液压支柱范文

液压支柱范文（精选8篇）

液压支柱 第1篇

1 工作面概况

24221回采工作面走向长度385m, 倾斜长度80m。由于受到沉积环境和地质构造的影响, 煤层赋存变化大, 煤层厚度为1.0~3.4m, 平均为1.82m, 煤层倾角为8~12°。伪顶为泥质页岩, 厚度0.03~0.1m。直接顶为含炭质、硅质的灰岩, 硬而脆, 厚度0.5~1.1m, 平均0.75m, 老顶为燧石灰岩致密坚硬, 厚度2~4.8m。煤层底板常有一层0.2~1m的炭质页岩, 往下是燧石灰岩。局部地段的煤层顶底板不平整, 顶板呈缓波状, 底板呈丘状。该工作面采用走向长壁采煤法。爆破落煤, 全部陷落法管理顶板。使用DZ型系列外注式单体液压支柱支护顶板, 支护方式为戴帽点柱, 柱帽为木质。支护排距1.2m, 支护柱距0.7m, 采用3~4排控顶, 最大控顶距为4.6m, 最大控顶距为4.6m, 最小控顶距为3.4m。

2 测定方法和结果

用DC90A型单体液压支柱工作阻力检测仪测量每排支柱的工作阻力。同时用钢卷尺和AD-2.5型测杆分别测量支柱活柱下缩量、支柱插底量和顶板下沉量。通过31个回采循环的测定, 测定结果统计如下表1。

3 支柱支撑效能分析

3.1 支柱初撑力分析

初撑力是指升柱结束的瞬间, 支柱靠泵站液压对顶板产生的主动撑力。可用下列公式计算:

式中

d—支柱缸体内径, 现使用的单柱为100mm

P枪—注液枪输出压力, MPa

根据现场测定, 当液压泵站输出压力为20MPa时, 注液枪的输出压力可达17MPa, 按式 (1) 计算, 支柱支撑力应达到133k N, 然而, 根据31个回采循环的实测结果统计, 支柱的实际初撑力平均只有37.5k N, 最大为104k N, 最小为5.5k N。初撑力达到60k N以上的支柱只占统计支柱的16.4%。显然, 支柱的初撑力偏低。其原因如下:

3.1.1 留底煤开采

由于底板起伏不平, 常留底煤开采, 在支设支柱时, 可以看到明显的支柱插入底煤现象。

3.1.2 工人操作质量差

在实际工作中, 许多工人在支设支柱时, 常常是支柱顶盖刚一接触顶板就停止注液, 只要支柱不倒下就行。支柱处于“等劲”状态, 没有起到主动支撑的作用。因此, 工人操作质量差也是造成初撑力低的一个原因。

3.2 支柱工作阻力分析

3.2.1 支护系统刚度

在回采工作面, 支护系统是指由顶板—支柱—底板组成的一个相互作用的力学系统。其中, 支柱是安设于顶、底板之间的人工结构物, 其支撑力的大小不仅取决于支柱本身的结构性能, 还取决于顶底板岩层及其垫层的变形特性。支护系统力学模型如图1所示。

其相互作用的原理是:系统内各部分相互制约, 受力相等, 总变形量各自分配。在不破坏顶板的条件下, 系统受力与变形满足如下方程式:

式中

△L—顶板下沉量

△S1—柱帽压缩量

△S2—支柱活柱下缩量

△S3—支柱插入底板量 (底板变形量)

△F—支柱阻力增量

K1—柱帽刚度

K2—支柱刚度

K3—底板刚度

F—支柱工作阻力

F0—支柱初撑力

支护系统刚度等于系统内单位变形量所引起的支护系统载荷增量, 则:

式中:K—支护系统刚度

由 (2) 、 (3) 、 (4) 、 (5) 式可得

可见, 支护系统刚度是系统内各部分刚度的组合。也就是说, 支护系统刚度的大小取决于柱帽刚度、支柱刚度和底板刚度。根据表1实测资料统计, 第一控顶排支柱工作阻力为44.3 kN, 第二控顶排支柱工作阻力为51.2 kN, 第三控顶排支柱工作阻力为64.3 kN, 平均工作阻力只有53.2 kN, 仅达到支柱额定工作阻力的22.6%。而支柱插底量达112mm, 占顶板下沉量的85.5%。这表明底板刚度很低。由于底板刚度极低, 造成支护系统总体刚度低, 导致了支护系统增阻性能下降。表现为支柱活柱下缩小, 工作阻力增量少。据实测, 支柱从支设到回收, 支柱活柱下缩量平均只有11.6mm, 支撑阻力仅增加26.8 kN。这是支柱支撑效能低的一个重要原因。

3.2.2 支柱承载不均匀

根据实测数据统计, 该工作面支柱平均工作阻力只有53.2 kN, 均方差为20 kN, 离散系数达0.4。显然, 支柱工作阻力极不均匀, 使整个工作面总体支撑力降低。

3.3.3 支护密度大

摩擦支柱工作面支护密度一般为1.28柱/m2, 使用单体液压支柱后, 支护密度为1.19柱/m2, 基本上沿用摩擦支柱的支护密度。显然, 支护密度偏大。众所周知, 顶板压力与支柱的支撑力是一对作用力与反作用力。对于一个特定的工作面来说, 其顶板压力基本不变, 支护过大, 单根支柱所承受的压力就会减小, 影响支柱支撑效能的发挥。

3.3.4 动压影响

在开采过程中, 因动压影响, 支柱歪斜, 使支柱不能正常工作, 其工作阻力减小。

4 提高支柱支撑效能的措施

4.1 加强工人技术培训和现场管理

组织工人学习有关理论知识, 掌握单体液压支柱的工作原理和支护性能, 使工人们从理论上理解支柱获得足够初撑力的必要性和方法。并在现场进行监督, 使之成为一种制度。

4.2 合理装置泵站

液压泵站安设在离工作面在100m以内较适宜, 离工作面太近, 移动频繁, 影响工作。离得太远, 压力损耗大。据测定在管路完好的情况下, 每100m管路压力损失约2~3 MPa。

