晖1 ,包从望2
(1.兖矿集团唐村实业有限公司,山东 邹城 273522;2.六盘水师范学院,贵州 六盘水 553000)
摘要:针对单体液压缸在矿井使用过程中质量大、不便维修和搬运的问题,依据轻量化的设计要求,从 材料、结构及工艺方面综合考虑后,设计了一种轻型单体液压支柱,该液压支柱能有效减小单体液压 支柱的质量,此外,还具有强度高、刚性好、耐腐蚀性强及寿命长的优点。
关键词:单体液压支柱;轻量化设计;有限元分析
单体液压支柱是煤矿生产中必不可少的支护设 备,其可靠性是煤矿安全生产的前提之一。目前,矿 井生产中单体液压支柱的安装及维护均需人工操 作,而支柱质量一般都在 100kg以上,以最为常用 的 DW45250/110X型单体液压支柱为例,其质量在 115kg以上,这给支架搬运带来了极大的挑战[15] 。
为此,单体液压支柱的轻量化成了研究的热点方向。 国内外大量专家对此进行了大量的研究,如采用轻 质铝合金、高钛合金以及玻璃钢等作为单体液压支 柱的制备材料,但常受工艺及成本的影响,该项技术 未能得到普及。目前尚缺少强度高、行程大、成本低 且可广泛普及的单体液压支柱。 为实现单体液压支柱的轻量化设计,基于悬浮 式单体液压支柱结构,根据轻量化的优化要求,从工 艺、材料及结构等方面综合考虑,实现单体液压支柱 的轻量化设计[69] 。与目前已有的单体液压支柱相 比,所提方法具有强度高、质量轻、刚度高及耐磨性 和耐腐蚀性好的优点。该研究可实现新型材料的推 广应用,增强企业竞争力同时减轻工人的劳动强 度[1011] 。
1 单体液压支柱力学模型
参照现有支柱的成熟结构,同时考虑工艺难度 系数,以结构简单、密封部位少、质量轻的原则设计 单体液压支柱的结构[1214] 。液压支柱的主要组成 部分分为活柱和油缸,为建立单体液压缸的力学模 型,将油缸简化为薄壁支撑管件,并根据工作环境将 缸体的受力分为内部压强 p、端压 F和弯矩 M,如图 1所示。
1.1 内压力
忽略表面压强后,将支柱按照薄壁筒计算应力, 见式(1),式中d、D分别为筒的内壁直径和外壁直
1 缸体受力分布
Fig1 Stressdistributionofcylinderblock
径。由于支柱的承压较大,为提高计算精度,根据厚 壁圆筒理论计算径向和切向应力的分布,见式(2)。
1.2 端压计算
活柱受轴向压力较大,为计算轴向应力大小并 校核压杆的稳定性,活柱的端压计算见式(3)。
由于活柱是浸没在油缸中产生的端压,因此活 柱的计算可简化为 -p。 对于油缸,其端部的受力形式为拉力,由活柱与 油缸之间的环面缝隙形成,计算公式见式(4),式中 下标 1和 2分别表示油缸和活柱。若精度满足要 求,则环面缝隙较小,引起的拉力也较小,因此可以 忽略。
1.3 弯矩计算
结合标准要求,将支柱在偏压的环境下进行试 验,此时压力引起的弯矩计算见式(5),式中 δ为偏 心距,F为支柱的压力。支柱为同心圆筒,其惯性矩 的计算见式(6)。
根据薄壁圆筒的结构,将其看作欧拉伯努利梁, 计算过程中可忽略梁的剪切应力,则弯矩产生的应 力分布见式(7),将液压支柱中压力 F的计算式代 入式(7)中,可将应力分布的计算简化为式(8)。
1.4 等效应力的计算
上述分析中,考虑了所有方向的主应力。各主 应力的方向为,σ2 与 σ3 在同一主方向,σr与 σθ占 据另外 2个主方向。根据小变形的线弹性假设,同 一方向的应力叠加。在将油缸或活柱简化为欧拉伯 努利梁的情况下,在任意环形断面上的应力分布是 相同的。因此可以只考虑某一断面的应力分布规 律,其表达式见式(9)。
由于所用材料 27SiMn为弹塑性材料,可以按 照畸变能强度理论判断材料失效。根据畸变能强度 理论,材料的等效应力见式(10)。 σ
2 有限元分析
根据以上的理论分析油缸和活柱的受力情况, 分别计算各应力分量,可得等效应力[1516] ,4.5m支 柱的油缸和活柱的结构参数如下:D为 121mm,d 为 96mm。
额定工作阻力时的压强 p=22.3MPa,偏心加 载时的偏心距 δ=20mm。利用 ANSYS中的 Work bench举例对油缸进行建模,并采用 CFD方式进行 网格划分,如图 2所示。
图 2 缸体网格划分结果
Fig2 Resultofcylinderblockmeshing
27SiMn材料的屈服强度 σs =835MPa,根据 《机械设计手册》第五版中有式(11),S为安全系 数,S=S1S2S3(S1:考虑材料的可靠性取 1.07,S2:考 虑零件的工作条件取 1.2,S3:考虑计算的精确性取1.25),因此安全系数为 1.605,[σ]=520.2MPa。 σlim =σs,[σ]=σlim/S (11)
2.1 额定工作阻力偏心加载工况的应力计算
由于偏心加载的应力较为复杂,因此首先计算 偏心加载时的应力分布。计算结果包括内压引起的 径向应力和切向应力、弯曲引起的应力、考虑端压的 等效应力[1718] 。
基于相同的模型和理论,活柱和油缸的应力分 布类似。它们的径向应力均为压应力,压应力的绝 对值由内到外逐渐减小至 0;切向应力较大,从内到 外逐渐减小;由弯矩引起的应力对称。等效应力的 分布为:在同一径向上,等效应力由外到内逐渐增 大;最大等效应力发生在弯曲的压缩一侧的内壁;活 柱的最大等效应力为 256.2MPa,油缸的最大等效 应力为 252.5MPa。根据计算结果,以压强的形式 将载荷加在所建造模型上,以油缸为例,边界约束如 图 3所示,对应的仿真结果如图 4所示。
