支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸設(shè)計方法研究

武學(xué)宏

（西山煤電集團(tuán)西曲礦， 山西 古交 030200）

0 引言

近年來，隨著采煤工藝的不斷提升，中厚煤層大量開采，大采高液壓支架逐漸成為市場主流產(chǎn)品。大采高液壓支架按照采煤工況要求需設(shè)置護(hù)幫機(jī)構(gòu)，護(hù)幫機(jī)構(gòu)的主要作用是控制片幫及冒頂，保證綜采工作面的正常推進(jìn)生產(chǎn)。因此，在液壓支架設(shè)計當(dāng)中，支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸設(shè)計安全性和可靠性是非常重要的，直接影響到液壓支架及煤礦開采的安全。

1 支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸分析

煤礦液壓支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)主要由護(hù)幫千斤頂、寬連桿、窄連桿、護(hù)幫及鉸接銷軸組成。寬、窄連桿分別與護(hù)幫及頂梁端部鉸接，護(hù)幫千斤頂與寬、窄桿鉸接，推動護(hù)幫機(jī)構(gòu)做回轉(zhuǎn)運(yùn)動。其中寬、窄桿及相互鉸接處銷軸是保證護(hù)幫機(jī)構(gòu)運(yùn)作的關(guān)鍵連接元件。銷軸同時受彎、切應(yīng)力作用，受力情況復(fù)雜，故而對寬、窄連桿布置形式進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，有效提高銷軸強(qiáng)度，保障支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸安全性和可靠性[1-2]。

液壓支架護(hù)幫寬、窄桿處銷軸位置容易發(fā)生斷裂，嚴(yán)重影響了支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)使用的安全可靠性，同時造成了支架后期的維修管理費(fèi)用，給企業(yè)造成了人力、物力和財力的浪費(fèi)。因此，對液壓支架護(hù)幫處的寬、窄桿及鉸接銷軸受力進(jìn)行系統(tǒng)分析，建立此處的優(yōu)化設(shè)計理論方法，實(shí)現(xiàn)液壓支架護(hù)幫處的寬、窄桿及鉸接銷軸的優(yōu)化設(shè)計，延長其使用壽命[3-6]。

2 支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸優(yōu)化設(shè)計思路

1）以Y185C 型支架為例，對其護(hù)幫機(jī)構(gòu)鉸接銷軸斷裂情況進(jìn)行分析。

2）創(chuàng)建鉸接銷軸處各連接部件的力學(xué)模型，繪制銷軸受力矢量圖，運(yùn)用材料力學(xué)第三、四強(qiáng)度理論對銷軸處進(jìn)行綜合受力分析，校核強(qiáng)度，判定出銷軸斷裂的主要原因?yàn)閷挆U對銷軸施加的彎矩過大，導(dǎo)致銷軸過載。

3）確立減小銷軸處所受應(yīng)力值為主要優(yōu)化方向。

4）將分析計算過程匯編，形成一套完整的強(qiáng)度校核程序（寬、窄桿及銷軸受力分析程序），將Y185C 型支架寬、窄桿前后連接順序改為寬桿與伸縮梁鉸接、窄桿與護(hù)幫鉸接，重新將各連接元件基本參數(shù)錄入程序運(yùn)算，銷軸安全系數(shù)提高至原來的3～4 倍。由此可見，調(diào)換寬、窄桿的安裝位置對于鉸接銷軸安全性有很大改善。

5）在Y185C 型支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)設(shè)計中運(yùn)用此優(yōu)化設(shè)計方法，根據(jù)后期跟蹤服務(wù)反饋，此處鉸接銷軸使用狀態(tài)良好，未出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了其可靠性和實(shí)用性。

3 支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 理論計算及分析程序建立

Y185C 支架護(hù)幫處寬、窄桿及鉸接銷軸的應(yīng)力分析情況如圖1 所示。

圖1 Y185C 支架護(hù)幫處寬窄桿及鉸接銷軸應(yīng)力分析示意圖

搭建銷軸處力學(xué)模型，分析銷軸受力矢量數(shù)據(jù)，繪制銷軸彎矩數(shù)據(jù)，再根據(jù)圖1 中Y185C 支架護(hù)幫處寬窄桿及鉸接銷軸應(yīng)力分析情況進(jìn)行應(yīng)力分析運(yùn)算，如下：

式中：p 為護(hù)幫千斤頂推力；F1為寬桿力；F2為窄桿力；F1X為寬桿分力；F2X為窄桿分力；M 為銷軸彎矩；W 為銷軸抗彎模量；A 為銷軸截面積；σ彎為銷軸彎應(yīng)力；τ 為銷軸切應(yīng)力；σ合為銷軸合應(yīng)力；[σs] 為銷軸材質(zhì)屈服強(qiáng)度；n 為安全系數(shù)。

首先建立護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬、窄桿處銷軸斷裂原因分析及優(yōu)化。其次將上述受力分析算法匯編成應(yīng)用程序，即寬、窄桿及銷軸受力分析程序，只需輸入相關(guān)連接件的基本參數(shù)即可得出銷軸的安全系數(shù)。此應(yīng)用程序具有高效、準(zhǔn)確、適用性強(qiáng)等特點(diǎn)。

