放顶煤支架底座开裂的加固及改进设计.pdf

4 0 煤矿机械 一 手 ／放顶煤支架底座开裂的加 ≯ j ‘ 7 固及 改 进 设 计 2 7 3 5 0 0 竞州矿业集团公司 申伯宏 王大志 马明国 _ ⋯ 摘要 分析将铺底 网液压 支架 改造成放 顶堞液压 支架使用后底座 开裂的原 因， 并提 出改进方案及新底座改进设计原则。 关键 词 支架底 座加 固 改进 ，， 厂一 1 前 言 液 荭 兖 州 矿 务 局 现 为 兖 矿 集 团 公 司为 使 用放 顶煤生产 工艺 ， 大 幅度提高采 煤效率 ， 1 9 9 2年 委托 专 业 厂 及 兖 州 矿 务 局 机 修 厂将 Z Z P 5 1 0 0 、 5 2 0 0型 铺 底 网 液压 支 架 加长 前 梁 加上 后 尾 梁及 插板 改造 为放 顶煤 工 作 面用支 架。由于支架底座本身原设计上就存在强度 不 足 的 问 题 ， 改 为 放 顶煤 使用 时对 底 座 又 没 有采取特殊的加强措施， 使用 0 ． 5 ～ l a时间 即在底 座主 筋板 断 面应 力变 化集 中部位 出现 疲 劳 裂 口甚 至 开 裂 且带 有 普 遍性 ， 问题 非 常 严重 。 2开 囊 问题 的原 因分 析 底 座 箱 开裂 均 发生 在内 主筋板 断 面急 剧 变 化 应 力集 中的 部 位 。 经 调 查 分析 和 计 算， 该部位产生裂纹的原因 1 设计 强度 偏 低作 为铺底 网支 架 时 5 1 0 0底 座 安 全 系 数 为 1 ． 0 4 、 5 2 0 0底 座 为 1 ． 1 ， 这本身就难以承受工作面的复杂受力及 压力变化 ， 改为放顶煤支架后， 掩护梁本身的 受 力 发 生 变化 ， 而 且 掩护 梁后 部 又 增 加 了一 个 内装 话 动插 板 的 后 尾粱 。 尾 梁 所 受 压 力及 放顶煤 垮落的 冲击力通 过连 杆传递 到底座 上， 使底座又要承受这个新的工作应力 ， 安全 系数进 一步降低 Ⅳ 1 由于铺 底网支架 改 为放顶煤支 架时对底座没 有采取 加强 措 施 ， 加上原底座 及其他结构件制造吐对大 施 加 以消除 ， 其 中与工作应力方向相同的应 力 相迭加进一步使承载能力降低 ， 因而使用 时 间 不 长即造 成 内主 筋 屈服 疲劳 而 断裂 。 这 是主 要 原因 。 2 应 力集 中部位 没有 采取 相 应 的 防裂 措施 由受力分析知道 ， 支架底座 主要承力 件 为纵 向 内外 主筋 板 ， 应 特别 予 以注 意 保 证 其 强度和使用 可靠性， 但 原设计 与制造上均 没 有 采 取 相应 的 措施 ， 存 在着 原 始 的加 剧 应 力集 中的 因素 ① 内主筋板水平线与山峰左侧线成 9 0 。 垂 直 布 置 ， 主 筋板 与底 座 交叉 位 置 设置 了很 小的圆弧及斜坡过渡 。 该处是应力集中部位， 这 种设计 不利于应力的分散与过渡 。 制造时 该处气剖加工， 必然存在众多的微观 切口， 形 成 原始存 在的裂纹源， 受力后易于 从这些小 切 口处继 续 扩 大 ， 形 成宏 观 裂纹 或 众 多 的 疲 劳裂纹， 事实正 如此 。 ②5 1 0 0 底座内外主筋板设计为了追求 优化设计 ， 减 轻底座重量 ， 在长条上部 前后 立 柱 中间 分 别挖 下 一个 深 6 5 mm 的 凹槽 ． 破 坏 了工件的整体性， 既使承载能力降低 又 造成两处应力集中的加剧因素。 ⑧ 内外主筋板所选板材偏薄 5 1 0 0 的 2 5 r a m， 5 2 0 0的 3 0 r a m ． ， 在应力集 中部位 又未 采取贴 板朴强 的措施， 都是单板受 力， 该板 特 别是 内主筋 板 只要 一 处 出现 裂 纹 ， 扩 展 成裂 口后 就使 整个 底座 乃至 整个 支 架 不能使 厂 年 维普资讯 1 9 9 8年第 6期 煤矿机械 4 l 用 。 ④5 2 0 0支架上下 连杆 均在底 座 内主筋 上 进行 铰 接 ， 挡距 偏小 ， 连杆 偏 窄 ， 在顶 梁 、 掩 护 梁 、 尾 梁受到 偏 载 时经 连杆 对 底座 内 主 筋 板 山峰部分施加一个侧 向弯矩或扭矩， 也 加 剧 了 内主 筋板 的疲 劳破 坏 。 3 加固改造方案与改进设计 的原则 3 ． 