護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優化設計
導語：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，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。本期轉化果平臺推薦的《護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優化設計》成果對相關連接元件進行綜合受力分析，建立了一套完整詳盡的優化設計理論方法，解決了缺少理論分析方法的難題，填補這一環節的技術空白。設計時可準確選定銷軸規格、材質，提高銷軸安全系數，優化寬窄桿布置形式。該成果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。
一、項目背景
某企業是以煤礦用液壓支架為主導產品的大型設備生產制造企業。隨著近年來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，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。
在煤礦采掘機械領域，技術人員通過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，填補技術空白。其廣泛適用于大采高支架，對于中低采高支架(如，需設置回轉護幫)也同樣適用。
二、研究內容
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，故而優化寬、窄連桿布置形式，提高銷軸強度尤為重要。
以Y185支架為例，對寬窄桿布置形式及其鉸接銷軸進行優化設計。
1.分析Y185支架鉸接銷軸斷裂情況;
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Y185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。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。
三、關鍵技術
1.搭建銷軸處力學模型
2.繪制銷軸受力矢量圖
3.繪制銷軸彎矩圖
4.進行應力分析運算
四、工藝流程(實例分析應用)
1.建立護幫處寬窄桿及鉸接銷軸優化設計系統理論分析方法
2.將上述受力分析算法匯編成應用程序—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就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。
實例應用：Y185支架護幫寬窄桿處銷軸斷裂原因分析及優化
初始設計結構見圖1：
圖一
基本參數：
護幫千斤頂：
缸徑100mm，
工作壓力35MPa
銷軸直徑：φ45mm，
銷軸材質：30CrMnTi
(屈服形變強度750MPa)
結構形式：
寬桿與護幫鉸接
窄桿與頂梁端部鉸接
參數錄入分析程序，校核銷軸安全系數。
護幫機構正常使用時，銷軸安全系數僅為1.25，嚴重偏低，故銷軸發生斷裂的可能性較大。減少外力對銷軸施加的彎矩，降低銷軸處的彎應力為正確的優化方向。
圖二 優化后的結構
調整寬窄桿的布置形式，窄桿與護幫鉸接，寬桿與頂梁端部鉸接，其余相關要素不變，錄入程序重新核算。
銷軸安全系數提升至3.34，改善效果明顯，故此種優化設計合理可行。
五、應用效果
該成果應用前，護幫處寬窄桿及鉸接銷軸一直采用經驗設計方法，適應性差，可靠性較低，不利于設計精益化推廣。
本項目成果的經濟社會效益顯著，保證支架護幫機構使用的安全可靠性，降低后期產品服務成本，為本企業節約大量的人力、物力、財力。
實例：下表中各批次支架鉸接銷軸均使用本項目成果進行優化設計，用戶反饋使用狀況良好，未出現大量斷裂情況。
注：表中經濟效益提升主要包括材料成本、加工成本、后期服務成本三方面。
六、推廣應用前景
以往設計多依據類似經驗，本成果對相關連接元件進行綜合受力分析，建立了一套完整詳盡的優化設計理論方法，解決了這一環節缺少理論分析方法的難題，填補這一環節的技術空白。設計時可準確選定銷軸規格、材質，提高銷軸安全系數，優化寬窄桿布置形式。
該成果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。特別是根據此理論分析方法開發的受力分析程序，實用性強，避免了重復計算分析。
