液压支架推移机构过载保护及连接件受力分析

李瑞杰 田 龙 王冠黎 黄自炎

(郑州煤矿机械集团股份有限公司,河南省郑州市,450013)

1 引言

我国煤矿综采设备的技术及设备的可靠性是井下采煤迫切需要解决的难题之一,液压支架推移机构是综采支护设备的主要部件,承担采煤工作面所有设备的推移工作,液压支架推移机构的技术及可靠性显得尤为重要。液压支架推移机构由推移杆、推移千斤顶、十字连接头、十字连接头与推移杆剪切销、十字连接头与输送机铰接销、推移杆与推移千斤顶铰接销组成。推移机构结构示意图见图1。

图1 推移机构结构示意图

液压支架推移机构的受力是复杂的,受力主要来自于推移千斤顶的拉压力(F4)、抬底千斤顶的抬底力(F3)和刮板输送机下滑所引起的侧向力(F2),这3种外力作用在不同方向上(见图2)。但高产高效工作面推移杆在井下受F2、F3、F43种力同时作用的几率极小,因为拉架状态下推移杆前端导向板未进入底座内主筋限位,其推移杆受侧向力较小。推移杆所受侧向力不是刮板输送机的下滑力,刮板输送机的下滑力由未推溜状态的支架组所承担,此时推移杆受侧向力只限于移架偏移所受的摩擦力。但国内外标准对推移杆全伸出时给定侧向力F2为100 kN或一半推溜力静载荷分析时,由于推溜力远小于拉架力,不需强度校核,只考虑拉架力即可,拉架状态推移杆受力最大。

图2 推移机构受力图

推移机构的性能直接影响工作面支架的整体性能。推移机构的故障和损坏,不但影响工作面推进速度,而且直接影响工作面出煤产量。严重的推移机构故障会使工作面无法推进。根据目前国内采煤工作面统计的结果显示,液压支架液压件维修更换量最大,推移机构的故障率和维修更换次数排在第二位。

井下更换推移机构较困难,而且维修更换量也很大。为了解决这一难题,对推移机构必须设计一个最薄弱的剪切安全销轴,一旦过载,推拉力超过推移机构安全承载力时,该销轴被剪断,以保护推移机构的关键部件不受损坏,剪切安全销轴设置在推移机构容易更换的位置。通常情况下,将推移机构的连接头与推移杆连接的销轴设为剪切安全销轴,见图3。设计时连接头与输送机的连接销轴及孔通常采用等强度设计,且销轴的剪切强度低于销孔的拉伸强度和挤压强度,以保证过载时销轴损坏先于耳板和耳座,便于井下更换。

图3 剪切安全连接销轴

通常理论设计和结构优化能全部满足推移机构各环节在井下使用强度的要求。但推移机构拉架抬底启动过载,相邻支架推移输送机时造成该液压支架滞后拖拉过载时有发生。推移机构除过载外,拉架时剪切安全销轴所承受的力最大,拉架时,推移杆头部受到垂直、水平和侧向3个方向力的作用,其垂直力通过连接头、推移杆前端传递到采煤工作面底板上,或传递到连接头和输送机连接销轴上,剪切安全销轴只受拉力和侧向力,其剪切销轴受拉力为F4x,受侧向力为F2,F2从试验标准中取值,为100 kN至1/2的推溜力,优化设计中取F2=100 kN。其合力F5为:

式中:F4——推移千斤顶的拉架力;

α4——推移千斤顶与水平推移杆的夹角,取值为3～6°,计算时取实际最大值。

连接头的反作用力同样为F5。

2 剪切安全销轴强度分析及剪切槽的设计

剪切销轴的剪切槽通常设计为两个槽,采用双剪形式,剪切槽设置在单耳和双耳铰接配合面上。当连接销轴不设置剪切槽时销轴剪切应力为:

当连接销轴设置剪切槽时剪切应力:

式中:ø3——销轴内孔尺寸(销轴设置内孔的目的是增加销轴内部的淬透性,过载时销轴断裂而非弯曲,起到保护推移机构的作用);

ø4——销轴剪切槽的内径;

ø5——销轴的直径。

目前国内液压支架设计时,销轴的材质主要选取30CrMnTi和35CrMnSi两种材料,通过淬火HRC35～40处理保证其强度,30CrMnTi使用较多,淬火后的30CrMnTi强度较高,塑性较低,通过拉伸试验,屈股强度σ0.2平均为1000～1100 MPa,抗拉强度极限σb平均为1200MPa,30CrMnTi的许用切应力[τ]为1000 MPa。

