液压支架双耳连接头结构的改进

引言

作为煤矿井下液压支架和刮板输送机之间的有效联接的核心部件之一，液压支架连接头在工作面的进一步推进过程中同推杆一道起到了非常重要的作用。日常工作中，液压支架联接头不但需要承受拉、压力，同时还需要额外承担扭弯等交变力的作用，尤其当实际工作面倾角过大时，在液压支架联接头位置往往会受到多种复杂的力的作用。液压支架双耳联接头非常容易受损，由此可能会对企业造成巨大经济损失，不利于企业的稳定发展。故本文通过对井下联接头的受力情况进行探讨，并提出优化设计方案。

1. 液压支架联接头结构原理研究

当前所采用的液压支架联接头主要分为两种，分别为单耳式以及双耳式。前者生产制造工艺相对简单，通常选择锻造件，强度高且不易磨损;而后者加工工序较为复杂，锻造费用较高，通常选择铸造件，但实际应用过程中磨损较为严重。此外，和液压支架联接头相联接的是输送设备的推移耳板，一旦出现损坏就需要对溜槽进行更换。更换难度大且投入费用更高，对其进行更换是一种不理想的措施，因而要求联接头的设计强度不宜过高，应当稍低于刮板输送设备的耳板强度。就理论层面结合井下实际情况，采用单耳联接头强度以及损坏情况可以得到较好的保障，故而目前大多数刮板输送均采用单耳的结构，而对于液压支架联接头则主要选择双耳结构。如图1所示。

2. 受力情况分析

由于刮板输送机和液压支架联接头联接形式等方面的不同，因此联接头往往有多种不同的规格型号。此次以高端液压支架通用的联接头为例对其工作过程中受力情况展开讨论。如下图2所示，为联接头和刮板输送机的主要联接形式。通常会在输送设备上安装单耳子，耳子上存在一斜长孔，联接头和刮板输送设备联接主要为双耳子。图2所示即为联接头在拉架过程中所处的工作状态。而由于工作面底板并不是平整的，刮板输送机向前位移期间的弯曲缘故，会造成液压支架和输送设备之间的无法保持垂直，直接导致拉架期间联接头其中一个耳子由于受到刮板输送机耳子侧向力的影响，该力的大小存在诸多不确定性，此外拉架开始期间对联接头耳子会存在一冲击性的作用，致使联接头耳子的根部存在相当大的集中应力。实际工作过程中该应力会不断的集中并反复作用于耳子根部位置，长此以往势必会造成在耳子的根部产生明显的裂痕，最终导致耳子损坏断裂。这也是最为普遍的造成耳子断裂的原因。下图中1表示输送机、2表示销轴、3表示联接头。

3. 联接头断裂原因分析与优化

通过受力分析可以看出，实际在使用过程中经常会在联接头耳子的根部位置产生一较大的应力，在拉架以及推溜期间，该应力表现为反复出现，最终致使耳子断裂。为了进一步增强耳子根部的强度，在设计过程中可以对该部位进行进一步的加厚处理，但实际在生产制造过程中该位置非常容易产生缩松以及砂眼等问题，一旦热处理不达标，极有可能存在较大的晶粒，因此该工艺也是联接头制造的难点以及易损点，实际产品的合格率不高。

通过一定的设计优化后可以有效改善这一问题，如下图3所示为改进后的方案。基于模拟数值分析，在同等情况下，对改进后的方案以及改进前的方案进行受力分析对比。改进后的联接头在同等的受力情况下，所产生的应力集中情况要明显低于之前的联接头。改进的联接头方案主要是依据在推溜以及拉架期间联接头所产生的应力集中情况，在联接头的销孔内部增加一凸起，并进一步增大两耳之间的距离，使耳子的根部呈向内部凹陷的样式。这样的设计方案可以使得铸件耳子由前往后逐步过渡，且不会出现明显变化的断面的情况，有助于铸造钢水可以顺畅流动。此外可以进一步将耳子根部的圆角扩大，将双耳之间的间距进一步扩大，可以有效降低输送设备耳子给联接头其中一个耳子的侧向作用的影响，并进一步增加了整个联接头的活动范围，减少了蹩卡等情况的出现。

4. 有限元分析

(1)模型构造

通常对于大采高压支架连接头一般选用27SIMn为原材料进行铸造，因此可以依据其弹性模量、泊松比等参数进行模拟构造，并依据受力情况对模型进行简化，对改进前后的联接头在同等条件下进行载荷与边界条件实验。

由分析可得，连接头单侧耳子由于弯矩在耳子根部产生的应力集中是耳子被损坏的根本原因，因此只需对该情况下进行分析即可。基于受力分析不难发现，在拉架以及推溜的整个过程中，推溜力以及拉架力的作用线和连接头耳子侧面存在一角度，而正是因为该角度的存在造成推溜力与拉架力在竖直方向上产生一个分力。通常情况下，拉架力会略高于推溜力，因此选择最大拉架力做为基本载荷。基于数据分析可以得到拉架力和耳子侧面夹角一般为0-7度左右。但实际由于拉架期间存在诸多不确定因素，因此计算式往往按照2倍侧向分力参与分析。该类型的联接头和推杆联接的耳子往往强度较高，抗损害能力更强，此外耳子在整个的工作期间由于推杆的限制，因此该耳子孔的内侧被限制。

(2)结果分析

针对优化前后的耳子施加同等载荷以及边界条件，通过软件分析可以得到。未进行任何优化前联接头耳子的根部位置会存在一个应力，且主要集中在耳子根部的上端，距离耳子根部较远的位置则应力明显较低。优化后的耳子，虽然根部依然会存在较多的应力集中，且主要集中在耳子根部的上端，但实际距离耳子较远的区域也未有出现急剧应力下降等情况。因此可以看出经过优化改进后的耳子其受力情况更为合理，可以更为广泛的应用于日常生产中，耳子出现损坏以及断裂情况得到明显改善，对企业正常生产经营等具有重要意义。

5. 结束语

实际联接头耳子根部的设计并非越厚越好，而是应当存在一个平缓的相对顺畅的过度面，从而可以有效对比相对集中的应力存在，对工件的性能进行有效改善。此外，输送设备耳子上的长孔直接关系到了联接头耳子和刮板输送设备耳子之间的间隙势必更大，不然极有可能出现蹩卡情况;最后如若设计间隙过大则可能造成联接头在实际使用中出现左右剧烈晃动情况，从而引发单耳受力情况。因此实际优化过程中可以在耳子的内侧焊接一贴板或者增加凸台的方式，从而可以避免单耳受力情况的存在，同时也可以大大降低蹩卡情况的发生。

摘要：作为连接液压支架与刮板输送机的核心构件，液压支架连接头在现代采煤工艺推溜以及拉架工序中起到了至关重要的作用。但由于设计结构不合理以及其它方面因素，经常会造成双耳联接头出现严重磨损以及断裂等情况，从而影响正常生产秩序以及生产效率，不利于企业正常运营。常见的连接头主要分为单耳以及双耳两种形式。本文就液压支架双耳链结构的铸造以及板式焊接工艺改良进行探讨，并对优化后的板式双耳连接头特性进行分析。

关键词：液压支架,双耳联接头,结构改进