探讨小型地面钻机给进液压缸设计

杨永梅

（河北省地矿局地质一队，河北 邯郸 056001）

小型地面钻机是地面煤层气抽采的常用和关键性设备。在实际工程中发现，目前所普遍采用的钻机给进液压缸有成本高昂、体积质量大不易运输、维修困难等多方面缺点。因此，研究出良好且可以被普遍使用的液压缸制造工艺，显得尤为重要[1]。

1 液压缸主要参数确定

小型地面钻机通常工作环境比较恶劣，主要应用于煤层资源丰富的我国南方复杂山地地区。钻机给进液压缸工作原理是活塞运动原理，因此要想确定液压缸的主要参数，首要任务是确定液压缸活塞杆理论推理大小。根据理论知识，安装在桅杆顶部的液压缸的后端受力平衡方程为：

在实际的工程案例中，F起拔的大小可以通过实际测量得到，将F起拔带入上述平衡方程，就可以确定活塞杆理论最大推力F。

接下来，就需要确定液压缸活塞直径和活塞杆直径，此步骤可以根据压强与力的关系来确定。通过对力与压强之间的关系进行分析，然后得出相应的液压缸活塞在进行往复运动时的速比公式为：

2 液压缸筒强度分析

在实际工程使用过程中，现场人员看来液压缸的好坏就体现在液压缸筒强度上。如果强度达不到实际工程需求，造成的经济损失和人身安全损失将会是巨大的。为保证液压缸在安全的情况下进行工作，需要对液压缸筒壁厚进行校核，其校核的公式为：

在上式子中，PN为钻机处于最大起拔力工况时液压缸所承受的压力。

应该注意到的一点是，在钻机的实际工作过程中，随时都可能出现液压缸筒所受压力瞬间增大的现象，为了保证液压缸筒在压力瞬间增大的过程中不被破坏，在设计液压缸筒的最大承受压力是应远远大于利用上式计算出来的压力，为此，有经验公式如下：

这是根据工程经验总结出来的液压缸筒抗压强度设计值计算公式，按照此式子计算并设计，可以确保液压缸筒壁设计出来满足防爆裂需求[2]。

经过了理论验算之后，为进一步验证结果的准确性，可以利用有限元分析软件ANSYS、ABQUS、3D3S等对液压缸筒壁进行更为深入的静力学有限元分析，可以得到钻机进给液压缸的应力和应变云图。

3 活塞杆稳定性探讨

在实际的工程中会应用到多种细长类杆件和压缩部件，当其所承受的载荷达到或超过其临界值的时候会导致其弯曲失稳，甚至出现断裂等现象，这被称为材料的屈服过程，任何一种工程实际当中的材料，在实际使用过程中都会有弯曲失稳的可能性。

对小型地面钻机的应用过程进行分析，当钻机给进液压缸行程远远大于系统活塞杆直径的时候，该情况下最容易发生弯曲失稳等情况，这就需要对钻机给进液压缸进行稳定性验算，避免实际应用的过程中发生意外事故。

活塞杆压杆稳定性验算可以根据理论力学中压感稳定性验算的公式来判别：

在式中，F是给进液压缸在正常运行的情况下承受的最大压力；Fk为活塞杆在弯曲失稳的临界状况下承受的压缩力；nk为安全系数，其取值根据压杆稳定性验算的附表选取；E为弹性模量；I为活塞杆横截面形心主惯矩。由计算公式可知，在钻机给进液压缸系统中，当材料、杆直径、安装距离等数值保持不变的情况下，活塞杆的弯曲失稳临界压缩力只与液压缸安装导向系数与关。

基于此，为了保证后期的养护和维修工作的顺利进行，工作人员给进液压机的改进提出了三种不同的安装方式：其一是活塞杆外端有“前耳环”，具有导向性，其二是后耳环活塞杆外端为前耳环，其三是活塞杆外端有螺纹，有导向。

对活塞杆进行线性屈服分析可以发现，当活塞杆发生屈服变形时，会产生非常大的横向变形，这种情况下活塞杆极易被折断，而想要维修更换已经折断的活塞杆所花费的费用及技术难度都非常大，不具有现实的维修意义。

4 对钻机给进液压缸的优化设计探讨

综合上述分析结论可知，对钻机给进液压缸的优化设计最为便捷的方式就是改变液压缸筒材料，选用合适的材料让液压缸筒的强度最大化的利用所用材料的屈服强度。根据科学的研究分析表明，缸筒底厚、缸筒壁厚与最大应力、最大应变和质量都能相互产生响应关系，具体而言，底厚和壁厚的变化和强度决定着液压缸的最大应力、最大应变质量的变化和大小。再者，底厚的变化对整体影响不大，壁厚对整体的影响较大。综合上述结论得出钻机给进液压缸的优化设计方案：选用合适的材料，在抗压强度满足要求的前提条件下尽量减小壁厚。

5 结语

综上所述，本文针对小型地面钻机给进液压缸，结合已有科研资料和所学知识，做了初步探讨和研究，并提出最简单的优化设计方案，主要成果总结如下：第一，研究了液压缸主要参数的确定方法；第二，研究了液压缸的强度稳定性；第三，对液压缸及活塞杆的弯曲失稳变形做了初步研究；第四，提出了一种简单的钻机给进液压缸优化设计方案。