4.3 保持管路和注液枪完好

经常检查管路和注液枪密封件, 保持良好状态, 防止漏液, 保证注液枪输出压力达到12~15MPa以上。

4.4 给支柱加底座

为了防止支柱插底, 提高支护系统的刚度, 应给支柱加底座。底座选用园形铁板或塑料底座, 底座直径可用下式计算

式中

D—底座直径, mm

P—支柱额定工作液压, Mpa

qc—底板容许比压, Mpa

d—支柱缸体内径, mm

4.5 合理确定支护密度

合理支护密度指在绝对避免重大顶板事故的前提下, 满足生产要求, 做到经济合理。可按下计算确定

式中

n—支护密度, 柱/m2

PT—控顶要求的支护强度, kN/m2

RT—单体支柱的实际支撑力, kN/柱

摘要：通过对回采工作面单体液压支柱支撑效能的实际测定, 利用统计原理进行分析, 找出支柱没有发挥支撑效能的原因, 提出相应的改进措施。

关于新增单体液压支柱申请报告解读 第2篇

我矿 2.5m 单体液压支柱使用量较大, 主要原因为 2101工作面运 输顺槽因顶板压力大, 为防止巷道大面积冒顶, 采用金属棚及单体液 压支柱进行支护, 2.5m 单体支柱多数用于本工作面。2101工作面根 据目前推进速度,近几个月 2101运输顺槽内 2.5m 单体支柱无法批量 回撤。导致我矿 2.5m 单体支柱数量不足。2084工作面预计 7月上旬 进入搬家回撤阶段, 需用大量单体液压支柱进行回撤安装工作。特申 请增加 2.5m 单体液压支柱 400颗。

请批示

单体液压支柱工作面底板控制浅析 第3篇

1 问题的提出

采场支护和顶板、底板的相互作用是采场围岩控制和支架设计优化的重要课题。实践表明,只注意顶板控制而忽视底板控制往往给生产管理带来很大困难。特别是目前焦煤集团一些单体柱工作面及悬移支架工作面经常发生的支柱钻底情况,还有支架在松软底板下使用发生的移架、控顶困难情况,其重要原因之一,就是底板允许比压过小,由于支护破坏了底板,导致支架或支柱压入底板。支架或支柱压入底板的趋势愈严重,压入量愈大,不但造成顶板下沉量增大,顶板破碎度增大,而且降低了支架或支柱的有效支撑力,导致生产管理的恶性循环。因此,测定煤层底板岩层的抗压入强度、底板允许比压等底板岩层力学参数,对指导和加强回采工作面底板控制工作,确定单体支柱和液压支架的支护强度,对单体支柱底座选型、提高工效和降低成本均具有重要意义。

2 底板控制设计

保证支柱不钻底的护底原则:支柱对底板的压强小于底板的比压。如果不满足这一原则,则将发生支柱钻底,

即 Smin≥pc/qc (1)

式中,Smin为支柱必须达到的底座面积;pc为工作面控顶排支柱实测载荷平均值;qc为底板容许比压。

3 测试地点概况

基于以上情况,先后对古汉山矿11091回采工作面、演马庄矿22041回采工作面及中马村矿211061回采工作面的底板比压进行了测试,并对液压单体支柱柱鞋的选型及使用进行了观测和研究。

3.1 古汉山矿11091回采工作面

(1)煤层情况。

煤层结构简单,倾角11~14°,平均13°,煤层厚度4.50~5.00 m,平均厚度为4.76 m。该工作面平均走向长度680 m,倾斜长度 100~114 m,平均倾斜长度106 m,煤质为中灰、低硫优质无烟煤。

(2)采煤方法。

工作面采用走向后退式长壁分层开采,现回采上分层,采用人工爆破落煤,刮板输送机运煤,单体液压支柱配合Π型钢梁支护,全部垮落法控制顶板。

3.2 演马庄矿22041回采工作面

(1)煤层情况。

该工作面煤层厚度2.00~6.85 m,走向长度285 m,平均斜长97 m,煤层倾角9.0~12.5°。

(2)采煤方法。

工作面采用走向长壁倾斜分层后退式回采,全部垮落法控制顶板。回采时铺设金属网假顶,工作面采用ZH2000/15/35Z整体悬移液压支架支护。

3.3 中马村矿211061回采工作面

(1)煤层情况。

煤层厚度1.2~5.0 m,平均3.2 m。煤层倾角13~15°,平均14°。二1煤呈黑色,以粉末状、块状为主,工作面内煤层有分岔及灰黑色泥岩夹矸现象。

(2)采煤方法。

工作面采用走向后退式长壁采煤方法,倾斜分层布置;爆破落煤,工作面使用SGW-150型刮板输送机运煤。支护型式为齐梁直线柱,由DZ25-25/100型单体柱配合HDJA-1200型金属铰接梁组成。最大控顶距离为3.6 m,最小控顶距离为2.4 m,放顶步距为1.2 m。全部垮落法控制顶板。

4 工作面底板比压的测试及矿压观测

4.1 古汉山矿11091回采工作面

经测定工作面底板的极限比压为6.3 MPa,允许比压为4.4 MPa,控顶排支柱平均载荷64.3 kN。代入公式(1)得:Smin≥145.5 cm2。支柱的底面积为109.3 cm2,不能满足设计要求。

实测平均每循环的顶板下沉量为129.6 mm,平均每循环的支柱下扎量为120 mm。可以看出工作面的顶板下沉量和支柱下扎量相差不大。另外从现场测试看,工作面的柱缩几乎等于0,说明工作面的底板强度小,支柱的工作阻力较小,表现为钻底让压。周期来压时,工作面上部出现顶板压碎和台阶下沉现象,严重影响生产的正常进行。

