护帮处宽窄杆及铰接销轴优化设计
导语：近年来随着采煤工艺的不断提升，中厚煤层大量开采，大采高液压支架逐渐成为市场主流产品。大采高液压支架按照采煤工况要求需设置护帮机构，主要作用是控制片帮及冒顶，保证综采工作面的正常推进生产。本期转化果平台推荐的《护帮处宽窄杆及铰接销轴优化设计》成果对相关连接元件进行综合受力分析，建立了一套完整详尽的优化设计理论方法，解决了缺少理论分析方法的难题，填补这一环节的技术空白。设计时可准确选定销轴规格、材质，提高销轴安全系数，优化宽窄杆布置形式。该成果对大采高支架具有广泛的适用性，对于中低采高支架(如，需设置回转护帮)也同样适用。
一、项目背景
某企业是以煤矿用液压支架为主导产品的大型设备生产制造企业。随着近年来采煤工艺的不断提升，中厚煤层大量开采，大采高液压支架逐渐成为市场主流产品。大采高液压支架按照采煤工况要求需设置护帮机构，主要作用是控制片帮及冒顶，保证综采工作面的正常推进生产。
在煤矿采掘机械领域，技术人员通过对液压支架护帮处的宽窄杆及铰接销轴受力进行系统分析，建立此处的优化设计理论方法，填补技术空白。其广泛适用于大采高支架，对于中低采高支架(如，需设置回转护帮)也同样适用。
二、研究内容
护帮机构主要由护帮千斤顶、宽连杆、窄连杆、护帮及铰接销轴组成。
宽窄连杆分别与护帮及顶梁端部铰接，护帮千斤顶与宽窄杆铰接，推动护帮机构做回转运动。其中宽、窄杆及相互铰接处销轴是保证护帮机构运作的关键连接元件。销轴同时受弯、切应力作用，受力情况复杂，故而优化宽、窄连杆布置形式，提高销轴强度尤为重要。
以Y185支架为例，对宽窄杆布置形式及其铰接销轴进行优化设计。
1.分析Y185支架铰接销轴断裂情况;
2.创建铰接销轴处各连接部件的力学模型，绘制销轴受力矢量图，运用材料力学第三、四强度理论，对销轴处进行综合受力分析，校核强度，判定出销轴断裂主要原因为宽杆对销轴施加的弯矩过大，导致销轴过载;
3.确立减小销轴处所受应力值为主要优化方向;
4.将分析计算过程汇编，形成一套完整的强度校核程序(宽窄杆及销轴受力分析程序)，将Y185支架宽窄杆前后连接顺序改为宽杆与伸缩梁铰接，窄杆与护帮铰接，重新将各连接元件基本参数录入程序运算，销轴安全系数提高至原来的3～4倍。可见调换宽窄杆的安装位置对于铰接销轴安全性有很大改善。
5.在Y185C支架护帮机构设计中运用此优化设计方法，根据后期跟踪服务反馈，此处铰接销轴使用状态良好，未出现断裂现象，从而验证了其可靠性和实用性。
三、关键技术
1.搭建销轴处力学模型
2.绘制销轴受力矢量图
3.绘制销轴弯矩图
4.进行应力分析运算
四、工艺流程(实例分析应用)
1.建立护帮处宽窄杆及铰接销轴优化设计系统理论分析方法
2.将上述受力分析算法汇编成应用程序—宽窄杆及销轴受力分析程序，只需输入相关连接件的基本参数就可得出销轴的安全系数。此应用程序具有高效、准确、适用性强等特点。
实例应用：Y185支架护帮宽窄杆处销轴断裂原因分析及优化
初始设计结构见图1：
图一
基本参数：
护帮千斤顶：
缸径100mm，
工作压力35MPa
销轴直径：φ45mm，
销轴材质：30CrMnTi
(屈服形变强度750MPa)
结构形式：
宽杆与护帮铰接
窄杆与顶梁端部铰接
参数录入分析程序，校核销轴安全系数。
护帮机构正常使用时，销轴安全系数仅为1.25，严重偏低，故销轴发生断裂的可能性较大。减少外力对销轴施加的弯矩，降低销轴处的弯应力为正确的优化方向。
图二 优化后的结构
调整宽窄杆的布置形式，窄杆与护帮铰接，宽杆与顶梁端部铰接，其余相关要素不变，录入程序重新核算。
销轴安全系数提升至3.34，改善效果明显，故此种优化设计合理可行。
五、应用效果
该成果应用前，护帮处宽窄杆及铰接销轴一直采用经验设计方法，适应性差，可靠性较低，不利于设计精益化推广。
本项目成果的经济社会效益显著，保证支架护帮机构使用的安全可靠性，降低后期产品服务成本，为本企业节约大量的人力、物力、财力。
实例：下表中各批次支架铰接销轴均使用本项目成果进行优化设计，用户反馈使用状况良好，未出现大量断裂情况。
注：表中经济效益提升主要包括材料成本、加工成本、后期服务成本三方面。
六、推广应用前景
以往设计多依据类似经验，本成果对相关连接元件进行综合受力分析，建立了一套完整详尽的优化设计理论方法，解决了这一环节缺少理论分析方法的难题，填补这一环节的技术空白。设计时可准确选定销轴规格、材质，提高销轴安全系数，优化宽窄杆布置形式。
该成果对大采高支架具有广泛的适用性，对于中低采高支架(如需设置回转护帮)也同样适用。特别是根据此理论分析方法开发的受力分析程序，实用性强，避免了重复计算分析。
