龐礦安

(淮北礦業(yè)集團(tuán)公司生產(chǎn)管理部,安徽淮北 235000)

一種液壓支架抬底機(jī)構(gòu)損壞原因分析與改進(jìn)措施

龐礦安

(淮北礦業(yè)集團(tuán)公司生產(chǎn)管理部,安徽淮北 235000)

淮北礦區(qū)井下綜采工作面使用的一種帶抬底機(jī)構(gòu)的液壓支架,經(jīng)過 4年多的使用,發(fā)現(xiàn)在抬底千斤頂?shù)亩S及其他部位有損壞的現(xiàn)象,經(jīng)過對(duì)抬底機(jī)構(gòu)損壞部位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)考察、分析、論證,并對(duì)其損壞部位進(jìn)行力學(xué)分析,找到了損壞的具體原因,根據(jù)損壞情況提出預(yù)防與改進(jìn)措施。

液壓支架;抬底千斤頂;損壞分析

Cause of Failure of Base-lift Structure of Powered Support and Its Improvement Measure

近年來隨著長(zhǎng)壁綜采技術(shù)在國(guó)內(nèi)的推廣應(yīng)用,以及一大批千萬噸級(jí)礦井的出現(xiàn),強(qiáng)力、高端支架迅猛發(fā)展。液壓支架立柱、千斤頂缸徑不斷擴(kuò)大,類型不斷增多,抬底千斤頂作為支架千斤頂?shù)囊环N,發(fā)揮著重要作用。

抬底千斤頂一般安裝在底座過橋上,其作用是移架時(shí)將底座前端抬起從而減小移架阻力,加快移架速度。其主要由缸體、活塞、活塞桿、導(dǎo)向套及密封件等組成。按裝配型式可把抬底千斤頂分為正裝和倒裝 2種型式。正裝抬底千斤頂缸底向下,活塞桿固定在過橋板上,缸筒作為活動(dòng)體作用在推桿上面把支架前端抬起;相反,倒裝千斤頂缸底向上,缸筒固定在過橋板上,活塞桿作為活動(dòng)體作用在推桿上面把支架前端抬起。由于安裝方式的不同,抬底千斤頂在使用過程中部件受力的形式也不同,其損壞的方式也千差萬別。根據(jù)近年來的支架大修經(jīng)驗(yàn),對(duì)正裝抬底千斤頂和倒裝抬底千斤頂作比較,找出抬底千斤頂損壞原因,并提出相應(yīng)的解決辦法,以提高抬底千斤頂?shù)目煽啃浴?/p>

1 抬底千斤頂損壞形式

從多年的支架大修中發(fā)現(xiàn),正裝抬底千斤頂明顯優(yōu)于倒裝形式。正裝抬底千斤頂大部分都是密封件的老化、磨損造成內(nèi)部竄液以及其他方面損壞。倒裝抬底千斤頂損壞形式比較多樣：千斤頂耳軸沿根部斷裂;由于壓力和摩擦力的作用,活塞桿出現(xiàn)彎曲、漲頭現(xiàn)象;千斤頂缸口部位受力變形,導(dǎo)致蕾型圈、O型圈失去密封作用;支架底座過橋上的耳板容易變形、撕裂;其他方面的損壞。

兩套支架大修時(shí)抬底千斤頂?shù)膿p壞形式及其所占比例如表 1。

表1 抬底千斤頂損壞形式

2 倒裝千斤頂損壞原因分析

從表 1中可以看出兩套支架抬底千斤頂?shù)膿p壞形式共同點(diǎn)是：密封件失效和其他方面損壞,都占抬底千斤頂總數(shù)量的 10%左右。不同點(diǎn)是：倒裝抬底千斤頂耳軸沿根部斷裂和過橋耳板撕裂約占總數(shù)量的 32%。從損壞的比例和形式上看密封件失效和其他方面損壞是正常損壞,符合支架大修的標(biāo)準(zhǔn)。而耳軸沿根部斷裂和過橋耳板撕裂所占比例較大,是不正常損壞,應(yīng)是設(shè)計(jì)強(qiáng)度問題。

2.1 過橋耳板抗拉強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)損壞的耳板情況,分析結(jié)果如下：耳板受力時(shí)存在著不同程度的偏載,耳板受拉,拉裂的耳板先發(fā)生表面塑變,然后出現(xiàn)裂縫,裂縫方向如圖 1所示沿 cd方向,與垂線夾角近似 3°。

忽略耳板與銷軸間隙,則 cd=ab/cos3°=L。

(1)耳板Ⅰ剪力 Q1的計(jì)算 在抬底千斤頂 P力的作用下,耳板Ⅰ和耳板Ⅱ有 4個(gè)截面受剪。由于千斤頂作用力不對(duì)稱,使耳板受偏載,其中一個(gè)耳板的兩個(gè)截面受剪力較大。為使耳板強(qiáng)度足夠,取偏載系數(shù)為 1.5,作用在耳板Ⅰ上的剪力 Q1=1 15 P／2＝0 17 5 P。式中,P為千斤頂所受最大外力。

