液壓支架推移機構(gòu)過載保護及連接件受力分析

李瑞杰 田 龍 王冠黎 黃自炎

(鄭州煤礦機械集團股份有限公司,河南省鄭州市,450013)

1 引言

我國煤礦綜采設(shè)備的技術(shù)及設(shè)備的可靠性是井下采煤迫切需要解決的難題之一,液壓支架推移機構(gòu)是綜采支護設(shè)備的主要部件,承擔(dān)采煤工作面所有設(shè)備的推移工作,液壓支架推移機構(gòu)的技術(shù)及可靠性顯得尤為重要。液壓支架推移機構(gòu)由推移桿、推移千斤頂、十字連接頭、十字連接頭與推移桿剪切銷、十字連接頭與輸送機鉸接銷、推移桿與推移千斤頂鉸接銷組成。推移機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1。

圖1 推移機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

液壓支架推移機構(gòu)的受力是復(fù)雜的,受力主要來自于推移千斤頂?shù)睦瓑毫?F4)、抬底千斤頂?shù)奶У琢?F3)和刮板輸送機下滑所引起的側(cè)向力(F2),這3種外力作用在不同方向上(見圖2)。但高產(chǎn)高效工作面推移桿在井下受F2、F3、F43種力同時作用的幾率極小,因為拉架狀態(tài)下推移桿前端導(dǎo)向板未進入底座內(nèi)主筋限位,其推移桿受側(cè)向力較小。推移桿所受側(cè)向力不是刮板輸送機的下滑力,刮板輸送機的下滑力由未推溜狀態(tài)的支架組所承擔(dān),此時推移桿受側(cè)向力只限于移架偏移所受的摩擦力。但國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)對推移桿全伸出時給定側(cè)向力F2為100 kN或一半推溜力靜載荷分析時,由于推溜力遠(yuǎn)小于拉架力,不需強度校核,只考慮拉架力即可,拉架狀態(tài)推移桿受力最大。

圖2 推移機構(gòu)受力圖

推移機構(gòu)的性能直接影響工作面支架的整體性能。推移機構(gòu)的故障和損壞,不但影響工作面推進速度,而且直接影響工作面出煤產(chǎn)量。嚴(yán)重的推移機構(gòu)故障會使工作面無法推進。根據(jù)目前國內(nèi)采煤工作面統(tǒng)計的結(jié)果顯示,液壓支架液壓件維修更換量最大,推移機構(gòu)的故障率和維修更換次數(shù)排在第二位。

井下更換推移機構(gòu)較困難,而且維修更換量也很大。為了解決這一難題,對推移機構(gòu)必須設(shè)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(gòu)安全承載力時,該銷軸被剪斷,以保護推移機構(gòu)的關(guān)鍵部件不受損壞,剪切安全銷軸設(shè)置在推移機構(gòu)容易更換的位置。通常情況下,將推移機構(gòu)的連接頭與推移桿連接的銷軸設(shè)為剪切安全銷軸,見圖3。設(shè)計時連接頭與輸送機的連接銷軸及孔通常采用等強度設(shè)計,且銷軸的剪切強度低于銷孔的拉伸強度和擠壓強度,以保證過載時銷軸損壞先于耳板和耳座,便于井下更換。

圖3 剪切安全連接銷軸

通常理論設(shè)計和結(jié)構(gòu)優(yōu)化能全部滿足推移機構(gòu)各環(huán)節(jié)在井下使用強度的要求。但推移機構(gòu)拉架抬底啟動過載,相鄰支架推移輸送機時造成該液壓支架滯后拖拉過載時有發(fā)生。推移機構(gòu)除過載外,拉架時剪切安全銷軸所承受的力最大,拉架時,推移桿頭部受到垂直、水平和側(cè)向3個方向力的作用,其垂直力通過連接頭、推移桿前端傳遞到采煤工作面底板上,或傳遞到連接頭和輸送機連接銷軸上,剪切安全銷軸只受拉力和側(cè)向力,其剪切銷軸受拉力為F4x,受側(cè)向力為F2,F2從試驗標(biāo)準(zhǔn)中取值,為100 kN至1/2的推溜力,優(yōu)化設(shè)計中取F2=100 kN。其合力F5為:

式中:F4——推移千斤頂?shù)睦芰?

α4——推移千斤頂與水平推移桿的夾角,取值為3～6°,計算時取實際最大值。

連接頭的反作用力同樣為F5。

2 剪切安全銷軸強度分析及剪切槽的設(shè)計

剪切銷軸的剪切槽通常設(shè)計為兩個槽,采用雙剪形式,剪切槽設(shè)置在單耳和雙耳鉸接配合面上。當(dāng)連接銷軸不設(shè)置剪切槽時銷軸剪切應(yīng)力為:

當(dāng)連接銷軸設(shè)置剪切槽時剪切應(yīng)力:

式中:?3——銷軸內(nèi)孔尺寸(銷軸設(shè)置內(nèi)孔的目的是增加銷軸內(nèi)部的淬透性,過載時銷軸斷裂而非彎曲,起到保護推移機構(gòu)的作用);

?4——銷軸剪切槽的內(nèi)徑;

?5——銷軸的直徑。

目前國內(nèi)液壓支架設(shè)計時,銷軸的材質(zhì)主要選取30CrMnTi和35CrMnSi兩種材料,通過淬火HRC35～40處理保證其強度,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σ0.2平均為1000～1100 MPa,抗拉強度極限σb平均為1200MPa,30CrMnTi的許用切應(yīng)力[τ]為1000 MPa。

銷軸不設(shè)置剪切槽時的安全系數(shù):

銷軸設(shè)置剪切槽時的安全系數(shù):

剪切銷軸安全系數(shù)降低比率:

