雙剪切銷在液壓支架推移機構過載保護的應用

文/高小強

雙剪切銷在液壓支架推移機構過載保護的應用

文/高小強

液壓支架推移機構承擔采煤工作面所有設備的推移工作，其可靠性對整個工作面能否正常生產至關重要。根據目前國內采煤工作面統計的結果顯示，液壓支架液壓件維修更換量最大，推移機構的故障率和維修更換次數排在第二位。受液壓支架整體結構限制，井下更換推移裝置結構件非常困難，同時維修工作量很大。為了解決這一難題，對推移機構必須設計一個最薄弱的剪切安全銷軸，一旦過載，推拉力超過推移機構安全承載力時，該銷軸被剪斷，以保護推移機構的關鍵部件不受損壞。因此剪切銷在整個推移機構中則顯得尤為重要。本文分析了液壓支架推移機構失效的原因，鑒于單剪切銷不能更好保護推移機構，提出了雙剪切銷的設計方案，并給出了計算方法。這對解決液壓支架推移機構損壞問題及提高綜采設備整體可靠性具有重要的現實意義。

一、單剪切銷的弊端及解決方案

1．單剪切銷作用及弊端概述

液壓支架推移機構由推桿體、推移千斤頂、十字連接頭、十字連接頭與推移桿連接處剪切銷、十字連接頭與輸送機連接處鉸接銷、推移桿與推移千斤頂連接處鉸接銷組成。剪切安全銷設置在推移機構容易更換的位置。通常情況下，將推移機構連接頭與推移桿連接處的銷軸設為剪切安全銷，如圖1所示。推移連接頭與推移桿連接處剪切銷對推移機構正常工作時前后、左右四個自由度方向能起到很好的過載保護。而液壓支架的使用規(guī)范中要求工作面“三直、兩平”，即煤壁直、液壓支架直、輸送機直、頂板平、底板平。然而，當采煤遇到某些特殊工況或者運輸機下端浮煤未清理等情況時，隨著綜采工作面不斷推進，運輸機、采煤機以及液壓支架逐漸向垂直底板方向偏移，當垂直偏移量大于支架設計推移最大上抬起量后，使整個支架在過橋處壓在推桿體上。此時如果再進行帶壓擦頂拉架就容易造成推桿體的斷裂，即出現上述工況時該處剪切銷在上下方向就有可能出現過載保護失效。

圖1 推移裝置結構示意圖

2．單剪切銷過載保護失效驗證

為驗證出現上述特殊工況時，推移裝置單剪切銷能否在上下自由度方向對推移裝置提供加載保護，模擬了液壓支架推移裝置的工作原理及狀態(tài)，對液壓支架推移裝置做了如下試驗進行驗證：

（1）試驗概述：用實體液壓支架在壓架實驗臺上模擬上述特殊工況進行帶壓擦頂拉架；首先前端利用自行設計工裝耳座模擬刮板運輸機與推移裝置連接，以便于模擬液壓支架拉架，同時嚴格控制各連接銷軸與銷孔之間的間隙，利用泵站向立柱緩慢加壓直至推移裝置有部件損壞，形成整體系統有泄壓產生并記錄相關壓力數據。

（2）試驗結果：當泵站壓力加載到40MP時，推移裝置十字連接頭前段被損壞，同時推桿體嚴重彎曲，而推桿體與十字連接頭處剪切銷并未損壞。

（3）原因分析：上述試驗工況中，即便各個銷軸與銷孔間隙控制精準（銷孔間隙為單邊0.5mm），但由于推桿體和連接頭自身重力等因素的影響，銷孔間隙將偏移至一側。當推移裝置受到垂直向下的作用力時，推移裝置連接頭與推桿處剪切銷只能對前后、左右四個方向的作用力進行有效過加載保護，不能對上下方向的作用力提供加載保護。整個試驗過程中模擬工裝耳座與推移裝置連接處銷軸由于為實心銷軸，設計強度較大，而推移裝置連接頭一般為鍛鑄件，強度略低于此處銷軸，當所受到垂直向下作用力大于材料屈服強度時，就造成了連接頭的破壞。

（4）改進措施：由于推移機構單剪切銷在垂直液壓支架底板方向上所受力時不能完全起到過載保護。同時通過對推移裝置連接結構的分析，將在運輸機與連接頭鉸接處連接銷改用剪切銷形式，同時通過對該剪切銷進行強度校核并進行重點控制，可以對推移裝置上下方向受力時起過載保護作用，即為題目所述的用雙剪切銷對推移裝置進行過載保護。

綜合上述，推桿體與連接頭處剪切銷在垂直底板方向上對推移裝置不能起到過載保護。而整個推移裝置機構采用兩個剪切銷可以對推移裝置起到有效的過載保護，即推移裝置對雙剪切銷的過載保護應用。

二、剪切銷的設計計算

1．剪切銷的設計計算方法

剪切銷軸的剪切槽通常設計為兩個槽，采用雙剪形式，剪切槽設置在單耳和雙耳鉸接配合面上。當連接銷軸設置為剪切槽時剪切應力：

銷軸不設置剪切槽時剪切應力：

銷軸設置剪切槽時的安全系數：

銷軸不設置剪切槽時的安全系數：

剪切銷軸安全系數降低比率：

銷軸的剪切安全系數的取值取決于其他部位的安全系數，它在機構中的取值為最小。為保證推移機構過載保護的作用，推移機構剪切安全銷切槽后相對無切槽安全系數應降低25%，即斷面收縮率φ取值為0.25。即剪切銷各個內外徑尺寸關系式：

