摘要：针对国内液压支架存在的结构设计问题，改进液压支架结构设计，提高结构设计的合理性，改善工艺性能，减少高强板用量，提高材料利用率，以节约企业生产成本。
关键词：液压支架；结构；合理性
1液压支架结构改进思路
液压支架强度设计必须达到或者超过《液压支架设计规范》的要求，还有以下一些值得改进的方面：①优化结构设计，改善工艺性能在满足强度要求的前提下，使结构设计更简单，生产过程更容易实现，设计要求更容易满足；②优化结构设计，合理选材在保证强度要求的前提下，降低高强度板材的使用量，为企业降低生产成本，为国家节约资源；③优化结构设计，提高材料利用率在结构设计中要尽可能提高材料利用率，在为企业降低成本的同时也为国家节约资源。
2液压支架结构改进设计
（1）改进结构设计，改善结构工艺性能在保证强度要求的前提下，通过改变结构设计，可以大大改善工艺性能，提高生产效率，同时很容易达到设计要求。下面以薄煤层液压支架ZY3000/07/14掩护式支架顶梁为例，说明改善结构设计对提高工艺性的影响。ZY3000/07/14顶梁前端原设计方案如图1所示。4根主肋贯通顶梁，危险断面使用了较厚的钢板，靠近前端又使用了较薄的板材。强度能满足要求，支架重量尤其是前端重量也不会增加。对于中厚煤层液压支架，该设计是合理的。但该结构设计用在薄煤层液压支架的顶梁上，就有必要进行改进。薄煤层支架的特点决定了顶梁在满足强度要求的前提下，顶梁和底座尽可能薄（尤其是前端），以便给工作人员提供尽可能大的操作空间。所以该矿要求距离顶梁前端1520mm处厚度100mm是合理的，但是如何控制顶梁的变形成为了一个难题。按上述设计顶梁样机生产出来后，尽管在焊接工艺上采取了一些措施，但宽度方向和长度方向变形都较大，尤其是长度方向，上翘量35mm，无法满足设计要求。为了改善焊接工艺性，将顶梁前部结构改进，如图2所示。其改进方向是减少焊缝数量和长度来降低焊接变形。该结构在以下方面进行了改进：①将边肋适当加强，缩短两侧主肋，这样可以减少纵向焊缝6630mm；②将盖板设计为一个整体并在适当位置加强，这样就减少了横向焊缝5620mm；③同时将非受力焊缝（主要是横肋焊缝）尽量减小；④为了保证盖板强度要求，不增加支架重量和焊缝数量，将盖板进行了特殊设计。通过这样改进后，经过计算，安全系数降低了0.023，仍在设计要求的范围内。但焊缝数量减少后，焊接变形得到有效控制，工艺性得到很大改善，生产出来的产品完全满足设计要求。由此可见，通过合理的改变结构形式，对改善工艺性能的影响是很大的。
（2）改进结构设计，减少高强度板的使用量改变结构设计除了可以改善工艺性能之外，对于减少高强度板的使用，提高安全性能也有很好的效果。下面还是结合实际生产中遇到的问题，讨论有关通过改变结构设计降低高强度板使用量并提高安全性能的问题。某工作阻力为7200kN液压支架的顶梁柱帽 所在断面结构如图3所示。该顶梁设计顶板厚度为20mm，盖板厚度为16mm，主肋厚度为30mm。柱帽所在断面因为要连接立柱而导致两侧不能形成封闭的箱体，因而是顶梁受力最危险的断面。该设计中，为了加强该断面，柱帽底部增加了垫板，主肋增加了贴板1和贴板2。按照该结构设计，根据MT312-2000《液压支架压架试验规范》要求计算，各块板材在该断面的最大应力值如图4所示。从图4可以看出，主肋的应力值最大，达到469.4MPa。因此，贴板1、贴板2和主肋、盖板都应当选用Q550。主肋安全系数为1.17。其余板材全部可以使用Q345，安全系数都大于1.17，基本能达到MT/T556-1996《液压支架设计规范》要求。