銷軸的剪切安全系數(shù)n4的取值取決于其他部位的安全系數(shù),它在機構(gòu)中的取值為最小,通常為3～3.5。為保證推移機構(gòu)過載保護的作用,推移機構(gòu)剪切安全銷切槽后相對不切槽安全系數(shù)應(yīng)降低25%,斷面收縮率φ取值為0.25。

剪切安全銷切槽的內(nèi)徑為:

其中?3根據(jù)銷軸的大小取值15～20 mm,高產(chǎn)高效工作面推移千斤頂缸徑選取?150 mm、?160 mm、?180 mm和?200 mm,銷軸材料選取30CrMnTi或35CrMnSi淬火銷時,?5取值為50～65 mm,推移機構(gòu)中其他銷軸的直徑在相同材質(zhì)熱處理狀態(tài)下大于或等于?5。由于剪切安全銷的受力主要傳遞推移千斤頂?shù)睦芰屯屏锪?當(dāng)拉架時,抬底千斤頂?shù)奶У琢鬟f到工作面底板或連接頭與輸送機連接銷上,遠(yuǎn)小于抬底力作用于推移桿中部的彎矩,推移桿受抬底彎曲應(yīng)力變小,經(jīng)過計算分析,推移桿純抗壓應(yīng)力遠(yuǎn)小于抬底彎曲應(yīng)力,在復(fù)合應(yīng)力中所占比例較小。當(dāng)拉架起步時,3倍的推移桿拉力所產(chǎn)生的應(yīng)力和抬底力的復(fù)合應(yīng)力應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力。此工況下,推移桿的安全系數(shù)是足夠的,當(dāng)剪切安全銷承受3～3.5倍剪切力斷裂時,推移桿在此工況的安全系數(shù)大于1.25,設(shè)計時通過模擬工況可進行推移桿的強度應(yīng)力分析。

對于由于左右鄰架推溜造成一個支架滯后閉鎖過載問題,可按3倍的推架力對推移機構(gòu)進行強拉試驗,此種工況下只加載推移桿軸向力,抬底彎曲應(yīng)力不考慮。

應(yīng)力銷的應(yīng)力槽位置應(yīng)充分考慮鉸接耳板的配合間隙,確保應(yīng)力槽處于剪切面上,應(yīng)力槽的角度為80～90°,槽底直徑大于等于1 mm,避免應(yīng)力集中。

計算推移桿的鉸接孔抗壓強度時,抗拉強度計算安全系數(shù)應(yīng)取值5～6,計算推移連接頭的抗拉強度時,孔的抗壓強度安全系數(shù)應(yīng)取值4～5,高產(chǎn)高效工作面液壓支架連接頭采用高強度鋼鑄鍛件,其材料的屈服極限σs≥800 MPa,σb≥1000 MPa,除剪切應(yīng)力銷外,推移機構(gòu)其他連接銷安全系數(shù)取值4～5,確保推移機構(gòu)的安全性和使用性。

3 推移機構(gòu)拉架啟動過載沖擊保護

由于液壓支架推移機構(gòu)鉸接存在間隙和輸送機為長孔型式,推移機構(gòu)在拉架和推溜交替動作時,啟動階段有空行程不受力階段,當(dāng)一旦拉緊和推緊受力時將產(chǎn)生瞬間沖擊,沖擊不但減小推移機構(gòu)的壽命,同時影響推移機構(gòu)的性能和安全使用。

圖4 推移千斤頂控制原理一

倒裝推移機構(gòu)為了快速移架,普遍采用活塞桿腔加液壓鎖型式,此型式可以防止移架時將輸送機倒拉,提高移架效率,見圖4,但該種設(shè)計不能解決拉架啟動沖擊問題。新的原理是推移千斤頂活塞和活塞桿腔全部加鎖,既能快速移架又能防止沖擊過載,具體是:拉架前,降架或抬底時先給活塞腔供液(見圖5),供液采用阻尼小流量,當(dāng)拉架啟動時從小流量轉(zhuǎn)換為大流量實現(xiàn)移架機構(gòu)軟啟動,避免瞬間沖擊。

圖5 推移千斤頂控制原理二

另一種推移機構(gòu)軟啟動原理同樣能滿足快速移架又能防止沖擊過載,見圖6。當(dāng)拉架開始活塞腔供液時,阻尼供液液路先供,當(dāng)供液壓力增大到足以把供液腔單向鎖打開時,才開始大流量供液,同樣可實現(xiàn)推移機構(gòu)軟啟動,防止沖擊過載,并滿足快速移架。

圖6 推移千斤頂控制原理三

4 結(jié)語

研究了推移機構(gòu)的過載保護,并提出了應(yīng)力剪切安全銷軸的保護措施,給出了應(yīng)力剪切安全銷軸保護的數(shù)字模型和參數(shù)設(shè)計。對液壓支架推移機構(gòu)在拉架瞬間啟動、沖擊所造成的主要零件損壞問題,采用機械和液壓兩種方法進行解決,為設(shè)計提供了依據(jù)。

[1] 王國法等著.液壓支架技術(shù)[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1999

[2] 趙宏珠.綜采面礦壓與液壓支架設(shè)計[M].北京:中國礦業(yè)學(xué)院出版社,1987

[3] 煤炭科學(xué)研究總院北京開采所.地下開采現(xiàn)代技術(shù)理論與實踐[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,2002

[4] 李星寧.煤礦綜采新工藝技術(shù)與機械設(shè)備選型實用手冊[M].北京:中國知識出版社,2005

[5] 戴紹誠,李世文.高產(chǎn)高效綜合機械化采煤技術(shù)及裝備[M].北京:煤炭工業(yè)出版社,1997