图 4 油缸有限元仿真结果
Fig4 Finiteelementsimulationresultsofcylinder
2.2 2倍额定工作阻力时的应力计算
当支柱以 2倍载荷工作时,活柱和油缸的等效 应变如图 5所示。两者的分布情况类似,等效应力 从外壁到内壁逐渐增加。活柱的最大等效应力为 450MPa,油缸的最大等效应力为 510MPa。
图 5 支柱 2倍阻力的仿真结果
Fig5 Simulationresultsof2timesresistanceofpillar
总结有限元分析结果可以得到:活柱和油缸的 有限元应力计算结果与理论分析基本符合,只是在 局部位置出现了应力集中现象,这些局部的应力集 中不影响液压支柱的安全性,因此设计合理,支柱是 安全的。
3 优化设计
3.1 加工工艺的确定
对于高硬度状态下的优质合金钢,在保证支柱 获得足够强度和韧性的前提下,减小管材壁厚,可明 显减小管材质量。但是,这对于油缸和活柱内外径 的尺寸精度、壁厚均匀度及管材直线度等均提出了 更高要求。
在保证使用性能的前提下,对油缸和活柱的毛 胚成型工艺、热处理微变形控制工艺和高硬度、薄 壁、细长管材的机械加工工艺等进行了试验和深入 分析,既控制了支柱的制造效率和成本,又提高了其 使用性能。
在毛胚管材成型工艺方面,现国内钢厂生产的 毛胚管壁厚、圆度、直线度等尺寸偏差较大,而轻型 支柱的壁厚较薄且细长,这就对加工前管材的尺寸 精度提出了较高要求。经调研论证,确定对钢厂毛 胚管首先采取精轧工艺处理,处理后管材的尺寸精 度高、光洁度高,较好地解决了相关问题。
3.2 支柱的轻量化设计
确定了支柱的基本结构和关键尺寸后,依据轻 量化设计原则,对轻型支柱所有部件对结构、参数均 进行了设计计算,确定配件结构、几何形状、配件间 的配合形式、公差范围、配件的安装方式、配件间的 连接方式、密封形式、密封件尺寸等[1920]
根据测试结果对支柱各组件的关键参数和结构进行了优化设计,例如,将底座改为焊接底座,尺寸 变小,减轻质量;顶盖改成钢丝连接,密封盖可以进 一步减小,减轻质量;活柱上有装钢丝的沟槽,密封 件容易刮伤,将沟槽单面倒角等。经检验,所有技术 指标均达到了设计要求。
4 工业性试验结果与分析
为了验证轻型单体液压支柱的性能和现场使用 情况,2019年 4月,由受委托公司生产了 200根 DW45200/100X(B)型轻型单体液压支柱。①生产 的 200根支柱质量均在 82~85kg,不大于 85kg。 ②额定工作阻力 200kN,额定工作液压 223MPa。 ③整个支柱除了内部的密封件,其余全为不燃材料, 磕碰不产生电火花。④ 油缸端头粗糙度不大于 Ra32,活柱表面粗糙度不 大 于 Ra08。⑤ 按 照 MT/T1121—2006标准试验,操作性能、密封性能、 强度等均符合要求。支柱 2倍额定工作阻力中心加 载、偏载 20mm额定工作阻力试验无渗漏、无塑性 变形。
5 结论
完成了缸柱管材及其他组件的轻量化设计,确 定了高硬度、高韧性合金钢管材的选型范围,27SiMn 合金钢通过处理能够达到使用要求。针对管材壁 薄、细长的特点,在进行再成型过程中控制和减小变 形量,提高精度,降低废品率,解决了活柱的高效率 机械加工问题,对于降低支柱成本、实现大批量生产 具有重要意义。
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备,是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成:上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板:
尺寸:63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积,从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度,防止滑动,确保支柱持久支护和稳固。
下承压板:
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同:
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积,从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合,加大在支护时的抓取力度,防止滑动,确保支柱持久支护和稳固。
上支柱:
由无缝钢管制造而成,钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号,63和48指的是钢管的直径,直径越大,支柱的承重能力越大;直径越小,支柱承压能力越小。
相对于下支柱,上支柱稍长。
下支柱:
由无缝钢管制造而成,钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号,63和48指的是钢管的直径,直径越大,支柱的承重能力越大;直径越小,支柱承压能力越小。
相对于上支柱,下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有:1.5米,1.8米,2.米,2.5米,3米,3.5米。