4.2 演马庄矿22041回采工作面

工作面支柱的平均工作阻力为182.3 kN。经测定工作面底板的极限比压为8.3 MPa,允许比压为6.2 MPa。代入公式(1)得:Smin≥ 294 cm2。实际铁鞋面积为1 256 cm2>294 cm2,满足设计需要。

根据工作面矿压观测资料及实际考察情况,顶板出现多次大面积来压,其中当工作面推进44.1 m时,直接顶垮落。垮落时由于工作面顶板突然大面积垮落,造成老巷大量气体在短时间内被压出,下风道逆风100 m左右,来压时,工作面压力显现明显,工作面出现煤墙片帮、顶板普遍被压碎、老巷有明显的支柱钻底和底鼓现象。工作面在初次来压及周期来压期间,工作面的中站和上站有大量支柱安全阀开启。在整个观测期间,除直接顶初次垮落时支柱有明显的钻底现象外,其他时间支柱无明显钻底现象。

4.3 中马村矿211061回采工作面

经测定工作面底板的极限比压为3.2 MPa,允许比压为2.4 MPa,控顶排支柱平均载荷91 kN。代入公式(1)得:Smin≥ 379.1 cm2。实际铁鞋面积为706 cm2>379.1 cm2,满足设计需要。

由于煤层薄厚不均,有些地段已接近矸底,底板非常松软,最小允许比压仅为1.43 MPa。根据现场观测,当工作面推进30 m时,经历了初次来压,来压时,工作面煤壁片帮严重,支柱有明显的钻底现象,个别地段顶板出现台阶状下沉现象,给回采带来了一定困难。

5 结语

(1)单体柱工作面在进行支护密度设计时,往往只考虑顶板压力,而忽视底板比压,若支柱底座不能满足设计要求,就会因支柱的工作阻力过小,而导致钻底严重。

(2)在进行支柱底座设计时,必须对工作面底板比压进行测试,根据测试数据和支柱的工作阻力计算支柱底座的大小。

(3)加强工作面支柱穿柱鞋的质量管理,确保穿正、穿牢。

小议单体液压支柱在井下支护的应用 第4篇

一、前探梁临时支护作用的弊端

在前探梁临时支护使用时, 首先将圆环与锚杆连接好, 然后将钢管穿入圆环并窜至迎头, 并将连接好的网片铺设在2根钢管上, 煤矿的工作人员就在这样的临时支护掩护下进行作业。这一种支护方式的工作设计比较简单, 施工方便。但是在钢管和迎头顶板之间存在着缝隙, 属于被动的承压方式。所以在每一次迎头打锚杆的时候, 一定要预留6根丝扣较长的锚杆, 这样才可以保障吊环的安全悬挂。这一种支护方式的工作重点是要对预留的那6根丝扣较长的锚杆进行良好的保护, 不然要是锚杆发生了损坏的情况, 就会造成支撑点的减少从而影响到支护的安全, 对工作人员和施工工程的安全造成安全的威胁。

二、单体液压支柱的井下临时支护作用

单体液压支柱是在通过外部供液来维持恒阻的支柱。这一种支柱的主要设计使用材料是玻璃钢, 对于单体液压支柱的使用应该要根据巷道的不同特性和断面的大小来选取单体液压支柱的不同型号。使用单体液压支柱的工序主要是将工作面的水管与注液枪连接好, 注液枪将水通过三用阀上的单向阀注入缸筒, 顶出活柱, 支撑住巷道顶板。

这一种单体液压支柱的临时支护是属于主动承压的支护方式, 由于玻璃钢是其制造材料, 单体液压支柱拥有重量轻的特点。而且单体液压支柱还具有耐腐蚀、易操作等优点, 通过单体液压支柱对煤矿井井下支护, 可以大大滴减轻工作作业者的劳动强度, 对进行井下作业的工作效率得到大大的提高。

三、单体液压支柱的结构和工作原理

单体支柱结构是由活柱 (包括活顶、封头、加长管、活塞管、密封圈) 、缸筒、底座、手把、复位弹簧等几个零件组成的。

四、单体液压支柱的工作原理

单体液压支柱的工作原理是将乳化液或者静压水作为工作介质, 过滤、注液枪、三用阀上的单向阀是工作介质注入缸筒之前的三个主要工序, 在注入缸筒之后会顶出支柱, 支撑住巷道顶板。注液枪已经在初撑力达到限定值之后撤下, 避免初撑力过大。然后用三用阀上的单向阀对缸筒中的液体进行封闭, 制止活阀的下降。因为巷道板产生微量下降的时候, 也会相应的引起活柱的相应的微量下降, 而缸筒内的工作介质的压力增高也会让活柱顶力增大, 所以针对缸筒与活柱之间的牵连关系, 一定要平衡好顶板的下降力。

单体液压支柱技术在保护支柱上也有相应的措施。如果顶板出现了过大的压力, 会引起缸内工作介质压力超过三用阀上安全阀制定的压力限制, 这个时候安全阀就会自动排放出泄液, 让支柱下降, 保护支柱不受伤害。在工作完成之后, 将卸载手把插入三用阀上相应的孔中转动卸载手把, 打开三用阀的卸载阀, 在活柱复位弹簧的拉力作用下复位, 并将工作介质从卸载阀快速排出。

对单体液压支柱设备进行改造之后, 于活顶前加入了前探梁结构, 这让支柱能够更好地适应不同的巷道环境, 更好地在巷道中进行工作, 改善工作效果。前探梁在使用的时候与支柱的球形活顶既可以配合运用, 也可以单独使用, 具有比较大的使用灵活性。在与球形活顶分开运用的时候, 可以通过环形活顶直接或间接与顶板接触而达到使用效果。

