ZY12000/26/55大采高液壓支架新結(jié)構(gòu)研究及試驗

王 鵬 方 芳

（1.三一重型裝備有限公司，遼寧 沈陽 110027；2.遼寧信誠人才服務(wù)有限公司，遼寧 沈陽 110870）

0 引言

液壓支架是綜采三機(jī)配套中，起到支護(hù)作用的設(shè)備，其主要作用是支護(hù)頂板，為采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)提供安全的工作和維修空間。掩護(hù)梁是液壓支架的主要結(jié)構(gòu)件，由主筋組件、頂板、橫筋板、蓋板等件構(gòu)成，掩護(hù)梁是大阻力、大采高液壓支架結(jié)構(gòu)中較為薄弱的一環(huán)，使其具有合理的結(jié)構(gòu)，對于減少結(jié)構(gòu)破壞的發(fā)生，提高支護(hù)系統(tǒng)的可靠性具有重要作用。現(xiàn)有掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)存在著焊接工作量大，焊接節(jié)拍長，焊接變形導(dǎo)致組對困難，加工制造成本高等缺陷，因此，研發(fā)一種新結(jié)構(gòu)來解決以上問題顯得尤為重要。

1 掩護(hù)梁普通結(jié)構(gòu)

大采高液壓支架掩護(hù)梁的內(nèi)外主筋、平衡耳座是掩護(hù)梁主要受力結(jié)構(gòu)，普通結(jié)構(gòu)如圖1 所示。外主筋和頂掩耳板組成外主筋組件，中間需要增加補(bǔ)償貼板，焊接完成后，外主筋組件再到結(jié)構(gòu)件中組對焊接；掩護(hù)梁內(nèi)主筋在前后連桿鉸接孔附近焊接貼板，貼板開一圈坡口與內(nèi)主筋坡口焊接；平衡耳座采用兩側(cè)耳板加中間夾板形式，中間夾板為兩塊鋼板貼合坡口焊接形式。

圖1 普通掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)

普通的大采高支架掩護(hù)梁設(shè)計結(jié)構(gòu)存在以下缺點：外主筋板和頂掩耳板組成外主筋組件，中間需要增加補(bǔ)償貼板，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，外主筋組件焊縫集中，容易導(dǎo)致累計焊接變形誤差，增加了掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)的組對難度。內(nèi)主筋采用主筋加貼板形式，貼板和主筋之間為整圈坡口焊，焊接工作量大，效率低，焊接節(jié)拍時間長，容易出現(xiàn)焊接質(zhì)量問題。平衡耳座結(jié)構(gòu)為中間兩個薄夾板坡口對焊，該結(jié)構(gòu)焊縫多，應(yīng)力集中，強(qiáng)度低，與油缸活塞桿頭配合性差，容易導(dǎo)致耳板受力開裂問題。

2 掩護(hù)梁新結(jié)構(gòu)

針對普通掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)內(nèi)外主筋及平衡耳座結(jié)構(gòu)存在的以上問題，該文設(shè)計了一種新型掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，設(shè)計總體方案為將頂掩耳板從外主筋組件中分離出來，在掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)件中焊接頂掩耳板，這樣外主筋組件結(jié)構(gòu)更加簡單，取消補(bǔ)償貼板。內(nèi)主筋結(jié)構(gòu)取消前后連桿附近的貼板，將前后連桿附近的內(nèi)主筋采用厚板設(shè)計，內(nèi)主筋薄板和厚板之間采用對接拼焊形式。平衡耳座結(jié)構(gòu)為中間圓弧頂塊加兩側(cè)平衡耳板結(jié)構(gòu)，圓弧頂塊為鑄件，平衡耳座前后增加支撐筋板。

大采高掩護(hù)梁新結(jié)構(gòu)件主要由外主筋、內(nèi)主筋、頂板、橫筋板、耳座、蓋板等件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)件采用了外主筋斷開箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)主筋對接焊結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)平衡耳座結(jié)構(gòu)。

