液壓支架單伸縮立柱瞬態(tài)動力學(xué)分析

王娟

摘 要： 在如今經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的背景下，能源對于各國的重要性不言而喻，而煤炭作為主要的能源材料，其開采工作非常重要。而立柱作為煤炭開采工程中關(guān)鍵機械設(shè)備之一，工作的穩(wěn)定性和安全性十分重要，但是在有沖擊礦壓情況的綜合工作面上，液壓支架受到的壓力較大，嚴(yán)重時容易導(dǎo)致爆缸，其危險性較大。因此，本文將對液壓支架單伸縮立柱受壓時的瞬態(tài)動力學(xué)進(jìn)行研究，以弄清其沖擊動力特征，方便為今后動荷載過載的情況提供參考。

關(guān)鍵詞： 液壓支架單伸縮立柱，瞬態(tài)動力學(xué)分析

【中圖分類號】 TD355 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】 A【文章編號】 2236-1879（2018）14-0201-01

在我國，煤炭開采的主要形式是礦井施工，不同于露天開采，礦井中開采環(huán)境較為復(fù)雜，在煤炭的開采過程中存在著諸多隱患，一部分是人為因素，一部分是設(shè)備因素。液壓支架單伸縮立柱是煤炭開采過程中常用的一種設(shè)備，起著承壓和連接的作用。在以往的案例中，由于立柱受壓過高導(dǎo)致安全事故的例子也不在少數(shù)。因此進(jìn)一步改進(jìn)和完善液壓支架立柱，增強其適應(yīng)不同壓力情況的能力，對液壓支架單伸縮立柱進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析，量化其受壓的具體情況十分必要，下面我們將對液壓支架單伸縮立柱進(jìn)行介紹，并闡述該項實驗的流程。

1.對液壓支架單伸縮立柱的概述

1.1定義。

液壓支架是綜合采煤設(shè)備中的重要組成部分，它能可靠而且有效地支撐和控制工作面的頂板，是工人施工空間和條件得以保障的關(guān)鍵設(shè)備。而立柱作為液壓支架不可或缺的部分，是支架發(fā)揮作用的執(zhí)行部件，對支架功能的發(fā)揮造成直接的影響。由于液壓支架立柱貫穿著支架頂梁和支架底座，對其強度和使用壽命有一定的規(guī)定要求。在我國，經(jīng)常使用的立柱一般分為兩種類型，即單伸縮立柱和雙伸縮立柱，兩種類型分別有不同的優(yōu)缺點，本文主要對前者進(jìn)行探討。單伸縮立柱具有使用成本低，可靠性高，調(diào)高范圍高等優(yōu)點，在我國煤炭開采工程中使用得較為廣泛，但是缺點在于使用便捷性不強。[1]根據(jù)其組成部分來看，立柱可以說是由活柱組件、缸體部件、缸口導(dǎo)向組件、機械加長組件、底閥和其它連接部件組成的用于承壓和連接支架的采煤機械構(gòu)件。

1.2結(jié)構(gòu)特征。

液態(tài)支架單伸縮立柱內(nèi)含有的各種組件較多，不同的組件也有著不同的規(guī)格和類型。活柱組件包括活柱筒、活塞組件和密封件；[2]缸體部件包括缸底和缸筒；缸口導(dǎo)向套件則包括導(dǎo)向套、密封件、JF防塵圈、缸口連接等。其中，活柱組件相對復(fù)雜，活柱筒由柱塞、柱管和柱頭組成，為了增強其抗磨、抗腐蝕、抗砸碰的功能，往往在活柱筒表面鍍上乳白鉻和硬鉻。活塞組件是由活塞、導(dǎo)向環(huán)、限位方式和連接固定件組成的。[3]密封件的形式則多種多樣，有鼓形、梯形、蕾形等，其密封效果好，防擠壓的性能好，使用壽命長。

2.對液壓支架單伸縮立柱進(jìn)行瞬態(tài)動力學(xué)分析的具體內(nèi)容

2.1方法。

實驗方法對于實驗的結(jié)果影響較大，因而我們在進(jìn)行實驗的過程中盡可能地多次佐證其科學(xué)性，做到認(rèn)真謹(jǐn)慎。在進(jìn)行實驗之前，應(yīng)當(dāng)先對立柱的規(guī)格和類型進(jìn)行選擇，隨后建立計算模型，為了便于計算，將模型抽象化，簡化其大體結(jié)構(gòu)，得出一個與研究對象一致的幾何模型。然后將幾何模型導(dǎo)入建立好的瞬態(tài)動力學(xué)分析中，不斷實驗，得出動力學(xué)分析的函數(shù)圖，由此分析圖像具體內(nèi)容得出結(jié)論。