3.2 Y185C 支架護(hù)幫寬窄桿處銷軸斷裂原因分析

Y185C 支架護(hù)幫寬、窄桿處銷軸初始設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖2 所示。護(hù)幫千斤頂?shù)母讖?00mm；工作壓力35MPa；銷軸直徑Φ45 mm；銷軸材質(zhì)30CrMnTi（屈服形變強(qiáng)度750 MPa）。

圖2 Y185C 支架護(hù)幫寬窄桿處銷軸初始設(shè)計結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)形式：寬桿與護(hù)幫鉸接，窄桿與頂梁端部鉸接，參數(shù)為錄入分析程序，校核銷軸安全系數(shù)。銷軸安全系數(shù)數(shù)據(jù)如下：

千斤頂?shù)耐屏 為274 889.36 N；寬連桿的力F1為252 898.21 N；窄連桿的力F2為123 700.21 N；寬連桿的分力F1X為225 333.95 N；窄連桿的分力F2X為48 333.52 N；銷軸彎矩M 為5 210 931.11 N·mm；銷軸抗彎模量W 為8 946.18 mm3；銷軸截面積A 為1 590.43 mm2；銷軸彎應(yīng)力σ彎為582.48 MPa；銷軸切應(yīng)力τ 為86.42 MPa；銷軸合應(yīng)力σ合為601.40 MPa；銷軸安全系數(shù)為1.25。

將以上參數(shù)錄入寬、窄桿及銷軸受力分析程序，校核銷軸安全系數(shù)為1.25，這表明支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)正常使用時，銷軸安全系數(shù)僅僅為1.25。銷軸安全系數(shù)嚴(yán)重偏低，故銷軸發(fā)生斷裂的可能性較大，存在嚴(yán)重的安全隱患。優(yōu)化方向和思路為：可減少外力對銷軸施加的彎矩，降低銷軸處的彎應(yīng)力。

3.3 優(yōu)化設(shè)計方案

調(diào)整Y185C 支架護(hù)幫寬窄桿的布置形式，窄桿與護(hù)幫鉸接，寬桿與頂梁端部鉸接，其余相關(guān)要素不變。

優(yōu)化后的參數(shù)為千斤頂缸徑100 mm、千斤頂工作壓力35 MPa、銷軸直徑45 mm、銷軸材料[σs]750 MPa、寬連桿內(nèi)檔寬L 136 mm、窄連桿內(nèi)檔寬L152 mm、千斤頂耳厚L245 mm、銷軸安全系數(shù)3.34。

將優(yōu)化后的參數(shù)錄入寬、窄桿及銷軸受力分析程序進(jìn)行核算，銷軸安全系數(shù)為3.34。因此，優(yōu)化參數(shù)后，銷軸安全系數(shù)從之前的1.25 提升至3.34，提高幅度達(dá)1.67 倍。從這一分析可知，對Y185C 型支架護(hù)幫寬窄桿處銷軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計后，其安全性大幅度增加。

4 應(yīng)用及效果分析

將支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸設(shè)計方法在西山煤電集團(tuán)西曲礦液壓支架的改進(jìn)設(shè)計中進(jìn)行了實(shí)踐應(yīng)用，具體的應(yīng)用情況及經(jīng)濟(jì)效益如下：ZY13600/28.5/62.5D 型掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ45 mm×220 mm，共342 個，總質(zhì)量1 026 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益18 000 元；ZY18000/31/63D 型兩柱掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ60 mm×240 mm，共240 個，總質(zhì)量1 320 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益21 000 元；ZY12000/25/50D 型掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ50 mm×190 mm，共316 個，總質(zhì)量950 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益15 000 元；ZY15000/29.5/63D 型掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ65 mm×263 mm，共30 個，總質(zhì)量210 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益5 000 元；ZY14500/31/65D 型掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ60 mm×230 mm，共270 個，總質(zhì)量1 485 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益23 000 元；ZY13000/24/50D 型掩護(hù)式液壓支架，鉸接銷軸規(guī)格為Φ50 mm×190 mm，共384 個，總質(zhì)量1 152 kg，提升經(jīng)濟(jì)效益18 000 元。從以上數(shù)據(jù)可知，以上各批次支架鉸接銷軸采用以上設(shè)計方法對寬、窄桿布置形式進(jìn)行布置，銷軸安全系數(shù)較高，在實(shí)際使用中的狀況良好，未出現(xiàn)大量斷裂情況。

5 結(jié)語

該支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)寬窄桿及鉸接銷軸方法的設(shè)計與應(yīng)用，保證了液壓支架護(hù)幫機(jī)構(gòu)使用的安全可靠性，降低了后期產(chǎn)品服務(wù)成本，為企業(yè)節(jié)約了大量的人力、物力和財力，具有較好的安全、經(jīng)濟(jì)、社會效益。該方法對大采高支架具有廣泛的適用性，對于中低采高支架（如需設(shè)置回轉(zhuǎn)護(hù)幫）也同樣適用，具有較好的應(yīng)用前景。