探討小型地面鉆機(jī)給進(jìn)液壓缸設(shè)計(jì)

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(guò)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(lái)，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(lái)確定。通過(guò)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(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)人員看來(lái)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(guò)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(guò)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(lái)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(lái)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(lái)滿足防爆裂需求[2]。

經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)程，任何一種工程實(shí)際當(dāng)中的材料，在實(shí)際使用過(guò)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(guò)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(guò)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(lái)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)算的附表選取；E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(yǔ)

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。