文/高小強(qiáng)

雙剪切銷(xiāo)在液壓支架推移機(jī)構(gòu)過(guò)載保護(hù)的應(yīng)用

文/高小強(qiáng)

液壓支架推移機(jī)構(gòu)承擔(dān)采煤工作面所有設(shè)備的推移工作，其可靠性對(duì)整個(gè)工作面能否正常生產(chǎn)至關(guān)重要。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)采煤工作面統(tǒng)計(jì)的結(jié)果顯示，液壓支架液壓件維修更換量最大，推移機(jī)構(gòu)的故障率和維修更換次數(shù)排在第二位。受液壓支架整體結(jié)構(gòu)限制，井下更換推移裝置結(jié)構(gòu)件非常困難，同時(shí)維修工作量很大。為了解決這一難題，對(duì)推移機(jī)構(gòu)必須設(shè)計(jì)一個(gè)最薄弱的剪切安全銷(xiāo)軸，一旦過(guò)載，推拉力超過(guò)推移機(jī)構(gòu)安全承載力時(shí)，該銷(xiāo)軸被剪斷，以保護(hù)推移機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵部件不受損壞。因此剪切銷(xiāo)在整個(gè)推移機(jī)構(gòu)中則顯得尤為重要。本文分析了液壓支架推移機(jī)構(gòu)失效的原因，鑒于單剪切銷(xiāo)不能更好保護(hù)推移機(jī)構(gòu)，提出了雙剪切銷(xiāo)的設(shè)計(jì)方案，并給出了計(jì)算方法。這對(duì)解決液壓支架推移機(jī)構(gòu)損壞問(wèn)題及提高綜采設(shè)備整體可靠性具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

一、單剪切銷(xiāo)的弊端及解決方案

1．單剪切銷(xiāo)作用及弊端概述

液壓支架推移機(jī)構(gòu)由推桿體、推移千斤頂、十字連接頭、十字連接頭與推移桿連接處剪切銷(xiāo)、十字連接頭與輸送機(jī)連接處鉸接銷(xiāo)、推移桿與推移千斤頂連接處鉸接銷(xiāo)組成。剪切安全銷(xiāo)設(shè)置在推移機(jī)構(gòu)容易更換的位置。通常情況下，將推移機(jī)構(gòu)連接頭與推移桿連接處的銷(xiāo)軸設(shè)為剪切安全銷(xiāo)，如圖1所示。推移連接頭與推移桿連接處剪切銷(xiāo)對(duì)推移機(jī)構(gòu)正常工作時(shí)前后、左右四個(gè)自由度方向能起到很好的過(guò)載保護(hù)。而液壓支架的使用規(guī)范中要求工作面“三直、兩平”，即煤壁直、液壓支架直、輸送機(jī)直、頂板平、底板平。然而，當(dāng)采煤遇到某些特殊工況或者運(yùn)輸機(jī)下端浮煤未清理等情況時(shí)，隨著綜采工作面不斷推進(jìn)，運(yùn)輸機(jī)、采煤機(jī)以及液壓支架逐漸向垂直底板方向偏移，當(dāng)垂直偏移量大于支架設(shè)計(jì)推移最大上抬起量后，使整個(gè)支架在過(guò)橋處壓在推桿體上。此時(shí)如果再進(jìn)行帶壓擦頂拉架就容易造成推桿體的斷裂，即出現(xiàn)上述工況時(shí)該處剪切銷(xiāo)在上下方向就有可能出現(xiàn)過(guò)載保護(hù)失效。

圖1 推移裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2．單剪切銷(xiāo)過(guò)載保護(hù)失效驗(yàn)證

為驗(yàn)證出現(xiàn)上述特殊工況時(shí)，推移裝置單剪切銷(xiāo)能否在上下自由度方向?qū)ν埔蒲b置提供加載保護(hù)，模擬了液壓支架推移裝置的工作原理及狀態(tài)，對(duì)液壓支架推移裝置做了如下試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：

（1）試驗(yàn)概述：用實(shí)體液壓支架在壓架實(shí)驗(yàn)臺(tái)上模擬上述特殊工況進(jìn)行帶壓擦頂拉架；首先前端利用自行設(shè)計(jì)工裝耳座模擬刮板運(yùn)輸機(jī)與推移裝置連接，以便于模擬液壓支架拉架，同時(shí)嚴(yán)格控制各連接銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔之間的間隙，利用泵站向立柱緩慢加壓直至推移裝置有部件損壞，形成整體系統(tǒng)有泄壓產(chǎn)生并記錄相關(guān)壓力數(shù)據(jù)。

