天津大学， 天津 300072； 2. 河北工程大学， 河北 邯郸 056038） 

摘 要： 针对普通管式三用阀存在功率小、通流能力小、抗污染力差、密封性不好等缺点，基于 插装阀的优点对三用阀进行优化设计。 利用 AMESim 软件建立液压支柱控制系统仿真模型，通过 设置各元件模型仿真参数，对 2 种控制方式支柱动态特性仿真。 分析表明，采用插装式三用阀控制 的单体液压支柱通流能力大、动态响应较快、腔体峰值压力小。

关键词： 柱塞悬浮单体液压支柱；插装式三用阀；AMESim 软件；仿真研究

0 引言 

     柱塞悬浮式单体液压支柱主要由铰接顶盖、组 件、活柱、油缸、三用阀、手把阀体、复位弹簧、底座、 连接钢丝、导向环等零部件组成。 三用阀是单体液 压支柱的控制中心，对支柱的整体综合性能有着重 要的影响。 目前，我国单体液压支柱三用阀，存在功 率 小、通 流 能 力 小、抗 污 染 力 差、密 封 性 不 好 等 缺 陷，在煤层工作面突变载荷作用下，三用阀一般不 能及时开启，支柱腔体内峰值压力过大，导致活柱 被压弯或破坏，造成冒顶事故。 基于上述原因，本文 提出对现有三用阀改进设计，并利用 AMESim 软件 对改进后的支柱动态性能与改进前的进行对比分 析。 此研究对改善柱塞单体液压支柱工作性能，增 加其可靠性与稳定性，保障煤矿安全生产，具有重 要的研究意义和实用价值。

1 三用阀改进设计 

    柱塞悬浮式单体液压支 柱乳化液的 流动完全 通过管式三用阀来进行控制。 普通管式三用阀由单 向阀、安全阀和卸载阀组成，在支柱中承担升柱、过 载保护和卸载降柱 3 种功用，其液压系统原理如图 1（a）所示。其工作过程：高压乳化液经注液枪打开单 向阀进入支柱下腔，完成支柱升柱和初撑；当工作 面顶板压力超过安全阀限定压力时，支柱腔体内高 压乳化液将安全阀打开，乳化液溢流，支柱开始收 缩， 当且仅当支柱所承受的外载荷低于 工作阻力 时，乳化液停止溢流，安全阀关闭，支柱此时停止收 缩，安全阀的作用保证了工作载荷始终维持在额定 工作阻力附近；当需要回柱时，打开卸载阀，将乳化 液排至采空区外，立柱在自重和复位弹簧作用下收 缩。 

   现有普通管式三用阀功率小、 通流能力差，若 通过增加阀的通径来满足高压、大流量、大功率工 作场合，势必使三用阀体积增大，相应的压力损失 和内泄漏也增加， 导致支柱整体工作性能变坏，同 时工作时操纵阻力增加，阀芯磨损加剧，大大降低 了三用阀的正常使用寿命。 因插装阀具有流动阻力 小、密 封 性 能 好、通 流 能 力 大、抗 污 染 能 力 强 等 特 点，在高压大功率场合广泛使用。 因此，本文提出基于插装阀原理对现有普通管式三用阀进行技术 改 造，将普通单向阀改为插装阀，普通安全阀改为具 有插装单元的先导式安全阀，普通卸载阀改为具有 插装单元的的先导式卸荷阀，经改造后的液压系统 原理如图 1（b）所示。 