五、单体液压支柱的使用

1在柱体正式投入使用之前, 一定要对柱体内部进行一次最大行程内的升降, 这样有助于全面排除缸筒内的气体, 同时在工作中往缸筒注入的工作介质应该是清洁干净, 不带有任何杂质的, 这样才可以延长缸筒的寿命和确保缸筒的施工效果。其中对于玻璃钢件一定要小心轻放, 不可以对其有摔、砸、撞等动作, 不然很容易会导致玻璃钢件的破裂。在工作之前要往密封槽处涂半流淌密封液, 这样可以有效地提高密封圈的密封性, 防止气体液体发生渗漏现象。注水方式如果采用的是地面静压水或者手动补压泵, 一定要对补压注水工具中的复位弹簧等零件发生的锈蚀情况进行随时的观察, 当锈蚀的情况已经影响到工作效果和工作安全的时候, 应该必须进行更换。要是要对主体进行长期的存放, 一定要对柱体内部的工作介质进行完全的排放, 要尽量保持缸筒的干燥。

2每一次支柱在进行正式注液之前都应该要用带过滤器的注液枪冲洗三用阀注液阀, 将里面的杂质如煤粉等进行清洗干净, 然后再插入注液枪并且用枪套套紧, 最后才进行注液升柱的工作。如果在使用过程中需要移动支柱, 只需将卸载手把插入卸载孔旋转手把就可以对支柱进行卸载或者移动。

六、单体液压支柱在井下支护的施工工序

在掘进工作中需要采用单体液压支柱来作为支柱的时候, 应该先根据巷道的客观情况, 根据巷道的高度来选择支柱的型号, 一般施工中的支柱不应该少于2支, 要距离巷道中线1000mm, 在支柱布置的时候要沿着巷道的中线进行对称的布置, 支柱底要垫平且支撑有力, 必须要加柱帽, 柱帽采用600×200×70栅的优质大板, 柱帽沿巷道走向布置。在布置支柱的工作同时也要注意工作的检查控制, 如果发现支柱出现了漏液的情况, 要及时对支柱进行补液工作。

在工作面放炮掘出毛断面以后, 第一步工作就是要进行敲帮问顶, 找净顶帮活矸、危石。如果顶板比较完整, 就可以将两根旧钎杆插入从工作面正顶周边两侧预留加深炮眼的残眼中。然后将连接好的金属网放置在旧钎杆上, 推至迎头。而在另一端用8#的铁丝对已经施工好的金属网进行固定, 承托住金属网, 然后在固定好的金属网下面打上带帽的单体液压支柱, 最后通过金属网和单体液压支柱的掩护严格遵循设计的要求进行对锚杆进行打、注等操作。

而另外一种情况要是顶板比较破碎不完整, 在准确找到顶之后, 要先打上带帽的单体液压支柱, 再打上护顶锚杆来进行对顶板的控制, 在控制工作完成之后就可以依照前一种情况的工作手段和方法挂网并且网下再打上单体液压支柱, 最后进行打、注锚杆的工作。

结语

单体液压支柱经过科学的分析和探讨, 已经逐渐在煤矿井下掘进中的临时支护得到了越来越广泛的应用, 对顶板事故的发生有了明确的遏制效果, 确保了施工效率的同时也保证了工作人员的人身安全。而且单体液压支柱的应用范围比较广泛, 除了掘进工作面可以应用, 还可以应用在巷修的工作面上。单体液压支柱相比传统的前探梁支护方法, 有着不可比拟的优势, 是煤矿矿井下安全生产的最有力保障。

参考文献

[1]汪为峰, 轻型单体液压支柱在井下临时支护中的应用[J], 山东煤炭技术, 2011 (1) .

[2]汪为峰, 轻型单体液压支柱在井下临时支护中的应用[J], 山东煤炭技术, 2011 (1) .

液压支柱 第5篇

山东科技大学研制的一种基于RS485总线的DK-ⅢA型单体液压支柱密封质量检测仪, 有效地克服了目前广泛使用的DK-Ⅱ系列单体液压支柱密封质量检测仪的不足。淄博、兖州、鹤壁等矿区的应用实践表明, 此项成果充分利用RS485数据传输距离远、抗干扰能力强等优点, 极大扩充和优化了原有性能, 可以作为DK-Ⅱ系列检测仪的换代产品。

该系统主要由计算机、智能控制器、振弦式压力传感器、通信接口、打印机和连接电缆等组成, 每个智能控制器采用单片机AT89C52设计, 与系统计算机组成计算机网络监测系统。每套仪器所接传感器个数不受限制, 最多可带128个, 但一般接32个就足够。所有智能控制器通过一根四芯电缆串接, 与计算机构成监测系统, 仪器连线十分方便。计算机通过通信接口控制所有控制器, 通信接口完成RS485/232的转换及通信状态指示, 保证计算机和单片机数据通信成功, 同时也负责给所有智能控制器和压力传感器供电。计算机、通信接口均放在操作室或办公室, 使用方便、简捷。其工作原理如下:通过计算机输入所接传感器的常数和一些设计参数智能控制器把接收的参数保存并开始检测传感器, 即使断电再上电后, 不需要再初始化智能控制器, 可直接进入正常检测, 一旦找到初压就可开始计时和计算降压百分比, 并将当前压力、降压百分比和检测时间实时显示出来。如在设定时间内降压百分比超过设定值, 则发出声光报警信号;如连接计算机, 则计算机可将循环采集所接智能控制器中的有关数据做进一步处理、显示、存盘和打印等。整套仪器完全自动运行, 无须人员看守操作。

