礦用液壓支架底座、側護板結構改進與應用

王再翔

神華神東煤炭集團公司設備管理中心監造組，陜西 榆林 719315

引言

液壓支架在煤礦開采過程中用于控制采煤工作面礦頂的高度，并支撐礦頂，形成一個可移動的井下采煤空間，以便刮板輸送機及采煤機在此空間下作業，同時對作業人員提供安全可靠的空間環境，液壓支架一般占煤炭采掘系統總價值超過五分之三。隨著國內煤炭行業放頂煤加工制造和應用推廣技術的逐步成熟，放頂液壓煤支架在國內煤炭行業的成套使用數量越來越多，區域范圍越來越推廣和擴大；傳統綜放工作面液壓支架架間中心距離是1.5米，神華神東煤炭集團公司綜采工作面液壓支架架間中心距離已經由1.5米增加到1.75米，目前神東煤炭集團公司正在研究和加工制造2.05米中心距的綜放工作面液壓支架，計劃在布爾臺煤礦42104工作面使用。相對于支撐式液壓支架、掩護式液壓支架和支撐掩護式液壓支架，放頂煤液壓支架尾部增加了一部刮板運輸機，相應的增加了后尾梁和插板等設施，配備了拉后溜油缸等附屬設施。綜放工作面安裝好以后架間距離已經相對固定，受架間距的限制相鄰兩臺支架底座下部的間距較小，裝好拉后溜油缸后與底座基本沒有活動空間，而傳統的底座外主筋與底板的搭接結構中底板相對于外主筋向外伸出一段長度，由于工作面在采動推進過程中可能遇到斷層、沖刷帶以及坡度變化等復雜地質構造情況，拉架時抬底，極易因底座與拉后溜油缸干涉而造成拉后溜油缸損壞。要實現不干涉損壞拉后溜油缸，必須去掉底板相對于外主筋向外伸出的部分。神東煤炭集團公司一次采全高的綜工作面液壓支架架間中心距離已經由1.75米增加到2.05米，已經達到一次采7米高度的煤層，在神東公司補連塔煤礦、上灣煤礦和大柳塔煤礦多個工作面成功使用。支護高度增加可以提高煤炭資源回收率和提高單產水平，支架中心距加寬可以減少設備臺數、維護量和故障點減少、提高了生產效率、減輕了工人修理維護強度；由于支護高度、中心距和工作阻力不斷加高、加寬、加大，對結構件的傳統設計結構和焊接工藝也是一個考驗和挑戰，使用過程出現個別附件開焊和裂縫現象，反映出強度和結構不合理的一些問題。針對上述這些現象本人在監造過程中進行認真分析和研究，對支架底座主筋和頂梁、掩護梁的側護板結構形式和焊接工藝進行改進和應用。

1 底座內外主筋與底板結構形式優化改進

1.1 傳統結構形式

傳統液壓支架底座的底板外主筋和底座連接形式為“T”型搭接形式的焊接結構，即為外主筋立在底板上，底板相對于外主筋外伸50～80mm，底板伸出外主筋部分和外主筋之間斜著搭接一個小蓋板（如圖1）。

1.1.1 這種結構形式在綜放和一次采全高的綜采工作面使用中都存在一些問題，底板伸出外主筋部分在使用過程中容易造成損壞、變形，維護和修理特別困難；工作面在回采推進過程中時常會遇到沖刷、地板起伏不平和復雜地質構造變化地帶，液壓支架架與架之間距離會發生變化，架與架靠的距離很近或相互緊貼擠壓情況，液壓支架架與架的底座就會出現相互“踩腳”的情形，也就是底板向外伸出的部分一個會壓住另一個，這樣會造成底座向外伸的底板相互撕拉，就有發生底板與外主筋撕裂情況發生。（如圖2）。

圖1 傳統底座底板和外主筋搭接簡圖

圖2 傳統結構損壞情況

1.1.2 傳統的結構形式在放頂煤工作面，受架間距的限制拉后溜油缸裝好后與底座之間基本沒有活動空間；在使用過程中，由于工作面坡度隨時發生變化，拉架時抬底千斤頂動作支架抬起，拉后溜油缸極易因底座與拉后溜油缸相互干涉擠壓而造成損壞。

1.1.3 傳統的結構形式在綜放工作面推采過程中如遇工作面坡度起伏變化較大時，支架處于下坡狀態、后部刮板機處于上坡狀態時，拉架時抬底千斤頂動作支架抬起同時將拉后溜油缸也抬起一定高度，拉后溜油缸由于兩側底板向外伸出50mm～80mm的約束處于上翹狀態；這種狀況拉后溜油缸工況最為惡劣，這時拉后溜油缸活塞桿伸出工作時將受到扭轉力和剪切力的作用，這時產生兩處支點，一處是外缸與兩側支架向外伸出底板、另一處是活塞桿與導向套內徑安裝密封處；輕則會使活塞桿表面鍍層刮擦損傷（導向套內孔與活塞桿硬摩擦損傷），重則會造成活塞桿彎曲變形的損壞。

