支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸設計方法研究

武學宏

（西山煤電集團西曲礦， 山西 古交 030200）

0 引言

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品。大采高液壓支架按照采煤工況要求需設置護幫機構，護幫機構的主要作用是控制片幫及冒頂，保證綜采工作面的正常推進生產。因此，在液壓支架設計當中，支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸設計安全性和可靠性是非常重要的，直接影響到液壓支架及煤礦開采的安全。

1 支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸分析

煤礦液壓支架護幫機構主要由護幫千斤頂、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，推動護幫機構做回轉運動。其中寬、窄桿及相互鉸接處銷軸是保證護幫機構運作的關鍵連接元件。銷軸同時受彎、切應力作用，受力情況復雜，故而對寬、窄連桿布置形式進行優化調整，有效提高銷軸強度，保障支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸安全性和可靠性[1-2]。

液壓支架護幫寬、窄桿處銷軸位置容易發生斷裂，嚴重影響了支架護幫機構使用的安全可靠性，同時造成了支架后期的維修管理費用，給企業造成了人力、物力和財力的浪費。因此，對液壓支架護幫處的寬、窄桿及鉸接銷軸受力進行系統分析，建立此處的優化設計理論方法，實現液壓支架護幫處的寬、窄桿及鉸接銷軸的優化設計，延長其使用壽命[3-6]。

2 支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸優化設計思路

1）以Y185C 型支架為例，對其護幫機構鉸接銷軸斷裂情況進行分析。

2）創建鉸接銷軸處各連接部件的力學模型，繪制銷軸受力矢量圖，運用材料力學第三、四強度理論對銷軸處進行綜合受力分析，校核強度，判定出銷軸斷裂的主要原因為寬桿對銷軸施加的彎矩過大，導致銷軸過載。

3）確立減小銷軸處所受應力值為主要優化方向。

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Y185C 型支架寬、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錄入程序運算，銷軸安全系數提高至原來的3～4 倍。由此可見，調換寬、窄桿的安裝位置對于鉸接銷軸安全性有很大改善。

5）在Y185C 型支架護幫機構設計中運用此優化設計方法，根據后期跟蹤服務反饋，此處鉸接銷軸使用狀態良好，未出現斷裂現象，從而驗證了其可靠性和實用性。

3 支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸優化設計方案

3.1 理論計算及分析程序建立

Y185C 支架護幫處寬、窄桿及鉸接銷軸的應力分析情況如圖1 所示。

圖1 Y185C 支架護幫處寬窄桿及鉸接銷軸應力分析示意圖

搭建銷軸處力學模型，分析銷軸受力矢量數據，繪制銷軸彎矩數據，再根據圖1 中Y185C 支架護幫處寬窄桿及鉸接銷軸應力分析情況進行應力分析運算，如下：

式中：p 為護幫千斤頂推力；F1為寬桿力；F2為窄桿力；F1X為寬桿分力；F2X為窄桿分力；M 為銷軸彎矩；W 為銷軸抗彎模量；A 為銷軸截面積；σ彎為銷軸彎應力；τ 為銷軸切應力；σ合為銷軸合應力；[σs] 為銷軸材質屈服強度；n 為安全系數。

首先建立護幫機構寬、窄桿處銷軸斷裂原因分析及優化。其次將上述受力分析算法匯編成應用程序，即寬、窄桿及銷軸受力分析程序，只需輸入相關連接件的基本參數即可得出銷軸的安全系數。此應用程序具有高效、準確、適用性強等特點。

3.2 Y185C 支架護幫寬窄桿處銷軸斷裂原因分析

Y185C 支架護幫寬、窄桿處銷軸初始設計結構如圖2 所示。護幫千斤頂的缸徑100mm；工作壓力35MPa；銷軸直徑Φ45 mm；銷軸材質30CrMnTi（屈服形變強度750 MPa）。

圖2 Y185C 支架護幫寬窄桿處銷軸初始設計結構

結構形式：寬桿與護幫鉸接，窄桿與頂梁端部鉸接，參數為錄入分析程序，校核銷軸安全系數。銷軸安全系數數據如下：

千斤頂的推力p 為274 889.36 N；寬連桿的力F1為252 898.21 N；窄連桿的力F2為123 700.21 N；寬連桿的分力F1X為225 333.95 N；窄連桿的分力F2X為48 333.52 N；銷軸彎矩M 為5 210 931.11 N·mm；銷軸抗彎模量W 為8 946.18 mm3；銷軸截面積A 為1 590.43 mm2；銷軸彎應力σ彎為582.48 MPa；銷軸切應力τ 為86.42 MPa；銷軸合應力σ合為601.40 MPa；銷軸安全系數為1.25。

將以上參數錄入寬、窄桿及銷軸受力分析程序，校核銷軸安全系數為1.25，這表明支架護幫機構正常使用時，銷軸安全系數僅僅為1.25。銷軸安全系數嚴重偏低，故銷軸發生斷裂的可能性較大，存在嚴重的安全隱患。優化方向和思路為：可減少外力對銷軸施加的彎矩，降低銷軸處的彎應力。

3.3 優化設計方案

調整Y185C 支架護幫寬窄桿的布置形式，窄桿與護幫鉸接，寬桿與頂梁端部鉸接，其余相關要素不變。

優化后的參數為千斤頂缸徑100 mm、千斤頂工作壓力35 MPa、銷軸直徑45 mm、銷軸材料[σs]750 MPa、寬連桿內檔寬L 136 mm、窄連桿內檔寬L152 mm、千斤頂耳厚L245 mm、銷軸安全系數3.34。

將優化后的參數錄入寬、窄桿及銷軸受力分析程序進行核算，銷軸安全系數為3.34。因此，優化參數后，銷軸安全系數從之前的1.25 提升至3.34，提高幅度達1.67 倍。從這一分析可知，對Y185C 型支架護幫寬窄桿處銷軸進行優化設計后，其安全性大幅度增加。

4 應用及效果分析

將支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸設計方法在西山煤電集團西曲礦液壓支架的改進設計中進行了實踐應用，具體的應用情況及經濟效益如下：ZY13600/28.5/62.5D 型掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ45 mm×220 mm，共342 個，總質量1 026 kg，提升經濟效益18 000 元；ZY18000/31/63D 型兩柱掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ60 mm×240 mm，共240 個，總質量1 320 kg，提升經濟效益21 000 元；ZY12000/25/50D 型掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ50 mm×190 mm，共316 個，總質量950 kg，提升經濟效益15 000 元；ZY15000/29.5/63D 型掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ65 mm×263 mm，共30 個，總質量210 kg，提升經濟效益5 000 元；ZY14500/31/65D 型掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ60 mm×230 mm，共270 個，總質量1 485 kg，提升經濟效益23 000 元；ZY13000/24/50D 型掩護式液壓支架，鉸接銷軸規格為Φ50 mm×190 mm，共384 個，總質量1 152 kg，提升經濟效益18 000 元。從以上數據可知，以上各批次支架鉸接銷軸采用以上設計方法對寬、窄桿布置形式進行布置，銷軸安全系數較高，在實際使用中的狀況良好，未出現大量斷裂情況。

5 結語

該支架護幫機構寬窄桿及鉸接銷軸方法的設計與應用，保證了液壓支架護幫機構使用的安全可靠性，降低了后期產品服務成本，為企業節約了大量的人力、物力和財力，具有較好的安全、經濟、社會效益。該方法對大采高支架具有廣泛的適用性，對于中低采高支架（如需設置回轉護幫）也同樣適用，具有較好的應用前景。