大修后液压支架歪斜和摇晃的机理探讨

1安徽省鑫矿液压机械有限责任公司技术论文选编2004-2011大修后液压支架歪斜和摇晃的机理探讨韩智诚一套进厂大修的液压支架全部完工后，排列在厂房内等待用户代表的验收。显得整齐挺拔，场面颇有些壮观。但当您仔细观察时，就会发现，一百多架支架中，总有多者十几架，少者三、五架支架是歪斜着的。一般，这个瑕疵，工厂的检验员没有发现。用户代表也不会理会。因为无论是液压支架的各类标准中，或是液压支架的总装图中，对此，都没有特别地提出要求。两个原因使检验员没有发现这个缺陷。一是出厂检验中没有检测要求。二是，一般这个歪斜值是比较小的，相对外形尺寸很大的液压支架略有歪斜是看不出来的。如果，我们找到一个参照点时，就会立即看出一定范围内的倾斜值的。例如，在装有抬架千斤顶的液压支架中，可以将安装抬架千斤顶的架子作参照，依靠正面观察两前立柱的与架的视觉间隙A与B的不同，就能轻而易举的发现大于20mm的歪斜（见图1）。就是这个观察方法也是我们遇到问题时，才发现的。我们重视这个问题起因是：在一次用户验收中，一位用户代表发现了一架支架的歪斜而提出返工改正后验收的决定。这架支架的歪斜程度是比较大的，在全收回的状态下，立柱的上点和下点相差超过100mm。稍加注意，就会发现。用户代表也没有阐述支架的这种状况对井下使用性能的影响。因为单从外观质量，他们就难以接受。很快排除了结构件的制造或修理因素后，我们在动作试验进行了仔细地观察。操纵支架升起，支架整个升起过程立柱的倾斜程度不变。当支架升到极限位置时，支架猛烈地晃动一下，立柱变正了。操纵支架下降，开始，立柱还是正的，当下降到某一点时，支架又晃动一下，立柱又发生倾斜。一直到支架降到极限位置，倾斜程度一直不变。可以十分明显地看出，两根前立柱中的一根长一些，也就是说，这根立柱没有完全收回。它的活柱还伸出一段距离。2支架这个动作循环连做了几次，过程都和第一次一样，立柱的倾斜程度也一样。我们设法打开这根立柱的液控单向阀，将立柱的活塞腔卸载。支架自重形成的压力乳化液泄尽后倾斜的立柱正了，复位液控单向阀后，再升支架，一直到支架的最高极限位置，立柱没有倾斜。下降支架时，到了某一点，立柱又突然倾斜，一直到支架的最低极限位置，立柱还是倾斜的。这架立柱倾斜量大而容易发现的支架提醒了我们。我们当即用本文开始所述的方法对修理的100架支架进行观察，果然又发现了10架支架的立柱是倾斜的。只是倾斜的量小，不易发现。我们将这架支架两根前立柱进行解体。仔细观察和测量后，发现其中左立柱的一级缸是购置的配件。而其制造厂家不是支架的生产厂家。立柱的一级缸的底部结构略有变化。这种一级缸和支架生产厂家的二级缸配合使用的结果是：二级收回时，限制极限位置的两面面还没有接触，差2mm时，其他位置就发生了干涉。其结果左立柱的底阀开启量比正常少2mm（见图2、图3）。将这根左立柱换成正常的立柱后，支架的立柱不再倾斜。支架的升架、降架动作全部正常。公司研究所开始对这种现象进行了分析和研究。探讨的结论是：1.对支撑掩护式支架，立柱倾斜程度是和两根前立柱或两根后立柱的底阀开启量的差异程度有关。2.立柱的瞬间倾斜是发生在底阀被打开到到支架达到支架建立新的力系平衡的短时间内。为便于问题的讨论，我们进行了如下的简化：1.仅讨论两根前立柱。而这时，忽略后立柱对分析的影响。2.忽略动力学范畴力的影响。3.忽略几何小角度力的变化。4.忽略两根立柱零件的自重。5.两根立柱密封件的摩擦助力是相同的。按以上的简化，其示意图如下：3图示的是支架的两个前立柱。立柱的一级缸都已下降到极限位置。底阀都已打开，活柱正在下降。假设左边的立柱是问题立柱，即其底阀打开量不足。这时，两个活柱的力平衡式分别是：W左+F2左-F1左-fl-fg=0[1]W右+F2右-F1右-fl-fg=0式中：W左——液压支架结构件自重通过顶梁加在左活柱的力；F2左——左立柱二级缸活塞杆腔加在活柱的液压力；F1左——左立柱二级缸活塞腔加在活柱的液压力；fl——立柱二级缸蕾形密封圈作用在活柱的摩擦助力；fg——立柱二级缸鼓形密封圈作用在活柱的摩擦助力。