支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴设计方法研究

2024-01-04武学宏

机械管理开发 2023年11期

武学宏

（西山煤电集团西曲矿，山西古交 030200）

0 引言

近年来，随着采煤工艺的不断提升，中厚煤层大量开采，大采高液压支架逐渐成为市场主流产品。大采高液压支架按照采煤工况要求需设置护帮机构，护帮机构的主要作用是控制片帮及冒顶，保证综采工作面的正常推进生产。因此，在液压支架设计当中，支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴设计安全性和可靠性是非常重要的，直接影响到液压支架及煤矿开采的安全。

1 支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴分析

煤矿液压支架护帮机构主要由护帮千斤顶、宽连杆、窄连杆、护帮及铰接销轴组成。宽、窄连杆分别与护帮及顶梁端部铰接，护帮千斤顶与宽、窄杆铰接，推动护帮机构做回转运动。其中宽、窄杆及相互铰接处销轴是保证护帮机构运作的关键连接元件。销轴同时受弯、切应力作用，受力情况复杂，故而对宽、窄连杆布置形式进行优化调整，有效提高销轴强度，保障支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴安全性和可靠性[1-2]。

液压支架护帮宽、窄杆处销轴位置容易发生断裂，严重影响了支架护帮机构使用的安全可靠性，同时造成了支架后期的维修管理费用，给企业造成了人力、物力和财力的浪费。因此，对液压支架护帮处的宽、窄杆及铰接销轴受力进行系统分析，建立此处的优化设计理论方法，实现液压支架护帮处的宽、窄杆及铰接销轴的优化设计，延长其使用寿命[3-6]。

2 支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴优化设计思路

1）以Y185C 型支架为例，对其护帮机构铰接销轴断裂情况进行分析。

2）创建铰接销轴处各连接部件的力学模型，绘制销轴受力矢量图，运用材料力学第三、四强度理论对销轴处进行综合受力分析，校核强度，判定出销轴断裂的主要原因为宽杆对销轴施加的弯矩过大，导致销轴过载。

3）确立减小销轴处所受应力值为主要优化方向。

4）将分析计算过程汇编，形成一套完整的强度校核程序（宽、窄杆及销轴受力分析程序），将Y185C 型支架宽、窄杆前后连接顺序改为宽杆与伸缩梁铰接、窄杆与护帮铰接，重新将各连接元件基本参数录入程序运算，销轴安全系数提高至原来的3～4 倍。由此可见，调换宽、窄杆的安装位置对于铰接销轴安全性有很大改善。

5）在Y185C 型支架护帮机构设计中运用此优化设计方法，根据后期跟踪服务反馈，此处铰接销轴使用状态良好，未出现断裂现象，从而验证了其可靠性和实用性。

3 支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴优化设计方案

3.1 理论计算及分析程序建立

Y185C 支架护帮处宽、窄杆及铰接销轴的应力分析情况如图1 所示。

图1 Y185C 支架护帮处宽窄杆及铰接销轴应力分析示意图

搭建销轴处力学模型，分析销轴受力矢量数据，绘制销轴弯矩数据，再根据图1 中Y185C 支架护帮处宽窄杆及铰接销轴应力分析情况进行应力分析运算，如下：

式中：p 为护帮千斤顶推力；F1为宽杆力；F2为窄杆力；F1X为宽杆分力；F2X为窄杆分力；M 为销轴弯矩；W 为销轴抗弯模量；A 为销轴截面积；σ弯为销轴弯应力；τ 为销轴切应力；σ合为销轴合应力；[σs] 为销轴材质屈服强度；n 为安全系数。

首先建立护帮机构宽、窄杆处销轴断裂原因分析及优化。其次将上述受力分析算法汇编成应用程序，即宽、窄杆及销轴受力分析程序，只需输入相关连接件的基本参数即可得出销轴的安全系数。此应用程序具有高效、准确、适用性强等特点。

3.2 Y185C 支架护帮宽窄杆处销轴断裂原因分析

Y185C 支架护帮宽、窄杆处销轴初始设计结构如图2 所示。护帮千斤顶的缸径100mm；工作压力35MPa；销轴直径Φ45 mm；销轴材质30CrMnTi（屈服形变强度750 MPa）。

图2 Y185C 支架护帮宽窄杆处销轴初始设计结构

结构形式：宽杆与护帮铰接，窄杆与顶梁端部铰接，参数为录入分析程序，校核销轴安全系数。销轴安全系数数据如下：

千斤顶的推力p 为274 889.36 N；宽连杆的力F1为252 898.21 N；窄连杆的力F2为123 700.21 N；宽连杆的分力F1X为225 333.95 N；窄连杆的分力F2X为48 333.52 N；销轴弯矩M 为5 210 931.11 N·mm；销轴抗弯模量W 为8 946.18 mm3；销轴截面积A 为1 590.43 mm2；销轴弯应力σ弯为582.48 MPa；销轴切应力τ 为86.42 MPa；销轴合应力σ合为601.40 MPa；销轴安全系数为1.25。

将以上参数录入宽、窄杆及销轴受力分析程序，校核销轴安全系数为1.25，这表明支架护帮机构正常使用时，销轴安全系数仅仅为1.25。销轴安全系数严重偏低，故销轴发生断裂的可能性较大，存在严重的安全隐患。优化方向和思路为：可减少外力对销轴施加的弯矩，降低销轴处的弯应力。

3.3 优化设计方案

调整Y185C 支架护帮宽窄杆的布置形式，窄杆与护帮铰接，宽杆与顶梁端部铰接，其余相关要素不变。

优化后的参数为千斤顶缸径100 mm、千斤顶工作压力35 MPa、销轴直径45 mm、销轴材料[σs]750 MPa、宽连杆内档宽L 136 mm、窄连杆内档宽L152 mm、千斤顶耳厚L245 mm、销轴安全系数3.34。

将优化后的参数录入宽、窄杆及销轴受力分析程序进行核算，销轴安全系数为3.34。因此，优化参数后，销轴安全系数从之前的1.25 提升至3.34，提高幅度达1.67 倍。从这一分析可知，对Y185C 型支架护帮宽窄杆处销轴进行优化设计后，其安全性大幅度增加。

4 应用及效果分析

将支架护帮机构宽窄杆及铰接销轴设计方法在西山煤电集团西曲矿液压支架的改进设计中进行了实践应用，具体的应用情况及经济效益如下：ZY13600/28.5/62.5D 型掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ45 mm×220 mm，共342 个，总质量1 026 kg，提升经济效益18 000 元；ZY18000/31/63D 型两柱掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ60 mm×240 mm，共240 个，总质量1 320 kg，提升经济效益21 000 元；ZY12000/25/50D 型掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ50 mm×190 mm，共316 个，总质量950 kg，提升经济效益15 000 元；ZY15000/29.5/63D 型掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ65 mm×263 mm，共30 个，总质量210 kg，提升经济效益5 000 元；ZY14500/31/65D 型掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ60 mm×230 mm，共270 个，总质量1 485 kg，提升经济效益23 000 元；ZY13000/24/50D 型掩护式液压支架，铰接销轴规格为Φ50 mm×190 mm，共384 个，总质量1 152 kg，提升经济效益18 000 元。从以上数据可知，以上各批次支架铰接销轴采用以上设计方法对宽、窄杆布置形式进行布置，销轴安全系数较高，在实际使用中的状况良好，未出现大量断裂情况。