液压支架立柱损坏原因分析

立柱是液压支架的主要承力液压构件，其性能的好坏，对井下工作面的顶板维护和安全生产起着极其重要的作用。找出立柱的损坏原因，使损坏降低到最低点，有着十分重要的意义。液压支架的立柱结构有单伸缩型、双伸缩型、单伸缩带机械加长段型三种，在此以双伸缩立柱为对象，根据各种损坏形式，找出其损坏原因，提出预防措施。

1.立柱损坏原因分析

根据多年支架大修统计，每套支架大修时立柱的损坏形式及其所占比例见表4-11。

表4-11 立柱的损坏形式及其所占比例

双伸缩立柱是由外缸、中缸、活柱、底阀、导向套、活塞等几部分组成，其结构如图4_-75所示，技术参数见表4-12。

图4-75 双伸缩立柱结构图

1—外缸 2—中缸 3—活柱 4、5—大小导向套 6、7—大小活塞 8—底阀

表4-12 双伸缩立柱技术参数

2.工作原理

1）升柱。当操纵手柄扳到升柱位置时，由操纵阀来的高压油液通过管接头进入一级缸（外缸）的活塞腔，使二级缸（中缸）首先伸出。一旦二级缸的活塞碰到导向套，二级缸活塞内的油液就上升，打开底阀（单向阀）使压力油液进入二级缸的活塞腔，活柱伸出，此时，初撑力为二级缸的面积乘以供油压力（图4-76a）。

2）立柱承载。顶梁与顶板接触后，顶板压力由顶梁传到活柱上，由于压力油液被底阀封闭，活柱不能回缩，因此压力转到二级缸底上。此时，一级缸活塞腔的压力随顶板来压而升高，直到超过立柱工作阻力（即安全阀额定工作压力）时，安全阀开始卸载，二级缸收缩。当压力降到低于安全阀额定工作压力的90%时，安全阀关闭，立柱开始承载，在二级缸未完全缩回以前，压力的传递和安全阀的动作就这样反复进行，当二级缸降到最终位置时，底阀的阀杆接触缸底，底阀打开，二级缸活塞腔的压力油液进入一级缸活塞腔（实际使用过程中达不到这种地步），这部分压力油液又将二级缸升起一定距离，底阀离开缸底后又关闭。若顶板压力又超过立柱的工作阻力时，安全阀又动作，二级缸又降到最终位置，底阀又打开。这样反复动作，保证了立柱的承载在其工作阻力范围之内（图4-76b）。

图4-76 立柱工作原理示意图

3.损坏原因分析

因电镀面碰伤、划伤、镀层脱落而损坏的立柱，原因比较明显。下面通过缸体的强度校核，立柱的稳定性验算，以及通过分析横向力的来源，来分析立柱损坏的原因。

（1）缸体的强度校核 双伸缩立柱的外缸、中缸多数用27SiMn无缝钢管制作，其σ_b=1000MPa，一般选安全系数n=5；[σ]=σ_b/5=200MPa

由中厚壁缸筒经验公式，可算出缸筒壁厚的值：

式中 p——液压缸的最大工作压力（MPa）；

D——缸筒内径（cm）；

[σ]——缸筒材料的许用应力（MPa）；

Ψ₀——强度系数，无缝钢管取Ψ₀=1；

C——计入管壁公差及腐蚀时的附加厚度（cm），一般可略去。

ZFS5100型立柱外径理论计算壁厚：

1.81cm＜2.25cm（实际壁厚），强度足够。ZFS5100型立柱中缸理论计算壁厚：

2.4cm＞1.5cm（实际壁厚）强度不够。同样可算出ZZ560K型立柱外缸、中缸理论计算壁厚：

δ_外=1.7cm＜1.95cm，强度足够。

δ_中=2.39cm＞2.0cm，强度不够。

由计算可以看出，立柱外缸的壁厚比较富余，涨缸的比例较小；中缸的壁厚选的比较单薄，涨缸的比例较大。换言之，外缸在设计过程中，安全系数n=5，（符合设计手册n≥5的要求），而中缸的安全系数n=3.3～4，这就是立柱缸体有时出现涨缸的主要原因之一，这种计算结果与实际遇到的涨缸情况也是一致的。