1 原底 座 如 附 图 所 示 ，图 中 件 l 、 3 、 4 、 5 、 6 、 7为 5 1 0 0底 座加 固用新 的组 焊 零 件 ， 图 中 3 、 5 、 7 、 8为 5 2 0 0底 座加 固 用新 件 。 其 中 件 5将 内主 筋 拐 角处 起拉伸 作 用 的斜 角 由原 来 的 1 0 0 4 5 。 提 高到 2 6 0 4 5 。 ， 两 端 过 渡 圆 弧 由 R5 0 提高到 R1 0 0 。 经过 这些改造 ， 我们初 步计算 安 全 系数 由原 来 的 1 ． 0左 右提 高 到 1 ． 6 5以 上， 全部组焊后采取 了振动 时效处理消脒焊 接残余应力 可消除 6 0 ％ 以上 的措施 ， 这样 保 证 加 固 改 造 以 后 的 安 全 系 数 在 1 ． 6 5 0 ． 9 6 1 ． 5 8 4以 上 。 5 1 0 0 5 2 0 0 原底座 加固改造示意凰 1 ．内主筋 内侧加强板2 ．原内主筋板3 ．内主筋外 加 强板 4 ．防裂横板 5 ．内主筋延 伸加 强板 6 外主筋加 强板7 ．立楹延仲加强板8 ． 5 2 0 0横向加强斜撑板9 ． 立 板 经 过 加 固改 造 ， 加 强 了改 造 过 程 中 的质 量 控制 ， 确 实取 得 了好的 效果 。 3 2设 计 制造 新底 座 由于部 分底 座 使用 后 出现严 重 开裂 甚 至 断 裂 ， 无 法 加 固改造 使用 ， 为 补充 这些 底 座 以 达 到配套要求并留出少量的备件 ， 矿务局委 托 我厂 应急 制造 新 的底 座 。 为了满足工作面的接续需要， 顺利地完 成 这些底座 的制造任务， 我们 以加固改造底 座 方 案 为基 础 ， 拟 定 了新 底 座 的 改进 设 计 方 案 ， 新底 座改 进设计 的指导思 想 ① 安全使 用 ， 确保 3个 以上 工作 面 的使 用 不 出阔 题 作 为必保项 目和首先考虑的因素； ③ 保证与其 他 件 和改 造 底 座 的互 换 性 及 装配 尺 寸 ； ⑧ 考 虑 工 艺性 ， 尽 量 便于 实现 预定 的焊 接顺 序 ， 减 少焊接残余应力并能通过振动时效处理尽量 予 以消除 。 为 了达 到 上 述 目 的 ， 对 于 内 主筋 板 从 两 个 方 面进 行 了加 强 ① 增 加 主 筋板 板 厚 5 1 0 0底座由 2 5 mm 增加到 4 0 mm， 5 2 0 0由 3 0 mm增加到 5 0 mm， ② 增加主筋板交叉部 位 的拉撵 斜 面 尺寸 ， 由 1 0 0 4 5 。 增加 到 2 6 0 4 5 。 ． 两端 过渡 圆弧 半 径均 为 R1 0 0 mm。 另 外 内外 主筋 板 水 平直 线 段 不 再 向下 凹深 ， 而 保 留一条直 线 ， 充分 发 挥 材料 的整体 作 用 。 在 工艺上也如加固改造一样， 采取了合理的组 对 焊 接顺 序 ， 减 少 焊 接 应力 并 在焊 后 进 行 振 动 时效处理消除焊接残余应力。 经计算安 全 系数 达到 1 ． 7 5以上 。 4 ． 效果 按 照上述 加 固方 案 改造及 改 进设 计新 制 的 支架 底座 自 1 9 9 3年 l 1 月至 l 9 9 4 年 9月黯 续下并配套 使用 ， 到 目前 为止至少经 过了 3 个 以上工 作 面 的 考验 ， 底 座改 造 部分 没 有 出 现 问题 ， 新制 底 座 没有 出现 断裂 和开 裂 问题 ， 在 l 9 9 3年到 l 9 9 5年尚无放顶煤专用支架提 供 的情况下 ， 为矿区放顶煤生产的接续 及正 常 进行 提供 了保 证 。 作者筒卉 申伯 密． 1 9 6 0年生， 工程师 ． 1 9 8 2 年 毕生 于 山东广棰电视大学机牲制造 专业 ， 主要 扶事机械； 目 I 造、 售理 等方面冉 勺 技术工作． 现为充矿集 团新世圮新星公司t 中外音 资 技木 主管 完成科研课题 项 ， 曾发表论文 3篇 。 王大志 。 1 9 4 5年生 ， 1 9 7 o年毕生于暗 尔藏工 韭大学机 械制造系掉接 专业。 理 为壳州矿生 集厨公司机厂 酬总工程 师。 高级 工程 师。 主要 扶事 机械 搴 I 造、 售理技木 工艺及其 管 理工作。 曾发表论文 1籍 。 收稿 日期 1 0 9 8 0 3 3 1 维普资讯