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        探討小型地面鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸設(shè)計(jì)

        2018-12-27 06:00:12楊永梅
        世界有色金屬 2018年20期
        關(guān)鍵詞:活塞桿液壓缸鉆機(jī)

        楊永梅

        (河北省地礦局地質(zhì)一隊(duì),河北 邯鄲 056001)

        小型地面鉆機(jī)是地面煤層氣抽采的常用和關(guān)鍵性設(shè)備。在實(shí)際工程中發(fā)現(xiàn),目前所普遍采用的鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸有成本高昂、體積質(zhì)量大不易運(yùn)輸、維修困難等多方面缺點(diǎn)。因此,研究出良好且可以被普遍使用的液壓缸制造工藝,顯得尤為重要[1]。

        1 液壓缸主要參數(shù)確定

        小型地面鉆機(jī)通常工作環(huán)境比較惡劣,主要應(yīng)用于煤層資源豐富的我國(guó)南方復(fù)雜山地地區(qū)。鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸工作原理是活塞運(yùn)動(dòng)原理,因此要想確定液壓缸的主要參數(shù),首要任務(wù)是確定液壓缸活塞桿理論推理大小。根據(jù)理論知識(shí),安裝在桅桿頂部的液壓缸的后端受力平衡方程為:

        在實(shí)際的工程案例中,F(xiàn)起拔的大小可以通過實(shí)際測(cè)量得到,將F起拔帶入上述平衡方程,就可以確定活塞桿理論最大推力F。

        接下來,就需要確定液壓缸活塞直徑和活塞桿直徑,此步驟可以根據(jù)壓強(qiáng)與力的關(guān)系來確定。通過對(duì)力與壓強(qiáng)之間的關(guān)系進(jìn)行分析,然后得出相應(yīng)的液壓缸活塞在進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的速比公式為:

        2 液壓缸筒強(qiáng)度分析

        在實(shí)際工程使用過程中,現(xiàn)場(chǎng)人員看來液壓缸的好壞就體現(xiàn)在液壓缸筒強(qiáng)度上。如果強(qiáng)度達(dá)不到實(shí)際工程需求,造成的經(jīng)濟(jì)損失和人身安全損失將會(huì)是巨大的。為保證液壓缸在安全的情況下進(jìn)行工作,需要對(duì)液壓缸筒壁厚進(jìn)行校核,其校核的公式為:

        在上式子中,PN為鉆機(jī)處于最大起拔力工況時(shí)液壓缸所承受的壓力。

        應(yīng)該注意到的一點(diǎn)是,在鉆機(jī)的實(shí)際工作過程中,隨時(shí)都可能出現(xiàn)液壓缸筒所受壓力瞬間增大的現(xiàn)象,為了保證液壓缸筒在壓力瞬間增大的過程中不被破壞,在設(shè)計(jì)液壓缸筒的最大承受壓力是應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于利用上式計(jì)算出來的壓力,為此,有經(jīng)驗(yàn)公式如下:

        這是根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)總結(jié)出來的液壓缸筒抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值計(jì)算公式,按照此式子計(jì)算并設(shè)計(jì),可以確保液壓缸筒壁設(shè)計(jì)出來滿足防爆裂需求[2]。

        經(jīng)過了理論驗(yàn)算之后,為進(jìn)一步驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性,可以利用有限元分析軟件ANSYS、ABQUS、3D3S等對(duì)液壓缸筒壁進(jìn)行更為深入的靜力學(xué)有限元分析,可以得到鉆機(jī)進(jìn)給液壓缸的應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。

        3 活塞桿穩(wěn)定性探討

        在實(shí)際的工程中會(huì)應(yīng)用到多種細(xì)長(zhǎng)類桿件和壓縮部件,當(dāng)其所承受的載荷達(dá)到或超過其臨界值的時(shí)候會(huì)導(dǎo)致其彎曲失穩(wěn),甚至出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象,這被稱為材料的屈服過程,任何一種工程實(shí)際當(dāng)中的材料,在實(shí)際使用過程中都會(huì)有彎曲失穩(wěn)的可能性。

        對(duì)小型地面鉆機(jī)的應(yīng)用過程進(jìn)行分析,當(dāng)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸行程遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于系統(tǒng)活塞桿直徑的時(shí)候,該情況下最容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)等情況,這就需要對(duì)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算,避免實(shí)際應(yīng)用的過程中發(fā)生意外事故。

        活塞桿壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算可以根據(jù)理論力學(xué)中壓感穩(wěn)定性驗(yàn)算的公式來判別:

        在式中,F(xiàn)是給進(jìn)液壓缸在正常運(yùn)行的情況下承受的最大壓力;Fk為活塞桿在彎曲失穩(wěn)的臨界狀況下承受的壓縮力;nk為安全系數(shù),其取值根據(jù)壓桿穩(wěn)定性驗(yàn)算的附表選?。籈為彈性模量;I為活塞桿橫截面形心主慣矩。由計(jì)算公式可知,在鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸系統(tǒng)中,當(dāng)材料、桿直徑、安裝距離等數(shù)值保持不變的情況下,活塞桿的彎曲失穩(wěn)臨界壓縮力只與液壓缸安裝導(dǎo)向系數(shù)與關(guān)。

        基于此,為了保證后期的養(yǎng)護(hù)和維修工作的順利進(jìn)行,工作人員給進(jìn)液壓機(jī)的改進(jìn)提出了三種不同的安裝方式:其一是活塞桿外端有“前耳環(huán)”,具有導(dǎo)向性,其二是后耳環(huán)活塞桿外端為前耳環(huán),其三是活塞桿外端有螺紋,有導(dǎo)向。

        對(duì)活塞桿進(jìn)行線性屈服分析可以發(fā)現(xiàn),當(dāng)活塞桿發(fā)生屈服變形時(shí),會(huì)產(chǎn)生非常大的橫向變形,這種情況下活塞桿極易被折斷,而想要維修更換已經(jīng)折斷的活塞桿所花費(fèi)的費(fèi)用及技術(shù)難度都非常大,不具有現(xiàn)實(shí)的維修意義。

        4 對(duì)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)探討

        綜合上述分析結(jié)論可知,對(duì)鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)最為便捷的方式就是改變液壓缸筒材料,選用合適的材料讓液壓缸筒的強(qiáng)度最大化的利用所用材料的屈服強(qiáng)度。根據(jù)科學(xué)的研究分析表明,缸筒底厚、缸筒壁厚與最大應(yīng)力、最大應(yīng)變和質(zhì)量都能相互產(chǎn)生響應(yīng)關(guān)系,具體而言,底厚和壁厚的變化和強(qiáng)度決定著液壓缸的最大應(yīng)力、最大應(yīng)變質(zhì)量的變化和大小。再者,底厚的變化對(duì)整體影響不大,壁厚對(duì)整體的影響較大。綜合上述結(jié)論得出鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案:選用合適的材料,在抗壓強(qiáng)度滿足要求的前提條件下盡量減小壁厚。

        5 結(jié)語

        綜上所述,本文針對(duì)小型地面鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸,結(jié)合已有科研資料和所學(xué)知識(shí),做了初步探討和研究,并提出最簡(jiǎn)單的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案,主要成果總結(jié)如下:第一,研究了液壓缸主要參數(shù)的確定方法;第二,研究了液壓缸的強(qiáng)度穩(wěn)定性;第三,對(duì)液壓缸及活塞桿的彎曲失穩(wěn)變形做了初步研究;第四,提出了一種簡(jiǎn)單的鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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