液压支柱 第6篇

随着我国工业的高速发展, 零件的复杂程度及精度要求也越来越高, 传统的设计及加工技术已不能满足人们对高效率高质量加工要求。对于设计而言, UG的建模功能非常的庞大, 多数应用在复杂曲面的结构件上, 如车身外曲面、内部传动机构、零件及设备外表面等[1,2]。Cimatron软件在数控加工中具有灵活的加工方法及优秀的仿真模拟校验功能, 不仅能保证生成的刀具轨迹平顺、切削负荷稳定、刀路安全性高, 而且加工效率高, 能充分发挥数控机床的最大效能。本文基于UG和cimatron软件对液压支柱顶盖模具进行虚拟加工并使用宇龙软件对生成的NC代码进行仿真, 为后续的实际加工提供依据。

1 仿真加工流程设置

把UG生成的模型导入到cimatron后进行刀位轨迹及NC代码的自动生成, 并应用宇龙仿真软件实现零件虚拟铣削过程的动态仿真。经过检验, 根据需要适时修正数控代码, 通过重复上述仿真过程, 进一步对刀位轨迹进行优化, 从而获得最优的NC代码。仿真加工操作流程图如图1所示。

2 基于UG的模具设计及工艺分析

2.1 液压支柱顶盖结构分析

图2所示为一液压支柱顶盖零件图, 该零件最大轮廓是126×126×80的正方体, 零件中间为凸出的半圆球, 四个角各有一个凸台, 凸台由下部的锥面及上部的R8半球相切而成。中间其它部分是零件的型腔。零件底部有一个直径为Ø88mm套筒, 厚度为16mm。为方便锻造, 凸台与零件型腔都有R6的圆弧过渡。

2.2 创建3D模具造型

根据液压支柱顶盖零件图, 可以确立了相应的模具造型[3]。设计造型需要在UG零件模块中进行, 三维造型功能:首先对126×126的方通过拉伸功能完成, 中间部位的半球面采用布尔运算的求差来完成。而其它较复杂的曲面造型通过扫掠曲线来完成。利用UG设计的液压支柱顶盖模型如图3所示。

完成产品造型后, 根据产品45钢材的热涨率进行缩放, 设置收缩率为1.014, 完成产品收缩率后, 可进行生成模具上下模。整个锻模曲面的交接处和四周角落都应有R3mm的过渡圆角以避免应力集中。由于顶盖上模比下模形状复杂, 加工细节也比较多, 故只阐述上模的加工编程。最后生成模型见图4。

2.3 零件工艺方案设计

根据创建好的模具各个形面形状, 尺寸特点以及粗精加工分开的原则, 对加工工艺进行认真分析, 在保证零件表面粗糙度及足够加工精度的同时, 充分考虑零件刚度、刀具使用寿命和工作效率[4], 确立如下加工工艺方案。具体方案如表1所示。

3 基于Cimatron的模具数控加工

cimatron E8.5软件有着丰富的数据交换接口, 可直接对UG/Parasolid、Pro/ENGINEER、CATIA进行数据导入导出。尤其在加工方面, Cimatron E8.5更有自己独特的特点:

(1) 精加工下, 有快速预览功能, 无需计算即可提前预览加工效果。

(2) 开粗有环切有3D功能, 一层只需抬一次刀, 效率高;

(3) 平面可一次性框选加工, 既安全又高效;

(4) 自动排孔、钻孔工艺, 可减少人为误差;

(5) 加工中如对零件几何进行更改, 可依然继承毛坯, 极大节省加工时间。

利用cimatron E8.5对上模进行加工编程。第一步是给顶盖模具的型腔加载毛坯, 调用系统模板或用户自定义模板、设计刀具;第二步是分别创建加工程序、定义工序、加工对象、定义加工方式、生成相应的加工程序。而用户可依据加工程序的内容来确立刀具轨迹的生成方式, 根据加工对象的具体内容、刀具的导动方式、切削步距、进给量、切削角度速、主轴转、进退刀点、干涉面及安全平面等详细内容生成刀具轨迹[5,6]。刀具轨迹生成是CAM的核心操作内容, 其加工流程如图5所示。

(1) 转换模具数据。UG转换的stp格式文件Cimatron转换不能进行直接操作, 应用Cimatron转换器转换为pfm文件才能进行操作。

(2) 建立坐标系。坐标系是加工中心工作的基准, 合理的坐标系有利于提高工作效率。本零件的X0、Y0坐标系建立在模具的中心, 俗称四面分中, Z0坐标为模具的最高面[7]。

(3) 选择加工方式和加工区域。根据上模的外型特点, 应采用等高线方式加工, 选用较大铣刀开粗, 增加效率。二次开粗较小铣刀清除较小角落残量[8]。精加工应用最佳等高精加工, 选用φ6R3球头铣刀, 使曲面加工更光滑到位, 最终生成加工刀具轨迹如图6所示。

4 基于宇龙数控仿真软件V3.8的加工

数控加工仿真系统是基于虚拟现实的仿真软件, 本系统可以实现对数控铣和数控车加工全过程的仿真, 其中包括零件基准测量和设置, 毛坯定义与夹具, 刀具定义与选用, 数控程序输入、编辑和调试等功能。

4.1 机床参数设置和基本操作

1) 机床的构建, 为了提高工作效率, 充分利用宇龙数控仿真软件提供的机床模型, 现调用文件名为FANUC 0i Mate数控机床, 与实际加工所用数控加工中心VMC850相符;

2) 定义毛坯的外形、尺寸和材料, 然后进行刀具设置, 选择刀具长度、刀片、刀柄的形状及刀尖半径[9,10];

3) 启动数控系统, 按“回零”操作后, 建立机床坐标系[11];

4) 对刀。

4.2 NG程序的导入和加工

在MDI面板上逐行手工输入程序很容易出错, 在数控仿真操作系统下可以直接导入由cimatron后处理生成NC程序。先将数控仿真系统设置为“编辑方式”[12,13], 在“PROG”状态下, 选择软键“操作/F检索/READ”;再给程序命名为O0001;单击“EXEC”软键, 即可看到导入的NC程序。程序导入后以试切对刀方式用G54建立工件坐标系[14,15]。程序调整以后在“自动方式”下即可进行零件的仿真加工, 仿真结果如图7所示。生产的零件见图8。

