正四連桿結構放頂煤過渡支架斜梁改造設計

王劍楠

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠技術中心， 山西 大同 037000）

引言

2009年以來，同煤集團公司連續上馬多套大噸位、大采高放頂煤液壓支架，中央機廠技術中心承攬了多套該型高端液壓支架的研制工作，經過多年的實踐與實施，中央機廠技術中心取得了多項高端液壓支架的項目準入，經過研制與開發，程序性的工藝過程已經滿足了高端液壓支架的生產制造需求，達到了研發高端液壓支架、優化高端液壓支架四連桿的實踐經驗。從ZF3200輕型放頂煤液壓支架開始，逐步進入了千噸、4 m以上高端液壓支架的研發過程。尤其是針對塔山礦8216工作面、永定莊礦8101工作面等工作面過渡支架斜梁開焊、撕裂等問題，進行深入細致的研究，通過大膽的改革取得了良好效果。

1 原設計中存在的問題

1.1 改造前問題

在原始設計過程中，只考慮了抗彎強度，抗彎強度已經達到了3.0以上的安全系數。沒有考慮過渡支架斜梁的抗扭問題。在實際使用過程中，抗扭是一個主要問題，斜梁受到嚴苛的扭矩，而且無法具體計算。技術分析來看，結構性問題比較嚴重。過渡液壓支架抗扭和抗彎曲能力的最終承受原件是斜梁。在幾套綜采工作面實際使用的過程中，出現了相同的開焊、撕裂問題，尤其是塔山礦8216工作面、永定莊礦8101工作面等工作面。

1.2 原始設計結構

過渡支架斜梁原始設計結構如圖1所示。原始設計結構主要存在以下幾個問題：

圖1 過渡支架斜梁原始設計結構

1）主筋貼板處，焊縫比較集中。高端液壓支架普遍采用Q550以上等級的高強度板材，作為結構件主體材料，其焊接應力比較集中，相應焊縫焊后處理比較困難，盡管對其進行了焊前熱處理和焊后消除應力熱處理，其熱處理溫度為550～650℃，但是，這種處理方式仍不能解決焊縫多帶來的應力集中問題。焊縫集中導致在焊接過程中，母材燒損嚴重。從礦井使用現場調查情況來看，各類發生問題的斜梁，其開裂處大都在焊縫集中區域[1]。

2）箱梁結構比較單薄。在液壓支架的設計過程中，首先考慮掩護梁起到承受彎扭組合力學特性，而過渡支架掩護梁被斜梁替代，斜梁橫截面積大大減小，斜梁的彎扭力學特性尤為突出，斜梁設計一般結構比較單薄，在工業性試驗過程中，將承受更大的彎扭力學破壞。

3）斜梁結構在使用過程中，屢屢發生后部斷裂，經過分析，主要原因是箱梁組合強度不足，尤其表現為原始結構的后部箱梁為分體、分件等情況，這種結構強度不能滿足結構要求，尤其強度不能滿足彎扭距要求[2]。

2 結構性改造設計

針對各類強度設計問題，經過幾項分析研究，并做了相應的改造設計，改造后的過渡支架斜梁結構如圖2所示。

圖2 改造后的過渡支架斜梁結構

1）焊縫改造。在改造設計過程中，將加強貼板進行了相應設計改造。首先考慮焊縫集中問題。為了解決這個難題，將加強板延伸延長150 mm，將其焊縫部位移動到后部，避免焊縫集中在包板部位。

2）結構性改造設計。由于原始設計為單腔箱梁結構，其抗扭能力比較差。為了改善這種結構的危害，將新結構斜梁設計為雙腔形式，在箱梁結構中部增加30 mm的中筋板，將單腔結構分割為雙箱梁。在主要受力或者主要受扭矩部位，把原始單腔結構改造為雙層分體，多層受力結構。這種設計改造措施可以把抗扭性能考慮進來，讓雙腔梁和單腔梁結構同時抵御扭矩，大大提高了斜梁的抗扭性能[3]。在形成雙箱梁結構后，增加了多道內置筋板，將內部分割為多箱梁結構。首先，內置筋板起到了提高抵御扭矩的作用，其次，多箱梁結構增加了扭矩力學分解腔體，進一步提高抗扭能力。

3）扭矩集中部位的抗扭性能改造。從工業性試驗過程中可以了解到，上鉸接孔底部的抗扭性能非常不合理，在所有損壞斜梁的結構性分析過程中發現，該部位極其容易因彎扭力學特性發生開焊、撕裂等焊接和結構問題。為此，中央機廠技術中心在改造設計焊接結構特點的同時，在該處增加了U型彎板，進行結構力學特性改造，滿足了抗扭力學特性在該處的集中破損現象。

4）材料優化。由于背板為彎板，其抗扭能力比較好，為了進一步提高結構件抗扭性能，將背板由原設計的40 mm優化改造為50 mm。腹板由原來的40 mm改為30 mm的雙腹板結構，雙腹板之間留有5 mm間隙，使之形成斷面雙箱梁結構，給循環力學扭矩提供兩層力學分解機構，大大提高了抗扭能力。

3 使用效果和效益分析

同煤集團經過統一部署，將改造后的設備應用于各礦，并且取得了良好的效果。煤科總院開采設計事業部已經將此次改造設計成果作為他們今后設計的一個重要依據，并在全國范圍內進行了推廣和設計論證，取得了良好的效果。尤其在同煤集團范圍內，從2014年后至今依次改造設計了10余套綜放工作面過渡液壓支架的正四連桿結構形式，經各礦應用后，均收到了良好的效果。

[1]成大先.機械設計手冊[M].北京：化學工業出版社，2002.

[2]溫秉權.金屬材料手冊[M].北京：電子工業出版社，2009.

[3]王國法.液壓支架控制技術[M].北京：煤炭工業出版社，2009.