便携式螺旋支柱的含义:以1.5米为例,金属钢管直径有48和63两款,最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度,其他以此类推。
钢管直径越大,支柱承重越大,可支撑高度越高;支柱高度越高,支柱承重越小。
螺杆:
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆,尺寸为80厘米,安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩,一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度,比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度,最低可支撑3米的高度,之间可以拧动螺杆拉升,可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计,主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱,参数经过多次试验和客户使用数据验证的,正是因为这个原因,培新矿机的这款支柱不能超高度超承载能力使用,超高和超载使用将影响支柱的稳定性,甚至发生安全事故;也正因为这个原因,本着客户至以上,一切从客户的利益出发的原则,培新矿机不提供定制和特殊规格的制作。为此,很多客户不理解,指责我们不满足客户需求。
其实,这款支柱自从研发十年来,我们的客户遍布全国各地,得到了客户的一致好评,虽然我们拒绝过不少的客户,但十年来,我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉,是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围:
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时;
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时;
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求:
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护;对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点,在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板,沿进入作业面的方向向前逐根支护,调整支柱顶住顶底板,用套管将丝杠拧紧确认无误后,方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石,对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场,对上部有采空区的地点,必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量,每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护,1.5米以下的采幅采用单排支护,但不论是单排还是双排支柱支护,顶部都必须加承压板、木板等护住顶板,以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用(具体要求见附表),超高和超载使用将影响支柱的稳定性,甚至发生安全事故。
5、作业过程中,作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况,及时将支柱拧紧,确保作业安全。
6、风爆工装药结束后,要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量;拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况,发现异常立即停止拆卸,迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后,须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点,将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险,出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容,带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理,要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放,不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤(如开裂、压扁、明显弯曲等)不能继续使用。
【联 系 人】:苏女士
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