式中：τ1—銷軸剪切槽剪切應力；τ2—銷軸無剪切槽時剪切應力；θ1—銷軸剪切槽的內徑；θ2—銷軸內孔尺寸(銷軸設置內孔的目的是增加銷軸內部的淬透性，過載時銷軸斷裂而非彎曲，起到保護推移機構的作用)；θ3—銷軸直徑；Kn—剪切槽處應力集中系數。

銷軸的材質主要選取30CrMnTi和40Cr兩種材料，通過淬火處理保證硬度為HRC35～40并保證其強度，30CrMnTi使用較多，淬火后的30CrMnTi強度較高，塑性較低。通過拉伸試驗，屈股強度平均為1000～1100MPa，抗拉強度極限平均為1200MPa，30CrMnTi的許用切應力[τ]為1000MPa。

推桿體箱體截面安全強度的計算：

式中：σ—最大彎曲應力；M—推桿受力處彎矩；Ix—推桿受力處最大慣性矩；H—推桿受力處危險高度；

推桿體箱體截面安全系數

σs—推桿體材料屈服應力（通常推桿體材料為Q690及以上）。

2．雙剪切銷設計步驟

雙剪切銷設計的原則是首先滿足整個支架能正常拉架推溜的基礎上，考慮在支架受到垂直向下作用力工況下推移裝置剪切銷軸受純剪切作用，通過對推移裝置剪切銷的強度控制從而對整個推移裝置機構起到過加載保護；在滿足上述兩項條件后再反向校核推桿體的截面安全性。具體設計步驟如下：

首先考慮保證正常拉架推溜時各剪切銷的強度，保證剪切銷安全系數n1≥1.1。具體計算方法按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計算；當推移裝置抬底力（一般近似考慮為推移裝置所受向下作用力）大于等于拉架力時剪切銷的強度；保證剪切銷安全系數n1≥1.05。具體計算方法按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計算；考慮上述極限工況時（抬底力大于等于拉架力），反向校核驗證推桿箱體中間位置截面安全系數達到煤安標準要求，具體計算方法按公式（7）、（8）計算。

3．實例應用

以神東煤炭集團石圪臺礦ZY12000/18/35D型掩護式液壓支架推移裝置為例，按照雙剪切銷設計步驟，設計ZY12000/18/35D型掩護式液壓支架推移裝置十字連接頭與運輸機處剪切銷各個尺寸，具體技術方法如下。

推移裝置各個千斤頂基本參數：

推移油缸（缸徑/活塞桿徑）：φ180/φ120mm；行程：960mm；泵站工作壓力：31.5MPa；上/下腔壓力：38/31.5 MPa；抬底油缸（缸徑/活塞桿徑）：φ140/φ105mm；行程：280mm；泵站工作壓力：31.5MPa；上/下腔壓力：31.5/31.5MPa。

推移裝置拉架力F拉=P·S=P·π·(9)

推移裝置推遛力F推遛=P·S=P·π·()(10)

支架設計抬底力F抬底=P·S=P·π·(11)

將各個千斤頂參數帶入公式（9）、（10）、（11）計算可得：

支架設計拉架力F拉=801KN；支架設計推遛力F推遛=445KN；支架設計抬底力F抬底=485KN。

同時查閱機械手冊可知：剪切槽處應力集中系數Kn取值為1.35；出現極限工況時，實際抬底力按1.1倍拉架力計算可得F拉=1.1*F拉=881KN，按θ2取值為20mm；應用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計算可得θ3=61mm，同時剪切槽內徑取θ1=2mm。通常情況下推桿體受力點近似考慮為推桿總長度3/4處，代入公式（7）、（8）計算可得推桿截面安全系數為1.85；理論上計算結果滿足煤安標準要求。

4．剪切銷有限元分析

為了驗證上述推移裝置計算的正確性，采用有限元分析軟件ABAQUS對上述工況進行模擬驗證。將推桿后端與運輸機鉸接處以及推桿尾部固定，在推桿長度3/4處加載881KN作用力，具體約束加載方式見圖2。

圖2 推桿有限元加載工況示意圖

由圖3、圖4應力云圖可以直觀得出，出現上述極限工況時，推桿前端受力明顯，十字連接頭與刮板運輸機處剪切銷最先達到材料屈服點，同時在剪切槽處出現了明顯的應力集中，與最初的設計構想完成吻合。因此運輸機與十字連接頭處剪切銷能對整個推移裝置上下自由度方向作用力起到過加載保護作用。

三、推移裝置雙剪切銷的市場意義

采用雙剪切銷不僅在使用維修時能提高效率，而且在制造成本上也很合算。以神東煤炭集團石圪臺礦ZY12000/18/35D型掩護式液壓支架推移裝置為例。單件推桿體重量為773Kg，按材料利用率為82%計算，鋼材價格為6500元/噸，除去人工、設備折舊、正常消耗生產成本約為6327元/件；而十字連接頭一般為鍛造件，市場價格大約為22元/Kg，單件十字連接頭重量為108Kg，制造成本大約為2376元/件；而一件剪切銷相對連接銷增加成本不足10元/件。也就是說，出現極端工況而造成推移裝置發(fā)生損壞時，推桿體的生產制造成本大約是改造剪切銷成本的633倍；十字連接頭的制造成本大約是改造剪切銷成本的238倍。而如果因為批量維修更換推桿體造成的煤礦停產以及為此造成的市場訂單流失等隱性損失則更大。綜合上述可以得出，推移裝置中采用雙剪切銷控制過加載保護無論是在使用維修上還是在生產制造成本上都十分必要。

四、結論

本文研究了推移機構的過載保護，并提出了雙剪切安全銷軸的保護措施，給出了剪切槽的設計方法及實例，為推移裝置的過載保護設計提供了相關依據。

圖3 推移裝置應力云圖

圖4 運輸機與連接頭處剪切銷應力云圖

（作者單位：神東煤炭集團）

（責任編輯：龐永厚）