2.2過程。

本文選用了320型單伸縮立柱行測試，缸體外徑為377mm，缸體內(nèi)徑為320mm，立柱活柱全伸出后液柱高度為1278mm，乳化液的初始壓力為31.5MPa。為了保證實驗結(jié)果的準(zhǔn)確性，反復(fù)檢查設(shè)備的各方面性能，保證立柱符合日常使用的標(biāo)準(zhǔn)。對于單伸縮立柱的各個組件也要仔細(xì)檢查，確保其規(guī)格合適，材質(zhì)合適。首先，對動荷載條件下液壓立柱的振動情況進(jìn)行分析，為方便計算，將立柱簡化成軸向彈性元件的形式，對于影響較小的因素選擇忽略不計，例如立柱內(nèi)的波動過程可以忽略不計。[4]設(shè)缸體和乳化液立柱的等效剛度為K，可根據(jù)缸體應(yīng)力公式和乳化液容積壓縮系數(shù)推導(dǎo)出K，從而得出單伸縮立柱在沖擊荷載情況下的位移和壓力。

然后，將320單伸縮立柱進(jìn)行簡化，進(jìn)而方便對研究對象進(jìn)行建模，將缸體和活柱視為材料一致的整體模型，對于復(fù)雜性結(jié)構(gòu)的立柱來說，把規(guī)則部分用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格來劃分，將含有孔、螺紋等不規(guī)則的部分進(jìn)行非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分。由此建立好了立柱的三維模型，將其導(dǎo)入在系統(tǒng)中建立的瞬態(tài)動力學(xué)分析的框架中進(jìn)行具體的分析，得出立柱在有初始壓力的情況下，在重錘的沖擊下的內(nèi)部壓力變化的分段函數(shù)如下：

2.3結(jié)果。

從沖擊載荷條件下立柱內(nèi)的乳化液壓力的變化方程來看，當(dāng)重錘重量為10t時，從2 m高的高處自由落體落下對立柱進(jìn)行沖擊，立柱內(nèi)的液體壓力在12.15 ms內(nèi)從31.5 MPa上升到了89.297 MPa。根據(jù)瞬態(tài)動力學(xué)分析的模型來看，320型單伸縮立柱在此沖擊過程中產(chǎn)生的最大應(yīng)力為746.32 MPa。模型分析和函數(shù)分析將液態(tài)支架單伸縮立柱沖擊荷載不同情況下的應(yīng)力和變形程度用數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出來，為立柱設(shè)計及立柱使用提供了參考。從我國實際情況來看，因為立柱出現(xiàn)問題造成安全事故的案例較多，但同時立柱缺乏可靠性設(shè)計，其各方面數(shù)據(jù)多用傳統(tǒng)方法檢測，計算結(jié)果過于抽象，一旦遇到復(fù)雜情況，傳統(tǒng)方法起到的作用較小，本文實驗對立柱承壓方面進(jìn)行探討，得出具體數(shù)據(jù)，有利于改善該方面的問題。同時，還可以提高液態(tài)立柱的工作穩(wěn)定性，延長采煤機械的使用壽命，節(jié)約施工成本。

3.結(jié)語

從實驗的結(jié)果可知液壓支架單伸縮立柱在一定重力和一定高度沖擊下變形的程度和收到的壓力值。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，液壓支架單伸縮立柱在設(shè)計制作時可以通過更換使用材料或者改變制造結(jié)構(gòu)來增加受壓能力，防止爆缸情況的發(fā)生。液壓支架單伸縮立柱的實際投入使用也可以參考這些數(shù)據(jù)來進(jìn)行，例如當(dāng)檢測到環(huán)境壓力或者高度高于計算數(shù)值時，可以選擇停止施工以規(guī)避風(fēng)險。總的來說，對液壓支架單伸縮立柱進(jìn)行的瞬態(tài)動力學(xué)分析具有現(xiàn)實意義，對精進(jìn)機器設(shè)備和減少施工風(fēng)險具有重要作用。

參考文獻(xiàn)

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