煤礦設備液壓支架故障_立柱損壞原因分析

(1)損壞原因分析

    因電鍍面碰傷、劃傷、鍍層脫落而損壞的立柱，原因比較明顯。下面通過缸體的強度校核、立柱的穩定性驗算，以及通過分析橫向力的來源，來分析立柱損壞的原因。

    ①缸體的強度校核雙伸縮立柱的外缸、中缸多數用27SiMn無縫鋼管制作，其σ_b=1000MPa，一般選安全系數n=5；[ σ]= σ_b/5=200MPa

由中厚壁缸筒經驗公式，可算出缸筒壁厚的值：

                                (6-3)              

式中p——液壓缸的最大工作壓力；

     D——缸筒內徑；

  [σ]——缸筒材料的許用應力；

   ψ₀——強度系數，無縫鋼管取V =l；

    C——計入管壁公差及腐蝕時的附加厚度，一般可略去。

ZFS5100型立柱外徑理論計算壁厚：

 

    1. 81cm＜2. 5cm（實際壁厚），強度足夠。

ZFS5100型立柱中缸理論計算壁厚：

 

    2.4cm＞1.5cm（實際壁厚）強度不夠。同樣可算出ZZ56K型立柱外缸、中缸理論計算壁厚：

    δ外=1.7(cm) ＜1.95(cm)，強度足夠。

    δ中=2.39(cm) ＞2.0(cm)，強度不夠。

    由計算可以看出，立柱外缸的壁厚比較富余，脹缸的比例較小}中缸的壁厚選得比較單薄，脹缸的比例較大。換言之，外缸在設計過程中，安全系數n=5（符合設計手冊n≥5的要求），而中缸的安全系數n=3.3～4。這就是立柱缸體有時出現脹缸的主要原因之一，這種計算結果與實際遇到的脹缸情況也是一致的。

    ②立柱的穩定性驗算設計人員在立柱的設計及驗算過程中，一般將立柱考慮為兩端鉸接，無偏心載荷等截面細長桿受軸向載荷的情況，在這里略去活柱與小導向套間隙的影響，將活柱和中缸視為一體，受縱向壓力來研究其穩定性。

    a. 無偏心載荷時的縱向彎曲極限力Pr的計算。

    以ZFS5100型立柱為研究對象，計算柔度λ：

λ=ul/i    (6-4)

式中u——壓桿長度系數，兩端鉸接，取u=1；

     Z——活塞桿計算長度，即在活柱全部伸出時，活柱頂端的連接點與液壓缸支撐點之間的距離，l=335cm；

   i——活柱橫截面的最小慣性半徑，i==3.5(cm)。

    所以              

    b．查表可知λ₁ =100，λ₂ =60，由于λ₂ <λ<λ₁，故用直線公式計算臨界應力。

    σ_c =a-σλ= (461 -2.568×95.7)×10²=215×10² (N/cm²)

P_c=σ_cA -σ_c（π/4）d2 =215×(3.14/4) ×14² =3312kN

c．安全系數的計算。

u=P_c/P=3312/1200=2.75

    用同樣的方法可以算出：

    ZZ560K型立柱  p_c=4944kN，u=4.34；

    ZZP5200型立柱  p_c=5124kN，u=3.9。

通過計算可以看出，在這種理想的受力狀態下其穩定性的富余量不太足，再加上立柱是一個組合體，在活塞與缸筒、活柱與導向套、中缸與導向套之間存在間隙，特別是橫向力的出現，使立柱的活柱在受軸向力的同時，還受到一彎曲應力的影響。當壓、彎應力超過其許用應力一定值時，活柱或中缸就會產生永久性彎曲變形。產生彎曲變形的活柱或中缸在做伸縮運動時，就會對其配合面產生機械劃傷。同時也致使外缸、中缸缸口形成橢圓形，造成連接螺紋損壞，密封面失效。活柱、中缸彎曲變形示意如圖P所示。

    ③立柱所受橫向力的來源V形布置的立柱的自重引起的橫向力太小，可忽略。而支架左、右傾斜是立柱產生橫向力的主要來源。

立柱的下端柱腳是通過與底座相連的兩個銷子鉸接的，左、右方向可簡化為固定連接（面向支架的前梁），見連接示意圖Q和受力圖R，前后方向可簡化為鉸接，見圖S和圖U。

    由于井下地質條件復雜，工作面的傾斜，頂、底板的不平，均能迫使支架傾斜；支架的底座銷孔、四連桿銷孔橢圓磨大、銷軸的彎曲、磨細等，也致使支架傾斜。支架的傾斜量Ay應等于立柱上端受一橫向力F所產生的撓度（見圖U）。

    當支架前后傾斜時，立柱將有一定的轉動量，正常情況下是不會產生橫向力的，但一旦柱窩進入異物，如煤、矸石、金屬物、木材等，橫向力就隨之而產生(見圖S)。