1.2 改進后的結構形式

為避免底座不干涉以及不損壞拉后溜油缸，從設計上對結構進行合理優化改進，將底座外主筋和底板的搭接形式改為接近齊縫搭接焊透結構（圖3）；即底座外主筋立在底板外邊沿上、與底板搭接3mm～5mm，這樣，焊接時外主筋與底板內側、外側直接為角焊縫。

1.2.1 這種搭接結構形式在加工制造上：少了底座外主筋要用機器人或在銑床上加工焊接破口作業的工序，減少了機械切割加工工序，減輕了工人勞動強度，節省了能源消耗，提高了生產效率；

1.2.2 這種搭接結構形式減少了原材料使用數量和焊接量，少了外主筋與底板之間的斜向拉筋板，一臺支架底座減少了4條與底座長度方向等長度的焊縫，節約了原材料使用數量、減少了焊絲用量、減輕了工人勞動強度，同時降低了焊接作業人員造成的職業危害，減少了焊接、機械加工和火焰切割對環境的污染和破壞。

圖3 改進后結構簡圖

圖4 改進后結構實物圖

1.2.3 這種結構最大的特點是加強了底座整體強度，外主筋與底板外側為填滿外主筋與底板外側直角搭接的角焊縫，這條焊縫的高度與底板的厚度方向的尺寸是相等的，這條焊縫把底座的底板外主筋與底板結結實實的連接成一個整體，這樣這個部位Z向和X方向的抗拉強度就是外主筋和底板本身鋼材材料的強度等級（圖4）。

1.2.4 改進的結構去掉了底板相對于外主筋的外伸部分，沒有了外主筋與底板之間的斜向拉筋，內側和外側都采用角焊縫焊接，最大限度地保證了連接強度。

1.3.改進結構相對于傳統結構的優點

1.3.1 該結構去掉了底板相對于外主筋的外伸部分，最大限度地給與了拉后溜油缸的活動空間，減少了拉后溜油缸因為底座的動作而受到干涉損壞的風險；減少了拉后溜油缸的維護量，節省了開支、降低煤礦作業工人的勞動強度。

1.3.2 新設計增強了對底板的Z向抗拉強度，該結構具有最優的抗層狀撕裂性能（該焊縫形式不會一起較大的бz，不致引起層狀撕裂），而傳統的結構為T型接頭結構，開坡口焊接，層狀撕裂傾向較大。

1.3.3 該設計縮小了底板的外形尺寸去掉了外側的小蓋板，節省材料，且不需要開坡口下料工序簡單；焊接時焊接量小焊接質量容易控制。

1.4 改進后的使用情況

1.4.1 放頂煤液壓支架底座外主筋與底板連接改進后的結構，已經在鄭州四維機電設備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架和鄭州煤礦機械集團股份有限公司為神東煤炭集團公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架中得到推廣使用。其中鄭州四維機電設備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架在神東布爾臺礦42103綜放工作面使用1年多，已經采煤883萬噸左右，沒有發生因為抬底動作而產生的拉后溜油缸損壞，使用效果良好。鄭州煤礦機械集團股份有限公司為神東煤炭集團公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架神東黃玉川煤礦綜放工作面已經使用半年左右，已經采煤365萬噸左右，沒有發生因為抬底動作而產生的拉后溜油缸損壞，使用效果良好。

1.4.2 這種結構在放頂煤液壓支架初次應用后，由于效果較好，已經在煤礦常用的支撐掩護式液壓支架底座上得到推廣應用；目前已經在鄭州煤礦機械集團股份有限公司為神東煤炭集團公司加工制造的ZY12000/20/40D型和ZY12000/25/50D等2套液壓支架中得到推廣使用，這兩套支架已經于2012年2月份、2012年9月分別在神東公司上灣礦12上301面、12上303面和大柳塔礦活井12313面使用，過煤量分別是733萬噸和942萬噸，使用效果良好。同時在四川神坤裝備股份有限公司為神東煤炭集團公司加工制造的ZYG12000/18/35D型液壓支架中得到推廣使用，該套支架已經于2013年4月份在神東公司石圪臺煤礦22304綜采工作面使用，截止2013年7月已經推采860米左右，過煤量107萬噸。

2 頂梁側護板結構形式改進和應用

2.1 側護板的種類

頂梁和掩護梁的側護板有兩種：一種是一側固定另一側活動的側護板，由于固定側護板與梁體焊接在一起，可節省原梁體的側板，既節省材料又可加固梁體。但當改換工作面開采方向時，活動側護板便位于傾斜方向的上方，對調梁、防倒等帶來不便，所以很少采用。另一種是兩側皆為活動側護板；這種側護板可以適應工作面開采方向變化的要求，有利于防倒和調架；兩側皆為活動側護板是側護板在頂梁的外側，在頂梁上加焊一塊頂板，可克服側護板被冒落矸石壓住，影響側護板的伸縮，但支架承受偏載時，側護板裝置受力很大。