（2）試驗(yàn)結(jié)果：當(dāng)泵站壓力加載到40MP時(shí)，推移裝置十字連接頭前段被損壞，同時(shí)推桿體嚴(yán)重彎曲，而推桿體與十字連接頭處剪切銷(xiāo)并未損壞。

（3）原因分析：上述試驗(yàn)工況中，即便各個(gè)銷(xiāo)軸與銷(xiāo)孔間隙控制精準(zhǔn)（銷(xiāo)孔間隙為單邊0.5mm），但由于推桿體和連接頭自身重力等因素的影響，銷(xiāo)孔間隙將偏移至一側(cè)。當(dāng)推移裝置受到垂直向下的作用力時(shí)，推移裝置連接頭與推桿處剪切銷(xiāo)只能對(duì)前后、左右四個(gè)方向的作用力進(jìn)行有效過(guò)加載保護(hù)，不能對(duì)上下方向的作用力提供加載保護(hù)。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中模擬工裝耳座與推移裝置連接處銷(xiāo)軸由于為實(shí)心銷(xiāo)軸，設(shè)計(jì)強(qiáng)度較大，而推移裝置連接頭一般為鍛鑄件，強(qiáng)度略低于此處銷(xiāo)軸，當(dāng)所受到垂直向下作用力大于材料屈服強(qiáng)度時(shí)，就造成了連接頭的破壞。

（4）改進(jìn)措施：由于推移機(jī)構(gòu)單剪切銷(xiāo)在垂直液壓支架底板方向上所受力時(shí)不能完全起到過(guò)載保護(hù)。同時(shí)通過(guò)對(duì)推移裝置連接結(jié)構(gòu)的分析，將在運(yùn)輸機(jī)與連接頭鉸接處連接銷(xiāo)改用剪切銷(xiāo)形式，同時(shí)通過(guò)對(duì)該剪切銷(xiāo)進(jìn)行強(qiáng)度校核并進(jìn)行重點(diǎn)控制，可以對(duì)推移裝置上下方向受力時(shí)起過(guò)載保護(hù)作用，即為題目所述的用雙剪切銷(xiāo)對(duì)推移裝置進(jìn)行過(guò)載保護(hù)。

綜合上述，推桿體與連接頭處剪切銷(xiāo)在垂直底板方向上對(duì)推移裝置不能起到過(guò)載保護(hù)。而整個(gè)推移裝置機(jī)構(gòu)采用兩個(gè)剪切銷(xiāo)可以對(duì)推移裝置起到有效的過(guò)載保護(hù)，即推移裝置對(duì)雙剪切銷(xiāo)的過(guò)載保護(hù)應(yīng)用。

二、剪切銷(xiāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算

1．剪切銷(xiāo)的設(shè)計(jì)計(jì)算方法

剪切銷(xiāo)軸的剪切槽通常設(shè)計(jì)為兩個(gè)槽，采用雙剪形式，剪切槽設(shè)置在單耳和雙耳鉸接配合面上。當(dāng)連接銷(xiāo)軸設(shè)置為剪切槽時(shí)剪切應(yīng)力：

銷(xiāo)軸不設(shè)置剪切槽時(shí)剪切應(yīng)力：

銷(xiāo)軸設(shè)置剪切槽時(shí)的安全系數(shù)：

銷(xiāo)軸不設(shè)置剪切槽時(shí)的安全系數(shù)：

剪切銷(xiāo)軸安全系數(shù)降低比率：

銷(xiāo)軸的剪切安全系數(shù)的取值取決于其他部位的安全系數(shù)，它在機(jī)構(gòu)中的取值為最小。為保證推移機(jī)構(gòu)過(guò)載保護(hù)的作用，推移機(jī)構(gòu)剪切安全銷(xiāo)切槽后相對(duì)無(wú)切槽安全系數(shù)應(yīng)降低25%，即斷面收縮率φ取值為0.25。即剪切銷(xiāo)各個(gè)內(nèi)外徑尺寸關(guān)系式：