5 结论

使用UG可以准确创建模具, 快速生成成型零件, 其模具设计效率明显优于传统设计方法。而Cimatron具有参数简练、易学易用、功能齐全及生成数控程序质量好、工作效率高等优点。宇龙仿真软件不仅能很好的验证NC代码工具, 而且对刀具轨迹及三维形状能实时检测, 加工仿真效果逼真。经实践证明, 采用UG的建模设计, cimatron的程序自动生成以及宇龙软件的NC代码验证及测量, 能保证生成的NC代码能在实际的机床上安全、高效、可靠地运行, 实际加工效率提高, 生产周期缩短, 加工出的产品质量更高。

摘要：以液压支柱顶盖模具的设计及虚拟加工为例, 介绍了运用UG在建模模块中设计出模具模型, 运用cimatron设置加工参数以实现自动编程, 最后把生成的NC程序导入仿真软件进行虚拟加工。

液压支柱 第7篇

单体液压支柱是煤矿最常见的支护设备之一, 常以乳化液为工作介质[1], 为避免乳化液污染环境现又出现水压单体支柱。支柱的三用阀是控制支柱动作的核心部件, 三用阀的失效是出现胀缸、串油等故障的主要因素之一[2]。单体支柱与围岩间相互作用复杂, 单体支柱及三用阀模型建立困难, 目前主要模型有:基于Sim Hydraulics的参数化仿真模型[1];基于数学推导的Simulink仿真模型[3];基于Hamilton原理导出的波动方程模型[4]及基于FEM和SPH法的立柱动态分析模型[5]。上述模型为单体支柱的研究提供了有益指导, 但均不能实现系统性能和元件结构的同步分析。AMESim是多领域联合建模软件, 任锡义曾基于AMESim建立了液压支架立柱模型[6]。本文主要运用AMESim建立单体支柱多物理场耦合模型并进行元件级系统仿真研究。

1 单体液压支柱的工作原理

单体液压支柱工作过程主要分三个阶段[7,8,9]:①升柱阶段:注液枪与单向阀连接, 泵站液体使支柱快速升起;当支柱顶部接触顶梁后阻力增大, 速度降低, 腔内压力急剧上升至泵站压力, 支柱获得初撑力。②溢流阶段:支柱受到顶板施加的静载荷、冲击载荷等超过额定工作阻力时, 腔内压力升高, 安全阀打开, 工作液外溢, 支柱回缩, 压力降低;当压力低于额定工作压力时安全阀关闭, 支柱停止回缩, 从而实现恒阻支撑。③卸载阶段:用卸载手把开启卸载阀, 工作液外排, 支柱在自重和复位弹簧作用下回缩, 完成卸载。

2 单体液压支柱支护模型的建立

2.1 单体液压支柱支护系统

AMESim基于键合图建立仿真模型无需数学建模过程。为精确模拟支柱工作特性, 兼顾围岩及泵站对支柱的影响, 在支柱与底板及支柱与顶板间均加入弹簧阻尼, 将三用阀中单向阀接入恒压泵站, 并采用落锤冲击模拟冲击载荷[10], 支护系统的物理模型如图1所示。

2.2 支护系统AMESim模型的建立

元件级的系统仿真模型如图2所示, 为考察结构参数对系统性能的影响, 单体支柱及三用阀中的安全阀、单向阀及卸载阀均采用AMESim机械库及液压库中的标准元件组建;外部载荷及力通过信号库中的信号源和力转换器模拟实现, 其中冲击载荷采用落锤冲击产生;并在模型中加入泄漏、摩擦等元件以完善模型功能。

2.3 相关数学模型

单体液压支柱及安全阀的数学模型如下:

1) 支柱柱体运动微分方程

式中:F为外载荷 (工作阻力) , N;D为柱体直径, m;p为液压力, Pa;m1为柱体等效质量, kg;y为柱体位移, m;B1为柱体等效阻尼系数, N·s/m;f1为柱体与缸体间摩擦力, N;k1为复位弹簧刚度, N/m。

因支柱腔内压力高阻力大, 式 (1) 右边的摩擦力f1、复位弹簧拉力k1y及柱体等效重量m1g相对于左边的阻力F及液压力可忽略不计。其中阻力F由初撑力及冲击载荷构成, 忽略式 (1) 右边的动态量得到支柱静态平衡方程式 (2) :

式中:M为冲击质量, kg;F0为初撑力, N。

2) 支柱流量连续性方程

式中:Q为支柱流量, m3/s;V为腔内总容积, m3;βe为水的体积弹性模数, N/m2;λc为液压缸泄漏系数, (m3/s) /Pa。

3) 安全阀阀芯运动微分方程

式中:d为阀芯进液口直径, m;f0为安全阀弹簧预压力, N;k为安全阀弹簧刚度系数, N/m;x为阀芯位移, m;m2为阀芯等效质量, kg;B为阀心等效阻尼, N·s/m;Fw为稳态液动力, N;Fd为瞬态液动力, N;f2为阀芯与阀套间的摩擦力, N。

因式 (4) 右边的摩擦力f2、稳态液动力Fw及瞬态液动力Fd相对于式左边各项可忽略不计, 省去式右边动态项得到静态平衡方程式 (5) :

