探討小型地面鉆機給進液壓缸設計

楊永梅

（河北省地礦局地質(zhì)一隊，河北 邯鄲 056001）

小型地面鉆機是地面煤層氣抽采的常用和關鍵性設備。在實際工程中發(fā)現(xiàn)，目前所普遍采用的鉆機給進液壓缸有成本高昂、體積質(zhì)量大不易運輸、維修困難等多方面缺點。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

小型地面鉆機通常工作環(huán)境比較惡劣，主要應用于煤層資源豐富的我國南方復雜山地地區(qū)。鉆機給進液壓缸工作原理是活塞運動原理，因此要想確定液壓缸的主要參數(shù)，首要任務是確定液壓缸活塞桿理論推理大小。根據(jù)理論知識，安裝在桅桿頂部的液壓缸的后端受力平衡方程為：

在實際的工程案例中，F(xiàn)起拔的大小可以通過實際測量得到，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，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)壓強與力的關系來確定。通過對力與壓強之間的關系進行分析，然后得出相應的液壓缸活塞在進行往復運動時的速比公式為：

2 液壓缸筒強度分析

在實際工程使用過程中，現(xiàn)場人員看來液壓缸的好壞就體現(xiàn)在液壓缸筒強度上。如果強度達不到實際工程需求，造成的經(jīng)濟損失和人身安全損失將會是巨大的。為保證液壓缸在安全的情況下進行工作，需要對液壓缸筒壁厚進行校核，其校核的公式為：

在上式子中，PN為鉆機處于最大起拔力工況時液壓缸所承受的壓力。

應該注意到的一點是，在鉆機的實際工作過程中，隨時都可能出現(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程中不被破壞，在設計液壓缸筒的最大承受壓力是應遠遠大于利用上式計算出來的壓力，為此，有經(jīng)驗公式如下：

這是根據(jù)工程經(jīng)驗總結(jié)出來的液壓缸筒抗壓強度設計值計算公式，按照此式子計算并設計，可以確保液壓缸筒壁設計出來滿足防爆裂需求[2]。

經(jīng)過了理論驗算之后，為進一步驗證結(jié)果的準確性，可以利用有限元分析軟件ANSYS、ABQUS、3D3S等對液壓缸筒壁進行更為深入的靜力學有限元分析，可以得到鉆機進給液壓缸的應力和應變云圖。

3 活塞桿穩(wěn)定性探討

在實際的工程中會應用到多種細長類桿件和壓縮部件，當其所承受的載荷達到或超過其臨界值的時候會導致其彎曲失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)斷裂等現(xiàn)象，這被稱為材料的屈服過程，任何一種工程實際當中的材料，在實際使用過程中都會有彎曲失穩(wěn)的可能性。

對小型地面鉆機的應用過程進行分析，當鉆機給進液壓缸行程遠遠大于系統(tǒng)活塞桿直徑的時候，該情況下最容易發(fā)生彎曲失穩(wěn)等情況，這就需要對鉆機給進液壓缸進行穩(wěn)定性驗算，避免實際應用的過程中發(fā)生意外事故。

活塞桿壓桿穩(wěn)定性驗算可以根據(jù)理論力學中壓感穩(wěn)定性驗算的公式來判別：

在式中，F(xiàn)是給進液壓缸在正常運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。由計算公式可知，在鉆機給進液壓缸系統(tǒng)中，當材料、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向系數(shù)與關。

基于此，為了保證后期的養(yǎng)護和維修工作的順利進行，工作人員給進液壓機的改進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，有導向。

對活塞桿進行線性屈服分析可以發(fā)現(xiàn)，當活塞桿發(fā)生屈服變形時，會產(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的費用及技術(shù)難度都非常大，不具有現(xiàn)實的維修意義。

4 對鉆機給進液壓缸的優(yōu)化設計探討

綜合上述分析結(jié)論可知，對鉆機給進液壓缸的優(yōu)化設計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度最大化的利用所用材料的屈服強度。根據(jù)科學的研究分析表明，缸筒底厚、缸筒壁厚與最大應力、最大應變和質(zhì)量都能相互產(chǎn)生響應關系，具體而言，底厚和壁厚的變化和強度決定著液壓缸的最大應力、最大應變質(zhì)量的變化和大小。再者，底厚的變化對整體影響不大，壁厚對整體的影響較大。綜合上述結(jié)論得出鉆機給進液壓缸的優(yōu)化設計方案：選用合適的材料，在抗壓強度滿足要求的前提條件下盡量減小壁厚。

5 結(jié)語

綜上所述，本文針對小型地面鉆機給進液壓缸，結(jié)合已有科研資料和所學知識，做了初步探討和研究，并提出最簡單的優(yōu)化設計方案，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，研究了液壓缸的強度穩(wěn)定性；第三，對液壓缸及活塞桿的彎曲失穩(wěn)變形做了初步研究；第四，提出了一種簡單的鉆機給進液壓缸優(yōu)化設計方案。