護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優(yōu)化設(shè)計

　　導(dǎo)語：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)置護幫機構(gòu)，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)。本期轉(zhuǎn)化果平臺推薦的《護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優(yōu)化設(shè)計》成果對相關(guān)連接元件進(jìn)行綜合受力分析，建立了一套完整詳盡的優(yōu)化設(shè)計理論方法，解決了缺少理論分析方法的難題，填補這一環(huán)節(jié)的技術(shù)空白。設(shè)計時可準(zhǔn)確選定銷軸規(guī)格、材質(zhì)，提高銷軸安全系數(shù)，優(yōu)化寬窄桿布置形式。該成果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)護幫)也同樣適用。

　　一、項目背景

　　某企業(yè)是以煤礦用液壓支架為主導(dǎo)產(chǎn)品的大型設(shè)備生產(chǎn)制造企業(yè)。隨著近年來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)置護幫機構(gòu)，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)。

　　在煤礦采掘機械領(lǐng)域，技術(shù)人員通過對液壓支架護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，填補技術(shù)空白。其廣泛適用于大采高支架，對于中低采高支架(如，需設(shè)置回轉(zhuǎn)護幫)也同樣適用。

　　二、研究內(nèi)容

　　護幫機構(gòu)主要由護幫千斤頂、寬連桿、窄連桿、護幫及鉸接銷軸組成。

　　寬窄連桿分別與護幫及頂梁端部鉸接，護幫千斤頂與寬窄桿鉸接，推動護幫機構(gòu)做回轉(zhuǎn)運動。其中寬、窄桿及相互鉸接處銷軸是保證護幫機構(gòu)運作的關(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，故而優(yōu)化寬、窄連桿布置形式，提高銷軸強度尤為重要。

　　以Y185支架為例，對寬窄桿布置形式及其鉸接銷軸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

　　1.分析Y185支架鉸接銷軸斷裂情況;

　　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，運用材料力學(xué)第三、四強度理論，對銷軸處進(jìn)行綜合受力分析，校核強度，判定出銷軸斷裂主要原因為寬桿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，形成一套完整的強度校核程序(寬窄桿及銷軸受力分析程序)，將Y185支架寬窄桿前后連接順序改為寬桿與伸縮梁鉸接，窄桿與護幫鉸接，重新將各連接元件基本參數(shù)錄入程序運算，銷軸安全系數(shù)提高至原來的3～4倍?？梢娬{(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支架護幫機構(gòu)設(shè)計中運用此優(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，從而驗證了其可靠性和實用性。

　　三、關(guān)鍵技術(shù)

　　1.搭建銷軸處力學(xué)模型

　　2.繪制銷軸受力矢量圖

　　3.繪制銷軸彎矩圖

　　4.進(jìn)行應(yīng)力分析運算

　　四、工藝流程(實例分析應(yīng)用)

　　1.建立護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優(yōu)化設(shè)計系統(tǒng)理論分析方法

　　2.將上述受力分析算法匯編成應(yīng)用程序—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)就可得出銷軸的安全系數(shù)。此應(yīng)用程序具有高效、準(zhǔn)確、適用性強等特點。

　　實例應(yīng)用：Y185支架護幫寬窄桿處銷軸斷裂原因分析及優(yōu)化

　　初始設(shè)計結(jié)構(gòu)見圖1：

　　圖一

　　基本參數(shù)：

　　護幫千斤頂：

　　缸徑100mm，

　　工作壓力35MPa

　　銷軸直徑：φ45mm，

　　銷軸材質(zhì)：30CrMnTi

　　(屈服形變強度750MPa)

　　結(jié)構(gòu)形式：

　　寬桿與護幫鉸接

　　窄桿與頂梁端部鉸接

　　參數(shù)錄入分析程序，校核銷軸安全系數(shù)。

　　護幫機構(gòu)正常使用時，銷軸安全系數(shù)僅為1.25，嚴(yán)重偏低，故銷軸發(fā)生斷裂的可能性較大。減少外力對銷軸施加的彎矩，降低銷軸處的彎應(yīng)力為正確的優(yōu)化方向。

　　圖二 優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)

　　調(diào)整寬窄桿的布置形式，窄桿與護幫鉸接，寬桿與頂梁端部鉸接，其余相關(guān)要素不變，錄入程序重新核算。

　　銷軸安全系數(shù)提升至3.34，改善效果明顯，故此種優(yōu)化設(shè)計合理可行。

　　五、應(yīng)用效果

　　該成果應(yīng)用前，護幫處寬窄桿及鉸接銷軸一直采用經(jīng)驗設(shè)計方法，適應(yīng)性差，可靠性較低，不利于設(shè)計精益化推廣。

　　本項目成果的經(jīng)濟社會效益顯著，保證支架護幫機構(gòu)使用的安全可靠性，降低后期產(chǎn)品服務(wù)成本，為本企業(yè)節(jié)約大量的人力、物力、財力。

　　實例：下表中各批次支架鉸接銷軸均使用本項目成果進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，用戶反饋使用狀況良好，未出現(xiàn)大量斷裂情況。

　　注：表中經(jīng)濟效益提升主要包括材料成本、加工成本、后期服務(wù)成本三方面。

　　六、推廣應(yīng)用前景

　　以往設(shè)計多依據(jù)類似經(jīng)驗，本成果對相關(guān)連接元件進(jìn)行綜合受力分析，建立了一套完整詳盡的優(yōu)化設(shè)計理論方法，解決了這一環(huán)節(jié)缺少理論分析方法的難題，填補這一環(huán)節(jié)的技術(shù)空白。設(shè)計時可準(zhǔn)確選定銷軸規(guī)格、材質(zhì)，提高銷軸安全系數(shù)，優(yōu)化寬窄桿布置形式。

　　該成果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)護幫)也同樣適用。特別是根據(jù)此理論分析方法開發(fā)的受力分析程序，實用性強，避免了重復(fù)計算分析。