正四連桿結(jié)構(gòu)放頂煤過(guò)渡支架斜梁改造設(shè)計(jì)

王劍楠

（大同市同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠技術(shù)中心， 山西 大同 037000）

引言

2009年以來(lái)，同煤集團(tuán)公司連續(xù)上馬多套大噸位、大采高放頂煤液壓支架，中央機(jī)廠技術(shù)中心承攬了多套該型高端液壓支架的研制工作，經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐與實(shí)施，中央機(jī)廠技術(shù)中心取得了多項(xiàng)高端液壓支架的項(xiàng)目準(zhǔn)入，經(jīng)過(guò)研制與開發(fā)，程序性的工藝過(guò)程已經(jīng)滿足了高端液壓支架的生產(chǎn)制造需求，達(dá)到了研發(fā)高端液壓支架、優(yōu)化高端液壓支架四連桿的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。從ZF3200輕型放頂煤液壓支架開始，逐步進(jìn)入了千噸、4 m以上高端液壓支架的研發(fā)過(guò)程。尤其是針對(duì)塔山礦8216工作面、永定莊礦8101工作面等工作面過(guò)渡支架斜梁開焊、撕裂等問(wèn)題，進(jìn)行深入細(xì)致的研究，通過(guò)大膽的改革取得了良好效果。

1 原設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題

1.1 改造前問(wèn)題

在原始設(shè)計(jì)過(guò)程中，只考慮了抗彎強(qiáng)度，抗彎強(qiáng)度已經(jīng)達(dá)到了3.0以上的安全系數(shù)。沒(méi)有考慮過(guò)渡支架斜梁的抗扭問(wèn)題。在實(shí)際使用過(guò)程中，抗扭是一個(gè)主要問(wèn)題，斜梁受到嚴(yán)苛的扭矩，而且無(wú)法具體計(jì)算。技術(shù)分析來(lái)看，結(jié)構(gòu)性問(wèn)題比較嚴(yán)重。過(guò)渡液壓支架抗扭和抗彎曲能力的最終承受原件是斜梁。在幾套綜采工作面實(shí)際使用的過(guò)程中，出現(xiàn)了相同的開焊、撕裂問(wèn)題，尤其是塔山礦8216工作面、永定莊礦8101工作面等工作面。

1.2 原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

過(guò)渡支架斜梁原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)主要存在以下幾個(gè)問(wèn)題：

圖1 過(guò)渡支架斜梁原始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

1）主筋貼板處，焊縫比較集中。高端液壓支架普遍采用Q550以上等級(jí)的高強(qiáng)度板材，作為結(jié)構(gòu)件主體材料，其焊接應(yīng)力比較集中，相應(yīng)焊縫焊后處理比較困難，盡管對(duì)其進(jìn)行了焊前熱處理和焊后消除應(yīng)力熱處理，其熱處理溫度為550～650℃，但是，這種處理方式仍不能解決焊縫多帶來(lái)的應(yīng)力集中問(wèn)題。焊縫集中導(dǎo)致在焊接過(guò)程中，母材燒損嚴(yán)重。從礦井使用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查情況來(lái)看，各類發(fā)生問(wèn)題的斜梁，其開裂處大都在焊縫集中區(qū)域[1]。

2）箱梁結(jié)構(gòu)比較單薄。在液壓支架的設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先考慮掩護(hù)梁起到承受彎扭組合力學(xué)特性，而過(guò)渡支架掩護(hù)梁被斜梁替代，斜梁橫截面積大大減小，斜梁的彎扭力學(xué)特性尤為突出，斜梁設(shè)計(jì)一般結(jié)構(gòu)比較單薄，在工業(yè)性試驗(yàn)過(guò)程中，將承受更大的彎扭力學(xué)破壞。

3）斜梁結(jié)構(gòu)在使用過(guò)程中，屢屢發(fā)生后部斷裂，經(jīng)過(guò)分析，主要原因是箱梁組合強(qiáng)度不足，尤其表現(xiàn)為原始結(jié)構(gòu)的后部箱梁為分體、分件等情況，這種結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不能滿足結(jié)構(gòu)要求，尤其強(qiáng)度不能滿足彎扭距要求[2]。