4) 安全阀流量连续性方程

式中:Kq为流量增益;Kc为流量压力系数, N·s/m。

2.4 仿真参数设置

根据DW25-250/100型支柱的性能参数、工况参数及三用阀的结构参数确定仿真条件如下:泵站压力p0为20MPa, 初撑力F0为157k N, 额定工作阻力F为250k N, 额定压力p为31.8MPa, 支柱行程L取800mm, 直径D为100mm, 复位弹簧刚度k1为1076N/m, 泄漏间隙δ为0.01mm。据式 (2) 算得冲击质量M为9300kg, 其他参数如表1所示。原始设计以静态分析为主, 常忽略式 (1) 、 (3) 、 (4) 、 (6) 右边因素项的影响, 因此有必要在静态分析基础上进行动态分析。

3 动态特性仿真分析

3.1 单体液压泵支柱工作过程

通过信号源控制支柱动作过程:开启泵站升柱750mm, 再通过静载信号加载恒定初撑力, 模拟支柱顶部接触顶梁后的阻力;升柱800mm时, 发出冲击信号释放落锤使支柱溢流;稳定后施加卸载信号开启卸载阀排液使支柱缩回。模拟的支柱位移和压力曲线如图3和图4所示, 受冲击后压力迅速稳定在31.7MPa, 峰值为34.4MPa, 超调量为8.1%, 调整时间0.8s, 模拟的支柱动作特性及腔内压力变化与实际情况完全相符。

3.2 安全阀的压力流量特性

三用阀中的安全阀是决定支撑与安全性能的核心阀, 顶板下沉时安全阀迅速开启溢流, 使支柱回缩以适应顶板大位移快速下沉, 避免系统过载。安全阀阀芯结构如图5所示。在满足式 (5) 的前提下, 设置进液口直径, 弹簧预压力、阀口重叠量等参数, 以稳定工作压力、实现大流量和大位移回缩为优化目标, 分析动态过程中各参数对支柱升降及安全阀压力流量特性的影响。

1) 进液口直径d

不同进液口直径d的仿真结果如图6所示, 随着进液口直径的增大, 安全阀流量增加, 超调量减小;直径取7.5mm时, 流量保持236L/min, 直至液体全部外泄, 可见进液口直径取值不宜过大, 取7mm为宜, 过大则将影响阀口闭合。

2) 阀口重叠量x0

不同阀口重叠量x0下的仿真结果如图7所示, 随着阀口重叠量的减小, 压力波动减小, 最大流量和回缩量均增加, 顶板可有更大的下沉位移。可见阀口重叠量应取较小值, 但为保证阀口的密封性能, 确定阀口重叠量x0为1mm。

3) 排液孔直径d0

不同排液孔直径d0下的仿真结果如图8所示, 增大排液孔直径与减小阀口重叠量的效果相同, 而设计的周向均布排液孔数n=8, 进液口直径d=7mm, 为保证阀芯的强度, 确定排液孔直径d0为1.5mm。

4) 等效阻尼B

不同等效阻尼B的仿真结果如图9所示, 随着等效阻尼的减小, 压力波动减缓, 稳态调整时间缩短, 这与增大阻尼可增强稳定性的常理相悖。一方面上述仿真是针对支护系统整体稳定性进行的研究, 减小阻尼增加了阀芯灵敏度, 在顶板冲击下安全阀响应快, 整个系统的抗冲击能力增强。如图10所示, 另一方面从安全阀局部性能来说, 减小阻尼使阀芯的振动加剧, 稳定性减弱。因此等效阻尼的取值应兼顾整体和局部的稳定性, 取4000N·s/m为宜。

根据上述分析确定的参数优化得到的特性曲线如图11所示, 系统最大压力为33.1MPa, 超调量为4.2%, 稳态调整时间为0.55s, 性能优于《矿用液压支架阀性能指标要求》中的标准。且最大瞬时流量达140L/min, 支柱最大回缩量达50mm, 满足支柱大流量大位移的设计要求。

4 结论

1) 增大进液口、排液孔直径和减小阀口重叠量均能提高系统的响应速度及压力稳定性, 并获得大流量及大回缩量, 但当进液口直径增大至7.5mm时将影响阀口的关闭性能。

2) 等效阻尼的影响具有两面性, 一方面减小阻尼可增加系统的响应速度, 获得大流量及大回缩量;另一方面对局部性能而言, 减小阻尼却降低阀芯的稳定性。

3) 改变阀口重叠量及等效阻尼系数对系统压力峰值无影响, 仅能改变稳态调整时间;改变进液口及排液孔直径对稳态调整时间、压力峰值及回缩量均有较大影响;且各参数中改变排液孔直径最易获得大流量。

4) 优化后的压力超调量为4.2%, 稳态调整时间为0.55s, 最大流量为140L/min, 最大回缩量为50mm, 动态性能好, 满足大流量、大回缩量的设计要求。

摘要：为研究水压单体液压支柱在负载作用下的特性, 建立了单体支柱的物理模型和元件级仿真键合模型, 通过模拟支柱工作过程分析了不同参数对支柱升降特性及水压三用阀的压力流量特性的影响。分析结果表明:增大进液口与排液孔直径、减小阀口重叠量与等效阻尼可提高系统响应速度、增大溢流流量和支柱回缩量, 但过大进液口直径会影响阀口的关闭性能, 同时减小等效阻尼会使安全阀阀芯的稳定性降低。

关键词：单体液压支柱,三用阀,AMESim,建模,仿真

参考文献

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单体液压支柱初撑力低的原因分析 第8篇

1 工作面概况

12081工作面煤层厚度0～7 m, 倾角3～10°, 煤厚变化大, 地质构造和水文条件简单。伪顶为厚0.5 m的泥岩, 直接顶为厚5 m的砂质泥岩, 基本顶为厚4 m的砂岩。直接底为厚5 m的泥岩, 基本底为厚4 m的砂质泥岩。采煤方法为走向长壁倾斜分层采煤法, 采用手镐落煤与放炮落煤相结合的方法。顶板控制采用全部垮落法。工作面回风巷、运输巷均沿煤层顶板掘进, 采用梯形工字钢棚支护。工作面沿顶回采上分层, 采用DW22-25/100型单体液压支柱, 配DJB-1200型铰接顶梁的走向棚子支护, 成棚为一梁一柱, 支柱为齐梁直线柱正悬臂式支护。一次推进1.2 m, 工作面净棚距0.5 m, 排距1.2 m。

