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        φ500 mm缸徑立柱二級缸筒的可靠性分析

        2013-06-02 06:17:30王萬法宋嘉
        機床與液壓 2013年20期
        關(guān)鍵詞:安全閥活塞桿立柱

        王萬法,宋嘉

        (1.萬通液壓機械有限公司,山東日照 262313;2.山東科技大學(xué),山東青島 266510)

        φ500 mm缸徑立柱應(yīng)用于7 m大采高掩護式液壓支架,該液壓支架的設(shè)計要求是:最大高度7 m,工作阻力16 800 kN,支護強度應(yīng)不低于1.4 MPa。這樣支護高度和高工作阻力的液壓支架,大立柱參數(shù)及結(jié)構(gòu)的合理選取,是保證液壓支架在井下能夠正常工作的重要條件[1]。

        φ500 mm缸徑立柱的一級缸筒 (外缸筒)和二級缸筒 (內(nèi)缸筒)是立柱的關(guān)鍵部件,其安全強度決定了立柱的可靠性,從而也決定了掩護式液壓支架的支護質(zhì)量。作者從大缸徑立柱的研制出發(fā),介紹了大缸徑立柱的結(jié)構(gòu)特點和在掩護式液壓支架中的應(yīng)用,分析了雙伸縮立柱等負載下,活塞腔內(nèi)工作壓力的特點,確立了缸筒工作壓力和采用大流量安全閥的理論依據(jù);利用MATLAB編程,實現(xiàn)了變參數(shù)下缸筒驗算、壓力極限值和爆破壓力計算過程;應(yīng)用ANSYS對缸筒變形量進行了有限元分析。

        1 立柱工作原理

        掩護式液壓支架在升柱時,高壓液進入立柱下腔,立柱的二級缸帶著活塞桿一起升起,當(dāng)二級缸到位后,壓力升高,打開二級缸缸筒底部的單向閥,液體進入二級缸體活塞腔,推動活塞桿升起,使液壓支架頂梁接觸頂板,立柱下腔和二級缸筒內(nèi)壓力加大;當(dāng)增加到乳化液泵站工作壓力時,乳化液泵站自動卸載,液壓支架的液控單向閥關(guān)閉,立柱下腔壓力達到初撐力。液壓支架初撐力的大小取決于泵站的工作壓力、立柱缸徑和立柱的數(shù)量。合理的初撐力是防止直接頂過早地因下沉而離層、減緩頂板下沉速度、增加其穩(wěn)定性和保證安全生產(chǎn)的關(guān)鍵。一般采用提高泵站工作壓力的辦法來提高初撐力,以免立柱的缸徑過大。立柱結(jié)構(gòu)圖見圖1。

        圖1 立柱結(jié)構(gòu)圖

        假設(shè)立柱承受的負載力為F,一級缸筒的缸內(nèi)徑為D,外徑DW,二級缸筒的缸外徑為DW1,內(nèi)徑為D1(D>D1),p為二級缸筒外伸時一級缸活塞腔的工作壓力,p1為活塞桿外伸時二級缸缸筒活塞腔的工作壓力,立柱回油路較短,且直接回油箱,背壓力忽略不計。當(dāng)高壓液壓油從油口進入立柱一級缸活塞腔時,此時一級缸活塞受到的液壓力為:

        高壓乳化液推動立柱活柱 (二級缸筒+活塞桿)向外伸出,當(dāng)二級缸筒伸出到位后,壓力升高,打開二級缸體上的底閥,繼續(xù)向立柱二級缸活塞腔注液,此時二級缸活塞腔的工作壓力變?yōu)閜1(p1>p),底閥被打開,此時活塞桿活塞受到的液壓力為:

        式中:D為一級缸缸筒內(nèi)徑,D=0.5 m;

        D1為二級缸缸筒內(nèi)徑,D1=0.38 m。此時活塞桿向外伸出。當(dāng)立柱支撐頂板時,承受相等的載荷,此時,F(xiàn)=F1,由式 (1)和式 (2)得:

        代入數(shù)值得:

        液壓支架初撐后,隨著頂板壓力繼續(xù)增加,使立柱下腔壓力超過液壓支架1立柱的安全閥壓力調(diào)定值時,安全閥打開而溢流,立柱下縮,使頂板壓力減小,立柱下腔壓力降低,當(dāng)?shù)陀诎踩y壓力調(diào)整之后,安全閥停止溢流,這樣在安全閥調(diào)定壓力的限制下,壓力曲線隨時間呈波浪形變化,此階段為恒阻階段。此時液壓支架對頂板的支撐力稱為工作阻力,它由液壓支架立柱安全閥的調(diào)定壓力決定。掩護式液壓支架單個立柱的工作阻力為:

        式中:pa為液壓支架安全閥的調(diào)定壓力 (Pa)。這里Fa=8 400 kN。

        在恒阻階段,一級缸筒和二級缸筒活塞腔承受相等的支撐載荷,也就是二者承受同樣大小的載荷:F=F1=Fa,由此得二級缸活塞腔的壓力為:

        對式 (4)和式 (5)利用MATLAB編制計算程序如下:

        運行上述程序,得:

