淺談大采高液壓支架的應用情況及設計難點

馬曉燕（陜煤集團神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西　神木　719300）

淺談大采高液壓支架的應用情況及設計難點

馬曉燕
（陜煤集團神南產(chǎn)業(yè)發(fā)展有限公司，陜西神木719300）

本文介紹了國內(nèi)大采高液壓支架發(fā)展現(xiàn)狀，分析了大采高液壓支架的應用情況及使用中存在問題，分析了特大采高支架的設計技術難點。

液壓支架；大采高；技術難點

一、大采高液壓支架的發(fā)展現(xiàn)狀

液壓支架是煤礦長壁開采工作面的主要設備之一，液壓支架的適應性和可靠性是決定工作面能否高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)的關鍵因素。縱觀國內(nèi)千萬噸級高產(chǎn)高效礦井多數(shù)是在開采厚煤層的條件下實現(xiàn)的。對于5m以上的厚煤層，在適宜的地質(zhì)條件下，采用一次采全高在回采率、安全性等方面較其他采煤工藝有很大優(yōu)勢。當前煤炭市場持續(xù)低迷現(xiàn)狀下，全國多數(shù)煤炭企業(yè)已進入虧損，為提高效益，大采高支架具有更大的市場需求。

近些年來，以神華神東礦區(qū)、陜煤集團神南礦區(qū)為代表的大采高工作面，依靠得天獨厚的厚煤層賦存條件，從2005年開始，國內(nèi)主要液壓支架生產(chǎn)廠家先后研發(fā)成功5m、6.3m和7m大采高支架。推動了國內(nèi)為大采高液壓支架的快速發(fā)展。目前國內(nèi)大采高支架的支護高度已從2007年的5.5m、6.3m提升到7m，工作阻力達到18000kW，中心距2.05m，支護高度7m以上的特大采高、大阻力重型液壓支架的研發(fā)也進入論證階段。在可靠性滿足使用要求的情況下，綜合分析國產(chǎn)大采高支架較進口支架在采購成本、研發(fā)速度、備件供應和售后服務等方面均有較大優(yōu)勢。

二、大采高液壓支架的應用情況

近些年大采高支架在設計、制造和工業(yè)應用等方面有了很大發(fā)展，相比選用進口支架節(jié)約了大量設備采購資金，但從實際使用中看，國產(chǎn)大采高支架在核心技術、可靠性和使用壽命方面與國際水平還有一定的差距，主要表現(xiàn)有以下幾點：

（1）立柱和千斤頂方面

國內(nèi)液壓支架立柱缸筒和導向套耐銹蝕差，缸筒內(nèi)壁普遍在使用1年后出現(xiàn)銹蝕最終導致密封失效，缸筒和導向套維護成本高；另外立柱缸筒材質(zhì)綜合機械性能差，易出現(xiàn)漲缸現(xiàn)象；大缸徑雙伸縮立柱的缸筒和導向套同軸度差，受大偏載力后易變現(xiàn)導致拆解困難；立柱活塞桿鍍層質(zhì)量差，鍍層普遍在立柱循環(huán)6000次左右出現(xiàn)麻點、脫落現(xiàn)象，維護量較大。

（2）結構件方面

底座和頂梁柱窩可靠性差，支架受沖擊后柱窩易開裂，嚴重時底座柱窩出現(xiàn)下陷；支架護板幫易變現(xiàn)損壞、連接耳板易撕裂；伸縮梁和頂梁側(cè)護板易受壓變形導致無法收回；另一方面，大采高支架重量較大，給其安裝、回撤和運輸帶來一定困難。

（3）液控系統(tǒng)方面

大采高支架立柱缸徑現(xiàn)已達到500mm，對大流量液壓閥性能要求較高。國內(nèi)大流量液壓閥上的先導閥加工精度較進口產(chǎn)品低，尤其電磁先導閥故障率高；除個別輔助閥外，高端支架電液控換向閥組和安全閥還依賴進口，使用成本較高。

（4）工藝方面

大型結構件基本滿足使用要求，但使用壽命較進口產(chǎn)品低。在支架底座、頂梁、掩護梁、推拉桿等主要結構件建議推廣應用全長坡口、熔透焊理念和工藝；支架非主體結構件采用角焊縫較多，耐用性差，應增加了焊縫的強度，減少角焊縫，提高結構件的可靠性和使用壽命。

（5）設計合理性方面

大采高支架空間較富裕，在設計時人機工程方面有待提高。應注重考慮井下更換護幫板、推移框架、頂梁上液壓件的便捷性。

三、大采高液壓支架設計難點分析

經(jīng)過近些年的發(fā)展，大采高支架技術已經(jīng)趨于成熟，但為滿足不適宜放頂煤的特厚煤層的開采需要，以神東礦區(qū)為代表的煤炭企業(yè)已開始提出對7米以上超大采高液壓支架的使用需求。對特大采高支架提出的主要技術參數(shù)有：支護高度由現(xiàn)用的7m提高到8m以上，工作阻力25000kN以上，為滿足大缸徑立柱使用，支架中心距由2m提高到2.4m。結合國內(nèi)大采高支架使用情況，對于特大采高支架的設計，分析關鍵技術難點如下：