 1. 安全阀 2. 单向阀 3. 卸载阀 1、2、5. 插装阀 3. 安全阀 5. 卸载阀 图 1 三用阀液压系统原理图

2 支柱 AMESim 模型的建立 

2.1 支柱系统数学模型 

    根据单体液压支柱柱塞、阀芯受力及通过的流 量，分别建立支柱运动微分方程、支柱流量连续方 程、安全阀流量连续性方程和安全阀阀芯运动微分 方程。 

（1）支柱运动微分方程 

m1 d2 y dt 2 +B1 dy dt +m1gn+F+K1y+f1=A1p1 （1） 

其中，活柱断面面积 A1=π 4 D1 2 

式中 m1———支柱等效的总质量，kg； 

y———支柱位移，m；

B1———柱体黏性阻尼系数；

F———外载荷，N；

K1———复位弹簧刚度，N/m；

f1———活柱体与刚体间摩擦力，N；

D1———柱塞直径，mm； 

p1———支柱进油腔液压力，Pa；

gn———重力加速度，m/s2 。 

（2）支柱流量连续方程 进入支柱的流量

Q1= dy dt A1+ Vt βe dp1 dt +ct p1 （2）

式中 Vt———支柱腔内的总容积，m3 ；

βe———乳化液有效体积弹性模数，N/m2 ；

ct———支柱总泄漏系数，m3 /（s·Pa）。 

（3）安全阀流量连续性方程

Q1-Kq x-Kc p1=A2 dx dt （3） 

式中 Kq———流量增益，m2 /s；

Kc———流量压力系数，m3 /（s·Pa）；

A2———安全阀有效断面面积，mm2 ；

x———阀芯位移，m。 

（4）安全阀阀芯运动微分方程 

m2 d2 x dt 2 +K2 dx dt +Ks（xc+x）+Fw+Fd=A3p1 （4）

式中 m2———阀芯组件等效质量，kg；

K2———阀芯组件等效黏性阻尼系数，N·s/m；

Ks———弹簧刚度系数，N/m； 

xc———弹簧预压缩量，m；

Fw———稳态液动力，N；

Fd ———瞬态液动力，N； 

A3———阀芯有效折算承压面积，mm2 。 

2.2 建立仿真模型及系统参数    

  在 AMESim 软件中，利用标准液压元件库组建 普 通 管 式 三 用 阀 模 型，利 用 液 压 元 件 设 计 库 HCD 组建插装式三用阀模型，利用液压元件设计库和机 械库组建立柱模型，利用信号控制库对支柱施加外 部冲击载荷， 最后根据液压支柱系统工作原理，用 液 压 管 路 连 接 这 些 元 件，分 别 建 立 管 式 三 用 阀 和 插装式三用 阀液压支柱 控 制 系 统 仿 真 模 型 如 图 2 所示。 

图 2 支柱液压系统仿真模型 

  仿真以 DW28-250/100X 型柱塞悬浮单体液压 支柱为例进行研究，根据支柱工况条件及三用阀结 构确定系统仿真条件：泵站压力 p0=15 MPa，额定流量 Q1=400 L/min；支柱最大支撑高度 H1=2.8 m；支柱 直径 D1=100 mm， 复位弹簧刚度 K1=1 100 N/m，泄 漏间隙 δ=0.01 mm；初撑力 F0=118 kN，额定工作阻 力 F=250 kN， 额定压力 p1=31.8 MPa。 根据仿真条 件，单击左侧“Parameter mode”按钮，设置各元件模 型所需的仿真参数， 其中系统冲击质量利用式（1） 进行估算，约为 13 200 kg。 

3 支柱动态特性仿真分析 

    点击工具栏左侧的“Simulation mode”按钮，进入 仿真模式，单击“Start a simulation” 按钮，运行仿真。 完成仿真后，通过“Variable list”菜单查看仿真结果， 利用 plot 按钮分别获得支柱升柱和承载溢流阶段动 态特性仿真曲线，如图 3 和图 4 所示。 从图 3（a）可以 看出，升柱阶段，在正常载荷作用下，采用插装式三用 阀控制的单体支柱与普通管式三用阀控制的单体支 柱相比，插装式三用阀控制的单体支柱腔体压力峰值 波动小，且能较快地达到溢流阀设定的工作压力；同时 从图 3（b）曲线可以看出，插装式三用阀控制的单体 支柱升柱过程所需时间短，约为 3.2 s，而普通管式三 用阀控制的单体支柱所需时间约为 3.4 s。 图 3（a）和 图 3（b）仿真特性曲线在理论上是趋于一致的，其结 果共同表明：插装式三用阀通流能力大，且控制的单 体支柱具有较快的动态响应特性。 