圖1 倒裝抬底千斤頂耳板受力

考慮到兩個(gè)受剪面中一個(gè)受剪面先出現(xiàn)裂縫,因此,在承載分配中對(duì)一受剪面取 1.1倍的載荷不均勻系數(shù)。因此,作用在 cd截面上的剪力 q=1.1 Q1/2=0.41P。

(2)耳板Ⅰ剪應(yīng)力的計(jì)算：

2.2 耳軸抗彎強(qiáng)度計(jì)算

在實(shí)際抬架時(shí)千斤頂受到偏載作用產(chǎn)生偏扭力矩。設(shè)千斤頂支撐力為 P,偏扭力矩為Mp,P=Q,由偏扭力矩產(chǎn)生的力 Fp=Mp/B (Fp一般取 P/10),則 F=P+Fp。銷軸受力如圖 2所示,對(duì) Q2力作用點(diǎn)取矩,則 Q1L=F(L-Δ)

彎矩 M=QΔ,剪力 Q=Q1則

根據(jù)第四強(qiáng)度理論,耳軸強(qiáng)度應(yīng)滿足：

式中,[σ]為耳軸材料的屈服強(qiáng)度。

抬底千斤頂一般都是根據(jù)井下地質(zhì)條件設(shè)計(jì)的,設(shè)計(jì)時(shí)一般都考慮安全系數(shù),沒有特殊情況結(jié)構(gòu)件一般不會(huì)出問題。支架抬底裝置正確的操作方法為當(dāng)采煤機(jī)采過一個(gè)截深后,開始推溜拉架,拉架時(shí)應(yīng)首先降架收回立柱,然后抬腳裝置中千斤頂活塞腔進(jìn)液,使抬腳千斤頂活塞桿伸出將支架底腳抬起,此時(shí)移溜千斤頂活塞腔進(jìn)液、活塞桿腔回液實(shí)現(xiàn)拉架,當(dāng)支架移到位后應(yīng)先將抬底千斤頂活塞桿縮回,手把打到零位,然后再升起立柱。

圖2 抬底千斤頂耳軸受力

由于現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)常出現(xiàn)抬底千斤頂沒有收回而升立柱的誤操作現(xiàn)象,造成立柱的初撐力直接作用在抬底千斤頂上,導(dǎo)致千斤頂受力過大損毀耳軸。

裝置銷軸孔強(qiáng)度不夠,變形甚至損壞。立柱初撐力為 2533kN,考慮到抬底千斤頂和底座后部同時(shí)受支撐力,故取兩棵立柱初撐力之和的 1/2為千斤頂所受正壓力,即為 2533kN。

耳板Ⅰ剪應(yīng)力的計(jì)算：

由以上計(jì)算可知,耳板的安全系數(shù) n1為 1.42,滿足許用安全系數(shù) [n1]的要求。千斤頂耳軸的安全系數(shù) n2為 0.6,不能滿足許用安全系數(shù) [n2]的要求。因此,要對(duì)耳軸進(jìn)行必要的加強(qiáng)。

2.3 耳軸改進(jìn)措施

根據(jù)以上最惡劣的工況,考慮工人誤操作的情況下,對(duì)耳軸強(qiáng)度加強(qiáng),將耳軸直徑提高為 60mm。

耳軸抗彎強(qiáng)度計(jì)算：

此種情況下,可以滿足強(qiáng)度的需要。

3 預(yù)防與改進(jìn)措施

液壓支架千斤頂在使用中正常的損壞是不可避免的,抬底千斤頂也不例外,如表 1中提到的密封件失效,接觸面磨損,鍍層脫落等形式。這些損壞形式雖然所占比例較大,但不致于千斤頂報(bào)廢,就目前的檢修手段完全可以恢復(fù)其性能。

因此,對(duì)該種型式千斤頂可進(jìn)行如下改進(jìn)：

方法 1：由于耳軸的彎曲應(yīng)力與耳軸直徑的立方成反比、剪切應(yīng)力都與耳軸直徑的平方成反比,只要加大耳軸直徑對(duì)提高耳軸強(qiáng)度十分顯著。

方法 2：通過表 1的對(duì)比表明,正裝千斤頂明顯優(yōu)于倒裝抬底千斤頂,因此,改變千斤頂?shù)男褪揭彩且环N有效途徑。

強(qiáng)化支架操作工的培訓(xùn),拉架后要先收抬底機(jī)構(gòu)然后升柱。

4 結(jié)束語

鑒于以上 2種改進(jìn)方法,在大修支架時(shí)采用了第 1種方法,簡(jiǎn)單易行,成本較低,取得了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效應(yīng)。第 2種方法在支架設(shè)計(jì)初期值得借鑒和推廣。

[1]王國(guó)法,等 .液壓支架技術(shù) [M].北京：煤炭工業(yè)出版社,1990.

[2]雷天覺,等 .液壓工程手冊(cè) [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,1990.

[3]成大先 .機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)第四版 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2002.

[4]劉鴻文 .材料力學(xué)第二版 [M].北京：高等教育出版社,1987.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù) ]

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1006-6225(2011)02-0077-03

2010-12-16

龐礦安 (1963-),男,安徽蒙城人,高級(jí)工程師,從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作。