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安徽省鑫矿液压机械有限责任公司技术论文选编2004-2011大修后液压支架前立柱下降不到位的机理探讨韩智诚在公司的修理车间出现了这样一个场景,一架大修后的液压支架正在做动作试验。当双伸缩的立柱下降到还剩300mm时,活柱却无论如何也降不下来。先我们怀疑,是一根立柱的底阀打不开了。但又立即给了否认。无可争议的事实是在这个位置之前,支架是顺利落下的,就是所有立柱的底阀都是打开的。那么到了这个位置,如果有一根立柱的底阀突然关闭了,根据立柱的结构,它的中缸和缸体的相对位置要有几毫米的变化。我们经过仔细观察,支架落到这个位置时,所有立柱的中缸都纹丝不动。就是说立柱的底阀都没有变化。都不存在突然关闭的情况。我们又分析是否是立柱的液控单向阀没有打开。按常理,这是不可能的,因为,如果有一个液控单向阀有问题,支架一开始就落不下,而不会在这个位置突然落不下了。常理是常理,事实是事实。既然底阀没有突然打不开的可能。就只有液控单向阀突然打不开可能的存在。我们将四根立柱的液控单向阀上的安全阀分别拧松。还真的发现异常了。三个安全阀拧松时,液控单向阀内已没有压力。仅有一个液控单向阀内存有压力。说明了两个问题,一个是,这个状态下,只有这根立柱承担着支架一些构件的自重。二是,这个立柱的液控单向阀确实没有打开。液控单向阀的内部结构与支架的升降位置没有丝毫关系。它的打开与否只决定于控制压力。而支架的升降位置能否使控制压力变化,这倒是一个极有能的事。分析讨论中,阀组的职工将这根立柱从支架系统中甩开,单独做伸缩试验。这根立柱的表现又正常起来。既可以完全伸出,又可以完全缩进。再一次印证了液控单向阀的控制压力受到支架位置状态的变化也发生了变化。这一下子把问题变得复杂了。必须清楚支架在无载荷情况下,受力状态和液力的状态。出于时间的关系,我们没有机会立即给予分析,这架支架最后只是换了一根立柱解决了问题。通过了验收。这架支架处理完后,我们花了一定的时间对支架在空负荷(即只存在支架构件自重)状态下的受力情况进行了分析。我们能看到的有关液压支架的参考书,对液压支架的受力分析都是在顶板压力下分析的。空负荷状态下的受力对支架的设计者来说是没有用处的。但是对我们却不然。作为支架的修理单位,完工的支架在出厂时能做的动作试验都是在空负荷下进行的。在这种状态下,往往会出现一些常识上看起来是异常的现象。当然,其中一些异常的现象确实是修理的质量存在问题。但也有一些是部件的性能都在要求只能,而略有差异而带来的一些看似异常的现象。要准确的判断和解释,支架在空负荷(即只存在支架构件自重)状态下的受力情况分析显得特别重要。受力情况分析如下:从支架的正面看,支架是完全对称的。这样,我们首先将受力状况简化成从支架侧面看的平面体系内。我们将顶梁组件、掩护梁组件、前连杆、后连杆作为四个分离体。支架的后立柱,从运动图上看,基本是垂直的,所以和后立柱铰接的结点其受力方向是已知的。后立柱不再做分离体分析。而前立柱和水平线有一定的夹角,受自重的影响,和前立柱铰接的结点其受力方向是个变量。但考虑到这个夹角不大,前立柱自重的作用点和铰接点的距离很小。为简化计算,前立柱也不再做分离体分析。和前立柱铰接的结点其受力方向简化为沿着立柱的轴线方向。(图1)70.4°P=10097P1P2P3P3P=1634P4P=6128P=2622P5P4P5图1经过这样的简化,我们可以在每个结点设定力的大小和方向两个参数,一共有8个未知数。有可从4个分离体中以每个结点的力距平衡得出8个方程式。这样,形成了一个8元一次方程组。理论上看,自然是有解的。我们可以利用矩阵的形式得到解。我们也试图这样做。但是由于众多的三角函数运算,是求解变的非常繁琐。我们利用Excel的功能,很快地用试算法得出了结果。为:Z9200/24/50液压支架降到最低位置时,前立柱受力为125KN;后立柱受力为42KN。支架升到最高位置时,前立柱受力为108KN;后立柱受力为89KN。也就是说,在支架升架的过程中,前立柱的受力逐渐小,由125KN渐小至108KN。后立柱的受力逐渐大,由42KN增大至89KN。反之,在支架降架的过程中,前立柱的受力由108KN增大至125KN,后立柱的受力由,89KN渐小至42KN。至此,我们对液压支架在自重情况下的分析基本上有了结果,可以按这个结果来分析出现的各种现象。但操作工提出了一个现象。他们发现,当支架处在某一位置时,前立柱不动,只升后立柱,或后立柱不动只,升前立柱,到一定情况时,就升不动了。(见图2、图3)。图2图3可以想出,此时,立柱活塞腔的压力已达到了试验泵站的调定压力。如果泵站的压力为10Mpa,立柱的负荷为615KN。这与上述的分析结果相差很大。是否是由于支架的结构使支架在这种操作状态时,载荷能逐渐增加到615KN?,如果是,我们将重新分析支架空载情况的受力。结论是,不是这样的。因为这两种操作方式,会使顶梁和掩护梁的夹角发生变化。当只升前立柱时,顶梁和掩护梁的夹角变大。当只升后立柱时,顶梁和掩护梁的夹角变小。顶梁和掩护梁的夹角的变化是有一定的范围的。它最大为支架降到最低位置顶梁和掩护梁的夹角。最小为升到最高位置顶梁和掩护梁的夹角。