该支架顶梁实际选材情况：除了柱帽为ZG30Cr06外，全部为Q550。虽然设计强度满足要求，但一些零件板材用Q345就足够了，选用Q550就造成企业生产成本增加，同时也造成了资源的浪费。主肋应力值最大，而小顶板的应力值较小。其原因是小顶板离断面形心较近而主肋边沿离断面的形心最远。如果形心位置更接近于高度方向的中部，则上主肋应力值将降低，小顶板应力值将增大，即二者的应力值接近。由于受结构影响，柱帽断面没有盖板，造成断面形心位置偏向顶板一侧较多。所以，改进目标应该是改变结构，尽可能将形心位置向盖板一侧移动，提高顶板一侧应力值而减小盖板一侧应力值。根据这个思路，将该断面进行改进设计：将柱帽处的垫板和主肋上的贴板取消，在盖板上再增加一块16mm的盖板（双层盖板），同时将主肋厚度由30mm改为25mm（甚至可以改为20mm），改进后的结构中各板的应力值计算结果如图5所示。从图5可以看出，主肋和上盖板应力值最大，为439.6MPa，板材选Q550，安全系数为1.25。下盖板也选Q550，顶板采用Q345即可，最上端的小顶板选用Q460，这样安全系数均高于主肋和上盖板。从结果来看，主肋厚度减薄了，取消了几处贴板（增加了一处较薄的盖板），减轻了质量，减少了高强度板材Q550用量，简化了生产工艺，降低了生产成本，但安全系数却从1.17提高到了1.25。对比图4、图5就可以看出，经过改进优化设计，形心位置移向盖板一侧（大约偏移了12mm），小顶板和顶板的应力值增大了，盖板的应力值降低了，结构更合理了。经过优化设计后的支架，高强度板Q550使用量由原来的约8000kg降低到约5000kg，总质量可减少约3000kg。在为生产企业降低生产成本的同时，也可为矿方减少数百万元的投入，还为国家节约了资源。由此可见合理结构设计的重要性。
（3）改进结构设计，提高材料利用率下面还是以生产中的实例来说明。某型2800kN掩护式液压支架顶梁和底座结构如图6所示。该设计有2个特点：①将受力小的部位尽量减薄，以尽可能减轻支架质量，为矿方节约成本；②在人行道位置尽可能减少顶梁和底座高度，为矿方生产工人提供尽可能宽阔的操作空间。但也存在以下问题：①顶梁、底座主肋和顶梁侧护板形状复杂，切割下料过程中变形比较大（尤其是薄煤层支架主肋厚度较薄），下料后校平校正难度大；②顶梁和底座本身厚度薄（尤其是顶梁），加上厚度变化大，焊接过程中焊接变形大，难以控制；③顶梁和底座主肋以及顶梁侧护板材料利用率较低，企业生产成本加大。改进该设计可以从以下两方面入手：①适当减少顶梁与掩护梁铰接孔尺寸以降低顶梁主肋头部尺寸（从实际计算来看，铰接孔尺寸偏大），使顶梁主肋厚度减小；②将立柱铰接部位适当后移，使支架更加紧凑，并将箱体降低，采用中部贴板的方式加强该断面强度。改进后可以将顶梁主肋宽度方向减小，提高材料利用率，减小顶梁主肋切割变形和顶梁焊接变形。底座也可采取类似措施进行改进，同时，可以考虑采用单通道设计，即将人行通道设计在底座前端，这样设计有以下优点：①支架结构更加紧凑，质量可以减小；②充分利用支架顶梁和底座前端都比较薄的特点，使人行通道空间更加宽敞，更便于工人操作。改进后的结构如图7所示。经过计算，不论强度还是其他方面都完全满足使用要求。通过改进后该支架的质量还有减轻空间，在为矿方降低投入的同时，提高了材料利用率，降低了企业生产成本，结构工艺性也得到了改善。
3结语
改进液压支架结构需要从各方面综合考虑，在改善某一方面的同时，也使整体性能得到全面改善。所以需要设计者多动脑筋，真正做到结构设计合理，安全可靠，并降低企业生产成本。
作者:史根军 单位:天地宁夏支护装备有限公司