（2）立柱的稳定性验算 设计人员在立柱的设计及验算过程中，一般将立柱考虑为两端铰接，无偏心负载等截面细长杆受轴向负载的情况，在这里略去活柱与小导向套间隙的影响，将活柱和中缸视为一体，受纵向压力来研究其稳定性。

无偏心负载时的纵向弯曲极限力F_r的计算：(www.xing528.com)

1）以ZFS5100型立柱为研究对象，计算柔度λ：

式中 u——压杆长度系数，两端铰接，取u=1；

l——活塞杆计算长度，即在活柱全部伸出时，活柱顶端的连接点与液压缸支撑点之间的距离，l=335cm；

i——活柱横截面的最小惯性半径。

2）查表可知λ₁=100，λ₂=60，由于λ₂<λ<λ₁，故用直线公式计算临界应力。

3）安全系数的计算：

用同样的方法可以算出：

ZZ560K型立柱：F_c=4944kN，u=4.34；

ZZP5200型立柱：F_c=5124kN，u=3.9。

通过计算可以看出，在这种理想的受力状态下其稳定性的富余量不太足，再加上立柱是一个组合体，在活塞与缸筒、活柱与导向套、中缸与导向套之间存在间隙，特别是横向力的出现，使立柱的活柱在受轴向力的同时，还受到一弯曲应力的影响。当压、弯应力超过其许用应力一定值，活柱或中缸就会产生永久性弯曲变形。产生弯曲变形的活柱或中缸，在作伸缩运动时，就会对其配合面产生机械划伤。同时也致使外缸、中缸缸口形成椭圆形，造成连接螺纹损坏，密封面失效。活柱、中缸弯曲变形示意图如图4-77所示。

（3）立柱所受横向力的来源V形布置立柱的自重引起的横向力太小，可忽略。而支架左、右倾斜是立柱产生的横向力的主要来源。

立柱的下端柱脚是通过与底座相连的两个销子铰接的，左、右方向可简化为固定连接（面向支架的前梁），连接和受力示意图如图4-78和图4-79所示，前后方向可简化为铰接，如图4-80、图4-81所示。

图4-77 活柱、中缸弯曲变形示意图

图4-78 左、右方向立柱连接示意图

图4-79 左、右方向立柱受力示意图

图4-80 前、后方向立柱连接示意图

图4-81 前、后方向立柱受力示意图

由于井下地质条件复杂，工作面的倾斜，顶、底板的不平，均能迫使支架倾斜；支架的底座销孔、四连杆销孔椭圆、磨大、销轴的弯曲、磨细等，也致使支架倾斜。支架的倾斜量Δ_y应等于立柱上端受一横向力F所产生的挠度（图4-82）。

当支架前后倾斜时，立柱将有一定的转动量，正常情况下是不会产生横向力的，但一旦柱窝进入异物，如煤、矸石、金属物、木材等，横向力就随之而产生（图4-80）。

4.预防立柱损坏的措施

设备在使用中正常的损坏是不可避免的，立柱也不例外，如表4-1中提到的锈蚀问题、接触面磨损问题和脱镀问题等。这些损坏形式虽然所占比例较大，但不致于使立柱报废，目前的检修手段完全可以恢复其性能，但涨缸弯曲等几种损坏形式，是应该避免出现的，对此采取预防措施如下：

1）厂家设计的问题（如涨缸、稳定性能差等），建议生产厂家加大设计的安全系数，使选用的安全系数符合设计手册的要求（缸体强度计算n≥5，活塞杆稳定性计算n≥6）。

2）为防止立柱横向力的产生，使用单位和检修单位要尽量防止支架倾斜。使用单位定期清理立柱柱窝异物，合理调整支架与支架间的距离，定期检测立柱安全阀的动作压力。检修单位要严格执行四连杆销轴的报废标准，使大修好的液压支架符合原煤炭部制定的《煤矿机电设备检修标准》中关于支架偏斜的规定。（规定为：支架在水平位置，其高度与顶梁前柱窝中点的垂线距底座中心线的偏离尺寸之比，不得超过28∶1。）

图4-82 支架倾斜示意图