        一級缸安全閥調(diào)定壓力 (MPa):

        pa=42.7808

        請輸入安全閥的調(diào)定壓力 (MPa)=42

        二級缸活塞腔內(nèi)壓力 (MPa):72.7146

        在恒阻階段,二級缸活塞腔的壓力是一級缸活塞腔壓力的1.731 3倍。當(dāng)受到?jīng)_擊時,由于立柱安全閥排液受到限制,二級缸活塞腔的壓力還要高。由于壓力太高,二級缸缸筒在高壓下要膨脹變形,直徑加大,因而在降柱時,會造成立柱與導(dǎo)向套之間的附加阻力,輕則導(dǎo)向套塑料襯環(huán)表面被破壞,重則導(dǎo)向套與立柱咬死,甚至導(dǎo)向套被擠裂破壞。為了防止液壓支架或立柱損壞,在沖擊地壓大的工作面,液壓支架立柱上需要安裝兩個大流量安全閥[2-3]。

        2 缸筒可靠性計算

        2.1 缸筒壁厚的驗算

        一級缸缸筒直徑D=500 mm,安全閥調(diào)定壓力pa=42 MPa,缸蓋與缸筒采用焊接工藝,若缸筒材料選用27SiMn,其力學(xué)性能為:σb=980 MPa,伸長率δ=8.5。

        根據(jù)圖1可知:一級缸體壁厚為40 mm,當(dāng)立柱是薄壁立柱 (δ/D≤0.08)時,壁厚δ可按下式計算[4-6]:

        式中:pmax為立柱設(shè)計或額定工作壓力,這里為安全閥的調(diào)定壓力,pmax=pa;

        [σ]為缸筒材料的許用應(yīng)力 (MPa),對于脆性材料,[σ]=σb/n;

        σb為材料的抗拉強度或斷裂強度,σb=980 MPa;

        n為安全系數(shù)。

        對于二級缸筒,其壁厚為 450 mm,δ/D1=0.118 4,缸筒壁厚的計算公式為

        對式 (6)和式 (7)編制MATLAB程序如下:

        運行上述程序,得到一級缸體安全系數(shù):n=3.733,二級缸體安全系數(shù):n1=2.361 6,計算結(jié)果符合設(shè)計要求。

        2.2 壓力極限值

        立柱的額定工作壓力pa應(yīng)低于一定的極限值,才能保證立柱安全工作,即

        式中:DW、DN分別為立柱缸筒的外徑和內(nèi)徑 (m);

        σs為缸筒屈服極限 (MPa),σs=835 MPa。

        按式 (8)對一級缸和二級缸缸筒進行編程如下:

        2.3 爆破壓力

        為確保立柱安全使用,缸筒的爆裂壓力pE應(yīng)大于其耐壓實驗壓力pr:

        式中:pr為耐壓試驗壓力,pr=1.25pa。

        3 變形量有限元分析

        3.1 一級缸體變形量

        為簡化,把一級缸筒看作是空心圓柱體,在ANSYS環(huán)境建模,D=0.5 mm;DW=0.58 mm,彈性模量設(shè)置為2.6×1011,泊松比設(shè)置為0.3,對所建模型進行網(wǎng)格劃分,對缸筒兩端施加全約束,在缸筒內(nèi)部施加p=1.25×42×106N/m2均布壓力載荷,求解得到變形量和應(yīng)力情況結(jié)果如圖2所示。

        圖2 一級缸筒變形量

        由圖2可以看出:徑向變形量為δ=0.349 mm,滿足設(shè)計要求。

        3.2 二級缸體變形量

        在ANSYS環(huán)境建模,彈性模量設(shè)置為2.6×1011,泊松比設(shè)置為0.3,D1=0.38 mm;DW1=0.47 mm,對所建模型進行網(wǎng)格劃分,對缸筒兩端施加全約束,在缸筒內(nèi)部施加p=1.25×1.731 3×42×106N/m2均布壓力載荷,求解得到變形量和應(yīng)力情況結(jié)果如圖3所示。

        圖3 二級缸筒變形量

        由圖3可以看出:徑向變形量為δ=0.42 mm,滿足設(shè)計要求。

        4 結(jié)論

        把MATLAB應(yīng)用于大缸徑立柱的設(shè)計工作中,所做的工作總結(jié)如下:

        (1)介紹了大缸徑立柱的結(jié)構(gòu)特點和在掩護式液壓支架中的應(yīng)用原理;

        (2)分析了雙伸縮立柱等負載下,活塞腔內(nèi)工作壓力的特點,確定了缸筒工作壓力和采用大流量安全閥的理論依據(jù);

        (3)利用MATLAB編程,實現(xiàn)了變參數(shù)下缸筒驗算、壓力極限值和爆破壓力計算過程;

        (4)應(yīng)用ANSYS對缸筒變形量進行了有限元分析。

        文中介紹的方法可以用于復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計的全過程。

        【1】徐祖輝,樊軍,李吉堂,等.缸徑液壓支架立柱的優(yōu)化設(shè)計[J].煤礦機械,2011,32(1):39-41.

        【2】程居山,曹連民.液壓支架雙伸縮立柱的結(jié)構(gòu)型式和性能分析[J].煤礦機械,2002(11):34-37.

        【3】程居山,宋志安.礦山機械液壓傳動[M].北京:中國礦業(yè)大學(xué)出版社,2007.

        【4】宋志安.MATLAB/Simulink與機電控制系統(tǒng)仿真[M].2版.北京:國防工業(yè)出版社,2011.

        【5】刑???煤礦支護手冊[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1993.

        【6】許賢良.液壓缸及其設(shè)計[M].北京:國防工業(yè)出版社,2011.

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