式中：τ1—銷(xiāo)軸剪切槽剪切應(yīng)力；τ2—銷(xiāo)軸無(wú)剪切槽時(shí)剪切應(yīng)力；θ1—銷(xiāo)軸剪切槽的內(nèi)徑；θ2—銷(xiāo)軸內(nèi)孔尺寸(銷(xiāo)軸設(shè)置內(nèi)孔的目的是增加銷(xiāo)軸內(nèi)部的淬透性，過(guò)載時(shí)銷(xiāo)軸斷裂而非彎曲，起到保護(hù)推移機(jī)構(gòu)的作用)；θ3—銷(xiāo)軸直徑；Kn—剪切槽處應(yīng)力集中系數(shù)。

銷(xiāo)軸的材質(zhì)主要選取30CrMnTi和40Cr兩種材料，通過(guò)淬火處理保證硬度為HRC35～40并保證其強(qiáng)度，30CrMnTi使用較多，淬火后的30CrMnTi強(qiáng)度較高，塑性較低。通過(guò)拉伸試驗(yàn)，屈股強(qiáng)度平均為1000～1100MPa，抗拉強(qiáng)度極限平均為1200MPa，30CrMnTi的許用切應(yīng)力[τ]為1000MPa。

推桿體箱體截面安全強(qiáng)度的計(jì)算：

式中：σ—最大彎曲應(yīng)力；M—推桿受力處彎矩；Ix—推桿受力處最大慣性矩；H—推桿受力處危險(xiǎn)高度；

推桿體箱體截面安全系數(shù)

σs—推桿體材料屈服應(yīng)力（通常推桿體材料為Q690及以上）。

2．雙剪切銷(xiāo)設(shè)計(jì)步驟

雙剪切銷(xiāo)設(shè)計(jì)的原則是首先滿(mǎn)足整個(gè)支架能正常拉架推溜的基礎(chǔ)上，考慮在支架受到垂直向下作用力工況下推移裝置剪切銷(xiāo)軸受純剪切作用，通過(guò)對(duì)推移裝置剪切銷(xiāo)的強(qiáng)度控制從而對(duì)整個(gè)推移裝置機(jī)構(gòu)起到過(guò)加載保護(hù)；在滿(mǎn)足上述兩項(xiàng)條件后再反向校核推桿體的截面安全性。具體設(shè)計(jì)步驟如下：

首先考慮保證正常拉架推溜時(shí)各剪切銷(xiāo)的強(qiáng)度，保證剪切銷(xiāo)安全系數(shù)n1≥1.1。具體計(jì)算方法按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計(jì)算；當(dāng)推移裝置抬底力（一般近似考慮為推移裝置所受向下作用力）大于等于拉架力時(shí)剪切銷(xiāo)的強(qiáng)度；保證剪切銷(xiāo)安全系數(shù)n1≥1.05。具體計(jì)算方法按公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計(jì)算；考慮上述極限工況時(shí)（抬底力大于等于拉架力），反向校核驗(yàn)證推桿箱體中間位置截面安全系數(shù)達(dá)到煤安標(biāo)準(zhǔn)要求，具體計(jì)算方法按公式（7）、（8）計(jì)算。

3．實(shí)例應(yīng)用

以神東煤炭集團(tuán)石圪臺(tái)礦ZY12000/18/35D型掩護(hù)式液壓支架推移裝置為例，按照雙剪切銷(xiāo)設(shè)計(jì)步驟，設(shè)計(jì)ZY12000/18/35D型掩護(hù)式液壓支架推移裝置十字連接頭與運(yùn)輸機(jī)處剪切銷(xiāo)各個(gè)尺寸，具體技術(shù)方法如下。

推移裝置各個(gè)千斤頂基本參數(shù)：

推移油缸（缸徑/活塞桿徑）：φ180/φ120mm；行程：960mm；泵站工作壓力：31.5MPa；上/下腔壓力：38/31.5 MPa；抬底油缸（缸徑/活塞桿徑）：φ140/φ105mm；行程：280mm；泵站工作壓力：31.5MPa；上/下腔壓力：31.5/31.5MPa。

推移裝置拉架力F拉=P·S=P·π·(9)

推移裝置推遛力F推遛=P·S=P·π·()(10)

支架設(shè)計(jì)抬底力F抬底=P·S=P·π·(11)