W右——液压支架结构件自重通过顶梁加在右活柱的力；F2右——右立柱二级缸活塞杆腔加在活柱的液压力；F1右——右立柱二级缸活塞腔加在活柱的液压力。下面将前文中的一个动作循环分阶段阐述其机理：一．第一阶段两立柱的底阀刚刚被打开，这时W左=W左由此F1左=F1右由于F1左=S*P左F1右=S*P右P左——左立柱二级缸活塞腔乳化液压力P右——右立柱二级缸活塞腔乳化液压力S——立柱二级缸活塞面积得出P左=P右=ΔP即这时，两个立柱二级缸活塞腔乳化液压力大小是相同的而正是则个压力的存在，才能克服底阀和管道件的压力损失将乳化液派出，立柱下降。W左W右F2右flfgF1右fgflF2左F1左4从液压传动原理得出：ΔP≈K*Q2+ΣΔP[2]ΔP——总压力损失K——底阀的阻力系数Q——流量ΣΔP——管道件的阻力之和[2]式中，我们可以看出，两个立柱的管道件的阻力可以认为是相等的，但是两个立柱的底阀的阻力系数是不同的。左立柱的底阀开启量小2mm，它的阻力系数就大，既然P左=P右=ΔP，它的流量就要小。左立柱既然排液满，两立柱就变的一长一短。支架就开始歪斜了。两立柱的这种排液流量的不同并不能维持下去，由于顶梁的制约，左立柱下降慢，它就会顶住顶梁，W左逐渐增大，沿着下列途径变化：减小为零为负值这种变化按式[1]使右立柱二级缸活塞腔乳化液压力逐渐变小。这种变化的结果是两立柱的排液流量一样。在W左减小为零为负值变化过程中，只要有一个点达到两立柱的排液流量相等。两立柱的相等长度变化就停止。支架的歪斜程度变化就停止。支架正常地下降。但支架已产生的歪斜却一直保持着。二．第二阶段支架一直歪斜着下降到右立柱活柱到了下极限位置，这时左立柱还比右立柱长，它的活柱还没到下极限位置。按理说，这时，右立柱已不能再动作，左立柱的活柱还没有到极限位置，它完全可以在活塞杆腔的液力作用下使活柱完全缩进，达到两根立柱一样长，支架变正。但这一动作已实现不了了，这是因为下图所示的原因：已经歪斜着的支架，如果要变正，两根立柱必须要绕着它的下支点做反时针的旋转。这种旋转必然要抬起顶梁向上移动一个A值的距离。但这时立柱活塞A中心点5杆腔的液力只能拉着顶梁向下。所以，任凭你如何操作换向阀，支架都是歪斜着不会变正。三．第三阶段操作换向阀是立柱伸出，支架升起。先升二级缸，再升活柱。这个过程没有力使两个立柱的相对长度发生变化。支架一直歪斜着。力的分析参照第二段的分析，不再赘述。四．第四阶段左立柱的活柱先到达上极限位置，和第二段相同的是两根立柱必须要绕着它的下支点做反时针的旋转，抬起顶梁向上移动一个A值的距离。才能使支架变正。和第二段不同的是两立柱都是给顶梁向上的力。所以使两立柱长度一致的动作可以实现。两立柱长度一致，支架立即变正了。只不过，实现这个动作，整个支架要晃动一下。支架歪斜的程度大，晃动的幅度液大。五．第五阶段操作换向阀使立柱缩进，支架下降。由于经过了第四段的过程，这时的支架是正的。这种状态一直保持着，直到二级缸完全缩进，底阀打开。这五个阶段组成了支架动作试验的一个循环。如果继续进行动作试验，它还是按这五个阶段的规律“支架变歪斜再变正”持续下去。除了试着更换一根合适的立柱，不会有变化。可以想象出，在液压支架的制造企业，由于支架零件生产图样、制造工艺、外购件的统一，这种现象是不会出现的。对于支架的修理单位，情况就不同了。诚然，像本案中，由于缸体配件结构的差异出现支架大偏移量的歪斜现象是不多的，但是，底阀按一定比例进行更换的情况是经常的。新旧底阀的混用，新底阀和旧底阀来自不同的生产单位，这些差异是会引起支架歪斜的。尽管由于偏移量小，支架歪斜不易被察觉，但是当操作支架上升到最高极限位置时，出现的支架晃动却是十分明显的。在大修液压支架出厂动作试验中，我们经常遇到支架上升到最高极限位置时，出现支架晃动，当用户代表向我们提出质询时，我们只能按当时的认识归结为“支架上升过程重心变化”“地面不平”等等。用户代表对此解释大多是不信服的。往往不是用户代表勉强让步接收，就是我们不断更换立柱来解决。本文的探讨，会解决这一现象的发生。