2 数据分析

(1) 测试数据整理。

支柱 (支架) 支设时施与顶板的力称为支柱 (支架) 初撑力。对于单体液压支柱, 将支柱的活柱升起, 托住顶梁, 利用注液枪注入乳化液, 使乳化液传递的泵压通过活柱施与顶板的撑力就是初撑力。当推过槽, 用支柱刚升起时测得的支柱载荷来记录。根据大众煤业公司矿压显现规律的观测与研究成果, 对测量数据进行记录整理, 求得平均值为28.719 51 kN/根, 其最大和最小值分别为86.35, 0 kN/根。

(2) 支柱初撑力及其频率分布。

在82个初撑力实测数据中, 其最小值为0, 即取下限为0;最大为86.35 kN, 取上限为88 kN。在其上、下限间, 按组距8 kN列表求出支柱初撑力频率分布 (表1) 。

(3) 单体液压支柱工作面初撑力普遍较低。

为全面掌握工作面支柱初撑力的现状, 通过对安阳大众煤业公司多个回采工作面的支柱初撑力长期测压观察, 发现支柱的初撑力普遍较低, 一般合格率在50%～70%。另据其他统计显示, 如:原新汶矿务局7个回采工作面支柱的初撑力低于70 kN的占60%～80%;原淄博矿务局31个回采工作面, 支柱的初撑力低于50 kN的占70%;原福建省部分煤矿回采工作面支柱的平均初撑力在30 kN以下的占40%, 30～50 kN的占40%, 50 kN 以上的占20%。因此, 初撑力较低是单体液压支柱工作面的普遍现象。

3 影响因素分析

通过对安阳大众煤业公司12081工作面调查分析、测定和试验, 按照故障树的分析原理, 将影响工作面初撑力的各种因素进行了分类。从图1中可以看出:人为操作不当、设备工作不良、支柱自身失效、围岩与支护刚度低是影响支柱初撑力低主要原因。

(1) 稳压时间不足。

现场测得, 要使支柱初撑力达到90 kN, 顶板较完整时, 稳压时间3～4 s, 顶板条件不好时需6～8 s。在工作面, 由注液工人掌握稳压时间, 工人操作不当、思想认识不到位、安全意识差等都是影响支柱初撑力的重要因素, 表现为单体液压支柱的初撑力不足。

(2) 底板浮矸、浮煤及顶煤处理不干净。

当顶板较破碎或有顶煤时, 由于背顶不严, 碎矸、顶煤受到挤压后破碎掉落, 挤压力越大, 掉落得也越厉害。于是当工人支柱时, 怕掉落煤矸, 在支柱接触顶梁后, 就立即停止了注液;因工作面煤层底板极易风化, 操作者有的不清理浮煤就开始打柱, 支柱接触顶梁后就停止了注液, 使支柱的初撑力不足。

(3) 顶梁接顶不好或不接顶。

顶梁不能充分与顶板接触, 使初撑力不足。当顶板凹凸不平、有小台阶或空顶时, 为了让梁保持平整或防止挤入凹处, 没有给足初撑力。

(4) 受其他梁柱的牵制或者影响。

为防止周围的支柱松动而不给足初撑力, 从而造成支柱的初撑力不足。如平时抽测的4对8根梁下的支柱初撑力均比其他地方的支柱初撑力小2～3 kN。

(5) 多点作业、多把注液枪同时升柱。

共用同一个泵站多个液压推移装置同时作业、回采工作面多处同时作业、多个注液枪与多个推移装置同时作业等, 极易造成支柱的初撑力不足。

(6) 存在懒柱。

把人为操作达不到初撑力要求的支柱叫做“懒柱”。懒柱的存在, 使其始终处在增阻状态, 达不到恒阻工作状态, 造成单体液压柱初撑力不足。

(7) 设备及系统性能的影响。

由于支柱初撑力的高低是由乳化液系统各种装备和器材的性能所决定的, 以下设备或者系统性能的优劣和工作状态的好坏, 也是造成初撑力低的最基本影响因素:乳化液泵站调定工作压力低造成初撑力不足;蓄能器使用不正常, 使蓄能器起不到缓冲液压脉冲的作用;由于自动卸载阀启闭压力差过大, 升起的支柱初撑力不稳定;管路系统漏液将严重影响工作面初撑力;在井下使用无密封圈的注液枪, 也会影响支柱的初撑力;支柱活柱或底座密封损坏漏液, 支柱就会失效、没有支撑力或支撑力很低。

(8) 岩性的影响。

围岩特性、底板特性等在内的相关地质因素, 底板浸水、放炮松动等地质环境因素以及支护刚度等特定因素, 也是影响采煤面单体柱初撑力的重要方面:底板有风化层或水浸, 造成支柱钻底;底板松软、抗压强度低, 造成支柱钻底而出现初撑力不足;柱鞋没有穿好、压裂、倾斜、压抛。从而使支柱达不到规定的初撑力。

4 结语

从以上各项分析结果可以看出, 影响初撑力的因素有人工操作、设备系统、支柱自身失效、围岩与刚度4个方面30多个可能性因素。应该从解决和克服这些问题的角度出发, 针对这30多个可能造成初撑力低的因素, 再根据工作面的自身情况建立起采煤工作面切实可行的“简单、可靠、经济、高效”的初撑力保证体系, 从而提高单体支柱的初撑力, 以确保矿井安全生产。

参考文献

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[3]胡长仁.单体液压支柱初撑力低的原因和处理方法[J].煤炭科学技术, 1989 (6) :5-7.