2 結(jié)構(gòu)性改造設(shè)計(jì)

針對(duì)各類強(qiáng)度設(shè)計(jì)問(wèn)題，經(jīng)過(guò)幾項(xiàng)分析研究，并做了相應(yīng)的改造設(shè)計(jì)，改造后的過(guò)渡支架斜梁結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改造后的過(guò)渡支架斜梁結(jié)構(gòu)

1）焊縫改造。在改造設(shè)計(jì)過(guò)程中，將加強(qiáng)貼板進(jìn)行了相應(yīng)設(shè)計(jì)改造。首先考慮焊縫集中問(wèn)題。為了解決這個(gè)難題，將加強(qiáng)板延伸延長(zhǎng)150 mm，將其焊縫部位移動(dòng)到后部，避免焊縫集中在包板部位。

2）結(jié)構(gòu)性改造設(shè)計(jì)。由于原始設(shè)計(jì)為單腔箱梁結(jié)構(gòu)，其抗扭能力比較差。為了改善這種結(jié)構(gòu)的危害，將新結(jié)構(gòu)斜梁設(shè)計(jì)為雙腔形式，在箱梁結(jié)構(gòu)中部增加30 mm的中筋板，將單腔結(jié)構(gòu)分割為雙箱梁。在主要受力或者主要受扭矩部位，把原始單腔結(jié)構(gòu)改造為雙層分體，多層受力結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)改造措施可以把抗扭性能考慮進(jìn)來(lái)，讓雙腔梁和單腔梁結(jié)構(gòu)同時(shí)抵御扭矩，大大提高了斜梁的抗扭性能[3]。在形成雙箱梁結(jié)構(gòu)后，增加了多道內(nèi)置筋板，將內(nèi)部分割為多箱梁結(jié)構(gòu)。首先，內(nèi)置筋板起到了提高抵御扭矩的作用，其次，多箱梁結(jié)構(gòu)增加了扭矩力學(xué)分解腔體，進(jìn)一步提高抗扭能力。

3）扭矩集中部位的抗扭性能改造。從工業(yè)性試驗(yàn)過(guò)程中可以了解到，上鉸接孔底部的抗扭性能非常不合理，在所有損壞斜梁的結(jié)構(gòu)性分析過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該部位極其容易因彎扭力學(xué)特性發(fā)生開焊、撕裂等焊接和結(jié)構(gòu)問(wèn)題。為此，中央機(jī)廠技術(shù)中心在改造設(shè)計(jì)焊接結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的同時(shí)，在該處增加了U型彎板，進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)特性改造，滿足了抗扭力學(xué)特性在該處的集中破損現(xiàn)象。

4）材料優(yōu)化。由于背板為彎板，其抗扭能力比較好，為了進(jìn)一步提高結(jié)構(gòu)件抗扭性能，將背板由原設(shè)計(jì)的40 mm優(yōu)化改造為50 mm。腹板由原來(lái)的40 mm改為30 mm的雙腹板結(jié)構(gòu)，雙腹板之間留有5 mm間隙，使之形成斷面雙箱梁結(jié)構(gòu)，給循環(huán)力學(xué)扭矩提供兩層力學(xué)分解機(jī)構(gòu)，大大提高了抗扭能力。

3 使用效果和效益分析

同煤集團(tuán)經(jīng)過(guò)統(tǒng)一部署，將改造后的設(shè)備應(yīng)用于各礦，并且取得了良好的效果。煤科總院開采設(shè)計(jì)事業(yè)部已經(jīng)將此次改造設(shè)計(jì)成果作為他們今后設(shè)計(jì)的一個(gè)重要依據(jù)，并在全國(guó)范圍內(nèi)進(jìn)行了推廣和設(shè)計(jì)論證，取得了良好的效果。尤其在同煤集團(tuán)范圍內(nèi)，從2014年后至今依次改造設(shè)計(jì)了10余套綜放工作面過(guò)渡液壓支架的正四連桿結(jié)構(gòu)形式，經(jīng)各礦應(yīng)用后，均收到了良好的效果。

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

[2]溫秉權(quán).金屬材料手冊(cè)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[3]王國(guó)法.液壓支架控制技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2009.