超出这个范围,顶梁和掩护梁的某个部分就会发生干涉,突然使立柱负荷增加。这种操作要尽量避免,否则,立柱巨大的作用力(当泵压31.5Mpa时为1939KN)会使顶梁和掩护梁的某个部分产生变形。撇开这节外生枝的话题,我们回到了以上的受力分析。在用这个分析解释本小节中前立柱降不下来的机理。我们注意到上述的这样一个结论:在支架降架的过程中,前立柱的受力是逐渐增大的。这种变化是否会影响液控单向阀的动作呢?正常情况下,当然是不会影响的。我们自然而然地想到我公司在另一篇探讨文章“大修后液压支架歪斜和摇晃的机理探讨”中提到的装在同一支架上两根前立柱底阀开启量不同的场合。在这样的情况下,是否会影响液控单向阀的动作,我们不妨先看看那篇文章中的论述:由于机械原因,两根前立柱底阀的开启量不同,在这种情况时,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: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;W左W右F2右flfgF1右fgflF2左F1左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。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,而W右沿着下列途径变化: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右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。我们注意到,在这篇探讨文章中,W右表示的是支架自重因素通过顶梁加给右前立柱(底阀阻力小的立柱)的分力。方向是向下。这时会出现三种情形:第一种情形,当W右为正值时,表示支架的自重因素通过顶梁同时加在左右两根前立柱上(尽管大小不同)。和活塞杆腔的工作液压力一起共同使两立柱的活柱同时下降。第二种情形,当W右为零时,表示支架的自重因素通过顶梁仅加在左前立柱上,左前立柱的活柱在支架的自重和活塞杆腔的工作液压力共同作用而下降。右前立柱的活柱仅在活塞杆腔的工作液压力作用而下降。第三种情形,当W右为负值时,表示右前立柱的活柱还要拉着顶梁下降。就是说右前立柱活柱的活塞杆腔的工作液要克服顶梁的拉它的力以后,在作用在活柱上使其下降。而左前立柱活柱则是在活塞杆腔的工作液压力和支架顶梁给它的力共同作用下而下降,支架顶梁给它的力不仅是支架自重因素的力,还包括有右前立柱通过顶梁传递的力。本文已分析到,支架在下降过程中,支架自重因素给前立柱的力逐渐增大。由于支架自重因素变化的影响,两立柱的力学状态也在发生变化。这种变化是使W右趋于增大。如果两立柱的活柱开始就处在第一种情形(当然,这种状态是绝大多数支架持有的),W右增大,它一定还是正值。活柱是下降到底的。如果两立柱的活柱开始下降时处在第三种情形(当然,这种状态是较少的),W右虽然增大,只是负值的绝对值减小,一直到活柱下降到底,它还是负值。这时的活柱还是能顺利是下降到底的。在“大修后液压支架歪斜和摇晃的机理探讨”提到的那根歪斜的很厉害的情形立柱也是降到底的,就是属于这种情形。问题出现在,当活柱开始下降时处在第三种情形,而随着W右增大它的负值的绝对值减小,在活柱还没有下降到底的某一位置,它为零值。在这种情况下活柱活塞腔的工作液压力打不开左立柱的液控单向阀,使两根立柱的活柱无法下降。这好像是无法思议的。通过计算和试验都表明,用在这套支架立柱的液控单向阀的控制压力为立柱活塞腔压力的0.3倍。而活柱活塞杆腔与活塞腔的面积比为1:7。也就是说同时作为液控单向阀控制压力的活柱活塞杆腔工作液压力7Mpa只会给活柱活塞腔产生1Mpa的压力。打不开液控单向阀简直是天方夜谭。尽管无法思议,但事实是发生了的。这个现象发生在W右变零的瞬间。W右为零意味着整个支架只与左前立柱有约束关系。右前立柱完全处在一个自由状态。不受支架的约束。更何况由于每个销和销孔最大可以有2mm的间隙,活柱积累起来有6mm的活动范围,右前立柱活柱可以说是浮动着的。其受力状态不仅要考虑动力学范畴的甚至冲击因素也要考虑。我们不试图建立这时的力的数学模型,但有一点是可以确定的,左前立柱的活柱和右前立柱的活柱是可以不同步下降的。右前立柱的活柱的下降速度瞬时可为零。其活塞腔的排液流量瞬时也为零,根据以上文中的描述,活塞杆腔的需要的瞬时压力很小。由液压学理论可知,工作腔的压力只与负荷,泵站的压力调的在高,活塞杆腔瞬时压力却很低,以至无法打开左前立柱的液控单向阀。一旦左前立柱的液控单向阀关闭,支架停止下降,活柱活塞杆腔的工作液压力迅速增高,又将液控单向阀打开,液控单向阀一打开又使W右为零,如前所述活塞杆腔瞬时压力变的很低,液控单向阀又关闭。周而复之,成为一个液力的震荡,只见活柱微微地上下蠕动,支架却降不下来。上述的探讨只是一种假设。从技术角度看,验证它并不复杂。我们只要通过数字采集系统记录两根立柱的液控单向阀各有关腔的压力,得出波形即可。但作为生产单位,投入这样的人力物力显得不太必要。现实主义是,只要换一
本文标题:大修后液压支架前立柱下降不到位的机理探讨
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