（1） 具體設(shè)計方案

外主筋采用斷開箱型結(jié)構(gòu)，如圖2 所示，對比原結(jié)構(gòu)的外主筋組件包括頂掩耳板、外主筋板和補(bǔ)償貼板，新外主筋簡化結(jié)構(gòu)中，將外主筋結(jié)構(gòu)簡化只包含外主筋板和外主筋貼板，將頂掩耳板從外主筋組件中分離出來，頂掩耳板直接在掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)件中焊接，在結(jié)構(gòu)件中將頂掩耳板、橫筋板、外主筋板與頂板組對完成后，再進(jìn)行焊接。

圖2 外主筋新結(jié)構(gòu)

內(nèi)主筋組件采用薄板與厚板對焊形式，如圖3 所示，厚板為主筋板和原貼板厚度之和，兩板之間在外側(cè)采用Y 形坡口焊，內(nèi)側(cè)為角焊形式，焊接完成后構(gòu)成內(nèi)主筋組件，內(nèi)主筋組件焊接完成后，再到掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)件中組對焊接，焊接完成后，需要對焊縫進(jìn)行探傷，保證關(guān)鍵焊縫無氣孔，夾雜等缺陷，確保焊縫焊透，焊角高度符合要求。

圖3 內(nèi)主筋新結(jié)構(gòu)

新型平衡耳座結(jié)構(gòu)如圖4 所示，為兩平衡耳板包夾整塊圓弧頂塊結(jié)構(gòu)，圓弧頂塊采用鑄件形式，厚度100mm，圓弧頂塊和兩側(cè)耳板坡口焊接，圓弧頂塊內(nèi)側(cè)弧面與平衡千斤頂活塞桿頭部配合，銷軸可插入安裝孔中，固定平衡千斤頂活塞桿。耳板下部與掩護(hù)梁頂板焊接，平衡耳座前后與耳座橫筋板焊接，在橫筋上設(shè)計坡口，在平衡耳座前后箱體中增加支撐板，在耳板左右兩側(cè)增加斜筋板，以進(jìn)一步增加平衡耳座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

圖4 平衡耳座新結(jié)構(gòu)

（2）結(jié)構(gòu)優(yōu)點

外主筋簡化結(jié)構(gòu)中，取消頂掩耳板與外主筋之間補(bǔ)償貼板，在設(shè)計方面，使得掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)更簡單、緊湊、方便設(shè)計。在工藝方面，簡化了掩護(hù)梁焊接工藝，可操作性強(qiáng)，可有效抑制焊接變形，在保證拼裝精度的前提下降低了焊接難度，提高了拼焊效率和焊接質(zhì)量。在成本方面，外主筋縮短，有利于結(jié)構(gòu)件減重，提質(zhì)降本。內(nèi)主筋采用薄厚板對接焊形式，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時，減少原結(jié)構(gòu)中貼板和內(nèi)主筋之間的焊縫長度，減少焊接工作量，降低節(jié)拍時間，提高生產(chǎn)效率。

新平衡耳座結(jié)構(gòu)中，精鑄件圓弧頂塊可以與平衡千斤頂活塞桿頭部更好的配合，平衡千斤頂推拉力可以均勻的傳遞到平衡耳座上，圓弧頂塊選擇高強(qiáng)度合金鋼，提高平衡耳座整體強(qiáng)度，避免原結(jié)構(gòu)焊縫過多，應(yīng)力集中，導(dǎo)致耳板開裂問題。針對不同平衡油缸規(guī)格，圓弧頂塊可以做成系列化通用件，降低成本。

3 支架樣機(jī)試制

為驗證掩護(hù)梁新結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，配合壓架試驗，需要對支架模型優(yōu)化設(shè)計，大采高試驗支架樣機(jī)由頂梁、掩護(hù)梁、前后連桿、底座組成。掩護(hù)梁采用新結(jié)構(gòu)，因壓架試驗工藝要求，頂梁保留左右側(cè)護(hù)板，底座保留推桿和抬底機(jī)構(gòu)，出于成本考慮，剔除非必要功能，如掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板、底座底調(diào)和推桿連接頭等，優(yōu)化后的支架模型如圖5 所示。