销轴不设置剪切槽时的安全系数:

销轴设置剪切槽时的安全系数:

剪切销轴安全系数降低比率:

销轴的剪切安全系数n4的取值取决于其他部位的安全系数,它在机构中的取值为最小,通常为3～3.5。为保证推移机构过载保护的作用,推移机构剪切安全销切槽后相对不切槽安全系数应降低25%,断面收缩率φ取值为0.25。

剪切安全销切槽的内径为:

其中ø3根据销轴的大小取值15～20 mm,高产高效工作面推移千斤顶缸径选取ø150 mm、ø160 mm、ø180 mm和ø200 mm,销轴材料选取30CrMnTi或35CrMnSi淬火销时,ø5取值为50～65 mm,推移机构中其他销轴的直径在相同材质热处理状态下大于或等于ø5。由于剪切安全销的受力主要传递推移千斤顶的拉架力和推溜力,当拉架时,抬底千斤顶的抬底力传递到工作面底板或连接头与输送机连接销上,远小于抬底力作用于推移杆中部的弯矩,推移杆受抬底弯曲应力变小,经过计算分析,推移杆纯抗压应力远小于抬底弯曲应力,在复合应力中所占比例较小。当拉架起步时,3倍的推移杆拉力所产生的应力和抬底力的复合应力应小于材料的许用应力。此工况下,推移杆的安全系数是足够的,当剪切安全销承受3～3.5倍剪切力断裂时,推移杆在此工况的安全系数大于1.25,设计时通过模拟工况可进行推移杆的强度应力分析。

对于由于左右邻架推溜造成一个支架滞后闭锁过载问题,可按3倍的推架力对推移机构进行强拉试验,此种工况下只加载推移杆轴向力,抬底弯曲应力不考虑。

应力销的应力槽位置应充分考虑铰接耳板的配合间隙,确保应力槽处于剪切面上,应力槽的角度为80～90°,槽底直径大于等于1 mm,避免应力集中。

计算推移杆的铰接孔抗压强度时,抗拉强度计算安全系数应取值5～6,计算推移连接头的抗拉强度时,孔的抗压强度安全系数应取值4～5,高产高效工作面液压支架连接头采用高强度钢铸锻件,其材料的屈服极限σs≥800 MPa,σb≥1000 MPa,除剪切应力销外,推移机构其他连接销安全系数取值4～5,确保推移机构的安全性和使用性。

3 推移机构拉架启动过载冲击保护

由于液压支架推移机构铰接存在间隙和输送机为长孔型式,推移机构在拉架和推溜交替动作时,启动阶段有空行程不受力阶段,当一旦拉紧和推紧受力时将产生瞬间冲击,冲击不但减小推移机构的寿命,同时影响推移机构的性能和安全使用。

图4 推移千斤顶控制原理一

倒装推移机构为了快速移架,普遍采用活塞杆腔加液压锁型式,此型式可以防止移架时将输送机倒拉,提高移架效率,见图4,但该种设计不能解决拉架启动冲击问题。新的原理是推移千斤顶活塞和活塞杆腔全部加锁,既能快速移架又能防止冲击过载,具体是:拉架前,降架或抬底时先给活塞腔供液(见图5),供液采用阻尼小流量,当拉架启动时从小流量转换为大流量实现移架机构软启动,避免瞬间冲击。

图5 推移千斤顶控制原理二

另一种推移机构软启动原理同样能满足快速移架又能防止冲击过载,见图6。当拉架开始活塞腔供液时,阻尼供液液路先供,当供液压力增大到足以把供液腔单向锁打开时,才开始大流量供液,同样可实现推移机构软启动,防止冲击过载,并满足快速移架。

图6 推移千斤顶控制原理三

4 结语

研究了推移机构的过载保护,并提出了应力剪切安全销轴的保护措施,给出了应力剪切安全销轴保护的数字模型和参数设计。对液压支架推移机构在拉架瞬间启动、冲击所造成的主要零件损坏问题,采用机械和液压两种方法进行解决,为设计提供了依据。

[1] 王国法等著.液压支架技术[M].北京:煤炭工业出版社,1999

[2] 赵宏珠.综采面矿压与液压支架设计[M].北京:中国矿业学院出版社,1987

[3] 煤炭科学研究总院北京开采所.地下开采现代技术理论与实践[M].北京:煤炭工业出版社,2002

[4] 李星宁.煤矿综采新工艺技术与机械设备选型实用手册[M].北京:中国知识出版社,2005

[5] 戴绍诚,李世文.高产高效综合机械化采煤技术及装备[M].北京:煤炭工业出版社,1997