將各個(gè)千斤頂參數(shù)帶入公式（9）、（10）、（11）計(jì)算可得：

支架設(shè)計(jì)拉架力F拉=801KN；支架設(shè)計(jì)推遛力F推遛=445KN；支架設(shè)計(jì)抬底力F抬底=485KN。

同時(shí)查閱機(jī)械手冊(cè)可知：剪切槽處應(yīng)力集中系數(shù)Kn取值為1.35；出現(xiàn)極限工況時(shí)，實(shí)際抬底力按1.1倍拉架力計(jì)算可得F拉=1.1*F拉=881KN，按θ2取值為20mm；應(yīng)用公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）計(jì)算可得θ3=61mm，同時(shí)剪切槽內(nèi)徑取θ1=2mm。通常情況下推桿體受力點(diǎn)近似考慮為推桿總長(zhǎng)度3/4處，代入公式（7）、（8）計(jì)算可得推桿截面安全系數(shù)為1.85；理論上計(jì)算結(jié)果滿(mǎn)足煤安標(biāo)準(zhǔn)要求。

4．剪切銷(xiāo)有限元分析

為了驗(yàn)證上述推移裝置計(jì)算的正確性，采用有限元分析軟件ABAQUS對(duì)上述工況進(jìn)行模擬驗(yàn)證。將推桿后端與運(yùn)輸機(jī)鉸接處以及推桿尾部固定，在推桿長(zhǎng)度3/4處加載881KN作用力，具體約束加載方式見(jiàn)圖2。

圖2 推桿有限元加載工況示意圖

由圖3、圖4應(yīng)力云圖可以直觀得出，出現(xiàn)上述極限工況時(shí)，推桿前端受力明顯，十字連接頭與刮板運(yùn)輸機(jī)處剪切銷(xiāo)最先達(dá)到材料屈服點(diǎn)，同時(shí)在剪切槽處出現(xiàn)了明顯的應(yīng)力集中，與最初的設(shè)計(jì)構(gòu)想完成吻合。因此運(yùn)輸機(jī)與十字連接頭處剪切銷(xiāo)能對(duì)整個(gè)推移裝置上下自由度方向作用力起到過(guò)加載保護(hù)作用。

三、推移裝置雙剪切銷(xiāo)的市場(chǎng)意義

采用雙剪切銷(xiāo)不僅在使用維修時(shí)能提高效率，而且在制造成本上也很合算。以神東煤炭集團(tuán)石圪臺(tái)礦ZY12000/18/35D型掩護(hù)式液壓支架推移裝置為例。單件推桿體重量為773Kg，按材料利用率為82%計(jì)算，鋼材價(jià)格為6500元/噸，除去人工、設(shè)備折舊、正常消耗生產(chǎn)成本約為6327元/件；而十字連接頭一般為鍛造件，市場(chǎng)價(jià)格大約為22元/Kg，單件十字連接頭重量為108Kg，制造成本大約為2376元/件；而一件剪切銷(xiāo)相對(duì)連接銷(xiāo)增加成本不足10元/件。也就是說(shuō)，出現(xiàn)極端工況而造成推移裝置發(fā)生損壞時(shí)，推桿體的生產(chǎn)制造成本大約是改造剪切銷(xiāo)成本的633倍；十字連接頭的制造成本大約是改造剪切銷(xiāo)成本的238倍。而如果因?yàn)榕烤S修更換推桿體造成的煤礦停產(chǎn)以及為此造成的市場(chǎng)訂單流失等隱性損失則更大。綜合上述可以得出，推移裝置中采用雙剪切銷(xiāo)控制過(guò)加載保護(hù)無(wú)論是在使用維修上還是在生產(chǎn)制造成本上都十分必要。

四、結(jié)論

本文研究了推移機(jī)構(gòu)的過(guò)載保護(hù)，并提出了雙剪切安全銷(xiāo)軸的保護(hù)措施，給出了剪切槽的設(shè)計(jì)方法及實(shí)例，為推移裝置的過(guò)載保護(hù)設(shè)計(jì)提供了相關(guān)依據(jù)。

圖3 推移裝置應(yīng)力云圖

圖4 運(yùn)輸機(jī)與連接頭處剪切銷(xiāo)應(yīng)力云圖

（作者單位：神東煤炭集團(tuán)）

（責(zé)任編輯：龐永厚）