圖5 大采高支架新結(jié)構(gòu)模型搭建

設(shè)計完成后，經(jīng)過板材下料、鉚焊、機(jī)加、裝配、液壓系統(tǒng)安裝等工序，大采高試驗樣機(jī)生產(chǎn)下線，如圖6 所示，下線后進(jìn)行了外觀檢查和操作性能檢驗，為下一步壓架試驗做好了準(zhǔn)備。

圖6 大采高支架實物圖

大采高試驗支架ZY12000/26/55工作阻力為43.3MPa，推移步距為800mm，適應(yīng)煤層傾角小于15°，詳細(xì)技術(shù)參數(shù)見表1。

4 壓架試驗

大采高掩護(hù)式液壓支架需要在廠內(nèi)進(jìn)行強(qiáng)度試驗，按照加載示意圖對主體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行強(qiáng)度試驗。在試驗前將試驗臺調(diào)整到合適高度，在做頂梁偏載試驗時，支架試驗高度調(diào)整到2900mm，其余項目將支架試驗高度調(diào)整到4500mm，柱窩加載按照1.3 倍額定工作壓力進(jìn)行，其余加載項按照1.2 倍額定工作壓力進(jìn)行。

壓架試驗前，需要預(yù)先制作好各種規(guī)格尺寸的墊塊，墊塊應(yīng)具有足夠的耐壓強(qiáng)度，在壓架試驗中，將墊塊防止在頂梁和底座不同位置，完成各項加載試驗。因篇幅有限，該文僅以頂梁兩端加載和底座兩端加載為例，介紹各項試驗墊塊位置和加載方式。頂梁兩端加載示意圖和墊塊位置如圖7 所示，底座兩端加載示意圖和墊塊位置如圖8 所示。

表1 ZY12000/26/55 型液壓支架技術(shù)參數(shù)

圖7 頂梁兩端加載/mm

圖8 底座兩端加載/mm

大采高掩護(hù)式液壓支架廠內(nèi)強(qiáng)度試驗合格后再進(jìn)行耐久性試驗，耐久性試驗的最大加載壓力為1.05 倍的額定工作壓力，最小載荷為0.25 倍的額定工作壓力，加載壓力在兩者中交替進(jìn)行，試驗中，每500 次循環(huán)加載，質(zhì)保人員會檢查支架結(jié)構(gòu)件外觀，查看支架部件基體材料有無損壞或變形，焊縫處有無開裂。兩柱掩護(hù)式支架主體結(jié)構(gòu)件耐久試驗加載方式和相應(yīng)的循環(huán)加載次數(shù)見表2。每輪耐久試驗合計共需進(jìn)行10000 次壓架試驗，共需連續(xù)進(jìn)行3 輪試驗。

壓架試驗工藝參數(shù)設(shè)計為增壓壓力為45.5MPa，初撐時間6s，增壓時間13s，保壓時間3s，降架時間8s，實時采集壓力數(shù)值，繪制以時間為橫坐標(biāo)，壓力為縱坐標(biāo)的壓力-時間曲線圖，系統(tǒng)完整記錄包括已完成壓架次數(shù)在內(nèi)的所有測量值和結(jié)果，試驗樣機(jī)正在進(jìn)行壓架試驗照片如圖9 所示。

5 結(jié)語

該文研發(fā)了一種新型大采高液壓支架ZY12000/26/55，針對傳統(tǒng)掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)做了創(chuàng)新設(shè)計，采用了外主筋斷開箱型結(jié)構(gòu)，內(nèi)主筋薄厚板對接焊接結(jié)構(gòu)和加強(qiáng)平衡耳座結(jié)構(gòu)。樣機(jī)生產(chǎn)下線后，在廠內(nèi)完成強(qiáng)度試驗和30000 次耐久試驗。經(jīng)檢驗，掩護(hù)梁新結(jié)構(gòu)件基體材料無損傷變形，焊縫無裂紋缺陷，結(jié)果表明，掩護(hù)梁新結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全可靠，滿足設(shè)計要求，能夠適應(yīng)大阻力、大采高的開采環(huán)境要求，相比較普通結(jié)構(gòu)具有加工成本低、制造周期短等優(yōu)勢，具有一定的應(yīng)用價值和推廣意義。

表2 支架耐久試驗循環(huán)加載組合

圖9 大采高樣機(jī)壓架試驗