（1）結構件設計的可靠性方面

國內(nèi)現(xiàn)用支架主要結構件主筋和腹板大多數(shù)采用Q690鋼板，應研究Q890及以上高強鋼板焊接工藝，結構件上增加Q890等100公斤級高強鋼板使用比例，即可提高結構件強度又可降低支架重量；現(xiàn)用國內(nèi)外支架底座柱窩下部結構主要為底板+墊板結構型式（圖1）。對于支架工作阻力在20000kN以上的液壓支架，柱窩附近受力最為集中。在支架伸縮比滿足使用的前提下，建議在底座柱窩下部增加“王“字筋板，采用箱型結構（圖2），通過箱型結構將柱窩上的集中力分散分布，避免個別件應力集中，改善底座柱窩周圍相關件的受力情況，提高底座柱我使用壽命。底座柱窩下部增加箱型結構已在神東礦區(qū)成功應用。

（2）支架穩(wěn)定性分析，包括縱向和橫向

應充分利用仿真軟件優(yōu)化四連桿結構，提高主要鉸接孔的加工精度，減小孔軸間隙，提高支架穩(wěn)定性；伸縮梁、三級護幫、頂梁和掩護梁考慮采用Q890等高強材質(zhì)，降低連桿上部結構件重量，降低支架重心高度；為實時監(jiān)測支架姿態(tài)，建議在支架頂梁、掩護梁和連桿安裝支架傾角傳感器。

（3）特大采高支架立柱直徑可能將達到Φ600mm，應重點研究超長、超大立柱的可靠性、穩(wěn)定性

高可靠性立柱研制應包括：缸筒新材料研發(fā)、密封導向系統(tǒng)優(yōu)化、側(cè)向力優(yōu)化分析、剛度強度優(yōu)化分析和表面防腐處理優(yōu)化。缸內(nèi)內(nèi)壁防腐可考慮采用熔銅工藝、活塞桿表面采用不銹鋼激光熔覆工藝，可避免采用傳統(tǒng)電鍍工藝；缸筒材質(zhì)在現(xiàn)用30CrMnSi的基礎上，可研究選用綜合性能更好的30CrMo材料；導向套由42CrMo改為防腐性能更好的30CrMo；活柱和中缸的活塞部分可考慮采用鐓粗工藝，從根本上改變了活塞部位堆焊易產(chǎn)生氣孔、夾渣及焊接對活塞質(zhì)量影響；大缸徑大壁厚缸筒與缸底常規(guī)坡口焊接的熱影響區(qū)大、熱變形量加劇，建議推廣窄間隙焊接工藝，減小焊接量，縮小熱影響區(qū)，減少熱變形。

（4）支架護幫結構的可靠性研究

國內(nèi)現(xiàn)用大采高支架護板大多數(shù)均設置在伸縮量上（如圖3所示）。從實際使用情況看，該種護板機構結構復雜，護板千斤頂缸徑受限制，一般設計有雙千斤頂，對千斤頂同步性要求高，易導致護幫板耳板撕裂損壞；同時由于護板千斤頂力臂較短，導致護幫板護幫力較小。推薦將護幫機構設置在頂梁上（如圖4），伸縮梁和護板可以單獨操作，系統(tǒng)布置簡潔，護幫力大，同上頂梁空間大，必要時可增大護板千斤頂缸徑。

（5）大流量液壓系統(tǒng)保障方案

特大采高支架立柱和其它千斤頂缸徑較大，為保證跟機拉架速度，需研發(fā)大流量立柱快速供液閥組和大流量立柱液控單向閥，大流量立柱液控單向閥應具有旁路回液功能保證降柱回液速度，可提高支架降-移-升速度；為提高支架主動支撐能力，建議增加立柱下腔旁路增壓裝置；為提高立柱抗沖擊能力，可增加立柱上腔過載保護卸載閥；為保證工作面供液質(zhì)量，推薦采用工作面環(huán)形供液，工作面采用雙進雙回、順槽雙進三回，為降低回液背壓，建議將電纜槽回液管管徑提高到DN89。

（6）人性化設計方面

7m以上大采高支架連桿以上零部件更換困難，可考慮在頂梁上增加維修用人梯掛立位置；護幫、伸縮梁和平衡千斤頂用液壓閥盡量選用管式連接方式，將液壓鎖安裝在連桿位置，便于人員維護；為改善大采高工作面噴霧效果，除頂梁前端噴霧外，建議增加頂梁側(cè)噴霧和掩護梁后噴霧，噴霧可通過支架電控系統(tǒng)與降柱移架聯(lián)動。

四、大采高液壓支架的意義

在當前煤炭行業(yè)持續(xù)下行的背景下，大采高支架的研發(fā)成功對煤炭企業(yè)實現(xiàn)高產(chǎn)高效、安全生產(chǎn)、增加效益有極大的推動作用。同時特大采高液壓支架的研制將帶動重大關鍵技術、前沿性技術和基礎性技術的研究與攻關，主要有：

（1）推動結構件熔透焊接技術和油缸窄間隙焊接技術的發(fā)展。

（2）推動Q890、Q960等高強調(diào)質(zhì)結構鋼用于高端采煤裝備。

（3）推動超長大缸徑立柱材質(zhì)、加工工藝、表面防腐、工裝及檢測裝置的研究。

（4）推動國內(nèi)大流量液壓閥的發(fā)展，包括大流量閥液壓閥的設計、加工、檢測檢驗等。

（5）推動特大采高支架對圍巖和頂板的適應能力與抗沖擊能力課題研究。

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