2.2 側護板尺寸確定

2.2.1 頂梁側護板的側向寬度，按支架升降高度和推移步距來確定。即：考慮到當一架升起，另一架降柱時，要保證相鄰兩支架間側護板不脫離接觸。同時考慮到支架降柱后要前移，為防止頂梁后部側護板脫離接觸，頂梁側護板后部要加寬，加寬的長度一般為從頂梁后部起大于一個步距，神東一般選擇即大于1000mm。

2.2.2 掩護梁側護板的側面寬度，主要考慮移架步距，一般比一個步距大100mm，神東礦區的推移步距一般是865mm和1000mm兩種，側板寬度一版大于1100mm。當一架固定，另一架前移時，兩架之間能封閉，同時又考慮到降架前移時，原不動的掩護梁側護板下部不致脫開，所以掩護梁側護板下部要加寬。

2.2.3 頂梁和掩護梁側護板的頂面寬度，與活動側護板的行程有關，由兩臺相鄰支架的架間距離確定，神東礦區的側護伸縮量一般是205mm，頂面寬度一般大于210 mm。

2.2.4 頂梁和掩護梁側護板的連接，在考慮動作靈活可靠的情況下，應盡量減少間隙，加強密封性。

2.3 神東公司側護板的選擇

神東公司液壓支架全部為兩側皆為活動的側護板結構形式，煤機廠加工制造時頂梁、掩護梁都是左右對稱結構，出廠時煤機廠根據神東配套工作面實際需要將一側安裝成固定的、另一側活動；固定側的側護板與梁體用銷、耳連接固定在一起，活動側護板通過彈簧筒和側推千斤頂與梁體連接，以保證活動側護板與鄰架的固定側護板靠緊，加強密封性能防漏。側護板（活動）還可用來調架，起防倒的作用。

2.4 神東公司側護板使用情況

神東集團公司自2004年本土化加工制造液壓支架以來，側護板的基本沿用國內傳統結構形式（如圖5），由于神東礦區在采高、架寬、工作阻力、推移步距以及開采強度等方面都有大幅度的提升和加強，極其考驗設備的質量、性能和可靠性。使用中已經有多套支架發生過頂側焊縫開裂現象，例如首套7米支架大采高在使用一年后就產生側板焊縫開裂現象，其他4米、4.5米、5米等支架也陸續出現側板焊縫開裂現象。其主要原因是側板結構不能滿足高強度、超大采高液壓支架需求，同時國內煤機制造廠家對輔件加工管理不夠重視，在焊接時不能夠做到側板、頂面板焊縫完全平齊，忽視了對焊接質量缺陷的控制，在使用中焊縫和頂面側成了主要受力部位，頻繁承受頂板來壓或較大的集中載荷而產生疲勞開裂。為保頂梁側護板的可靠性，解決側護板開裂造成淋水、漏矸帶來的安全隱患，處理開裂失效問題是非常麻煩的事情，在監造過程中從滿足礦井實際使用需求著手，設計時在結構上改進了頂梁側護板的傳統形式。

2.5 側護板結構形式的改進和應用

傳統的頂梁側護板結構是頂面板靠著側板，改進后的結構是頂板壓著側板（如圖6），在承受來自頂板的壓力時，受力部位為整個頂面板，側板和焊縫不直接承受壓力從而有效地保護了焊縫；焊縫側邊為一個斜邊，能夠有效地減少受力，從而提高了頂側的整體可靠性。

圖5 傳統結構形式簡圖

圖6 改進后結構形式簡圖

2.6 改進后的使用情況

2.6.1 側護板損壞繼續使用存在安全隱患，影響生產效率和煤質，在井下維修困難，修理需要使用火割和補焊，容易引發安全事故。本人對更換費用進行跟蹤測算，一套支架（185臺）更換一遍側護板需要話費110多萬元，且費時費力。

2.6.2 改進設計后從根本上避免了頂側開焊的缺陷，不僅減輕了工人的勞動強度，而且節省了維修費用，還在一定程度上避免了安全隱患及事故的發生。截至2013年7月份神東已經有8套新加工支架采用了此結構，為公司節省費用近千萬元；使用時間最長達到16個月、過煤量1200萬噸。

3 結語

3.1 根據采面地質及壓力顯現情況，結合采高、工作阻力、頂板性完整等情況，選擇合適的結構形式和加工制造工藝流程。

3.2 研究受力結構和材料性能，科學合理進行零部件設計。

3.3 加工制造控制焊接質量和缺陷檢測。

3.4 改進后的底座外主筋和底板搭接形式比傳統的搭接形式在保護拉后溜油缸、提高對底板的Z向抗拉強度、材料使用量、下料和焊接難易度及焊接質量控制等方面有明顯的優勢，具有廣泛的推廣應用價值。