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σb=1000MPa,一般選安全系數n=5;[ σ]= σb/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。
σc =a-σλ= (461 -2.568×95.7)×102=215×102 (N/cm2)
Pc=σcA -σc(π/4)d2 =215×(3.14/4) ×142 =3312kN
c.安全系數的計算。
u=Pc/P=3312/1200=2.75
用同樣的方法可以算出:
ZZ560K型立柱 pc=4944kN,u=4.34;
ZZP5200型立柱 pc=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)。