图 3 升柱阶段支柱动态特性变化曲线 

  承载溢流阶段，在冲击载荷作用下，溢流阀开启， 支柱下腔压力变化曲线如图 4（a）所示，普通管式三 用阀控制的单体支柱腔体峰值压力可达 36.2 MPa，而 插装式三用阀控制的单体支柱腔体峰值压力不 超 过 32.1 MPa，曲线结果表明：采用插装式三 用阀控 制的单体支柱可明显降低腔体峰值压力。 此时支柱 位移变化曲线如图 4（b）所示，由于煤层向下移动距 离短，2 种控制方式支柱位移变化曲线趋于一致。 （a）支柱下腔压力变化曲线 （b）支柱位移变化曲线

图 4 承载溢流阶段支柱动态特性变化曲线 

4 结语 

   基于插装阀理论对普通管式三用阀进行改造设 计， 利用 AMESim 软件对 DWX 型单体液压支柱 2 种控制方式进行对比，从理论上仿真分析升柱阶段 和承载溢流阶段支柱动态特性曲线变化情况，结果 表明：采用插装式三用阀控制的单体液压支柱通流 能力大，动态响应较快，且在承载溢流阶段腔体峰 值压力变化较为平缓， 即当煤层顶板周期来压时， 采用插装式三用阀控制单体液压支柱可明 显降低 腔体峰值压力，此时可延长支柱工作寿命，提高了 支柱的使用安全性和可靠性。 基于插装式三用阀的 单体液压支柱动态仿真研究为后续支柱结构改 造 设计及研发新型支柱产品奠定了技术基础，对保障 煤矿安全生产具有重要意义。 

参考文献：

［1］李炳文，朱冬梅，马显通. 单体液压支柱的现状及存在的问题［J］. 煤炭科学技术，2003，31（4）：54-57. 

［2］李炳文，朱冬梅，刘刚华，等. 柱塞悬浮式液压支柱密封方式的研 究［J］. 煤炭学报，2004，29（3）：367-370. 

［3］杜祥权.探析单体液压支柱初撑力的影响因素［J］. 煤炭工程，2004 （9）：40-41. 

［4］杨春生. 煤矿单体液压支柱的选择应用探讨［J］. 煤炭技术，2011，30 （7）：240-241. 

［5］宋志安，宋嘉，王万法. 外注式单体液压支柱参数化建模与仿真 ［J］. 山东科技大学学报：自然科学版，2012，31（6）：93-100. 

［6］袁红兵，岳大灵，廉自生. 基于 AMESim 的液控单向阀卸载动态 特性仿真研究［J］. 煤炭科学技术，2008，36（12）：69-71. 

［7］尚正阳，杨谷才. 基于 AMESim 液控单向阀动态特性仿真分析［J］. 煤矿机械，2012，33（7）：107-108. 

［8］何涛，王传礼，邓海顺，等. 基于 AMESim 的水压单体液压支柱建

原文转载自网络“来源/参考文献+中国煤炭行业知识服务平台”，如有侵权，请联系删除

乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍

乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。

  便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。 

具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。

上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;

   48型号的为150mm x 150mm

上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。

下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同： 
   63型号的为175mm x 175mm;
   48型号的为150mm x 150mm

  下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。

上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。

下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。

支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。

便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。

钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。




螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。

 

   特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
  在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。

  乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。

  其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。

便携式螺旋支柱适用范围：

1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；

2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；

3、巷道破碎进行永久支护前。

便携式螺旋支柱使用方法和要求：

1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。

2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。

3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。

4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。

5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。

6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。

7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。

便携式螺旋支柱使用规定

1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。

2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。

3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。

4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。

【联 系 人】：苏女士

【联系电话】：18075188209  

 

keyword： 便携式螺旋支柱，螺旋支柱价格，螺旋支柱型号，螺旋支柱厂家

文章来源：http://www.xtqk.site