大工作阻力液壓支架柱帽柱窩損壞處理的研究

李 根

(大同煤礦集團 機電裝備公司，山西 大同 037001)

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·技術經驗·

大工作阻力液壓支架柱帽柱窩損壞處理的研究

李 根

(大同煤礦集團 機電裝備公司，山西 大同 037001)

以ZF13000放頂煤液壓支架頂梁柱帽、底座柱窩發生損壞后的處理方案為例，對抗沖擊柱帽、柱窩結構進行了修復設計，并介紹了各部位的功能和作用、處理過程中的相關關鍵件、立柱行程和外形，以及立柱固定方式方法。實踐證明，該液壓支架修復技術使用效果良好，值得借鑒。

液壓支架；柱帽；柱窩；柱底壓板

1 研究背景及原因

近幾年，隨著煤炭開采技術的大幅度提高，液壓支架向高端化發展，其工作阻力逐步提高。從2006年以來，大同煤礦集團公司首次采用ZF10000型放頂煤液壓支架到ZF15000型放頂煤液壓支架，再到現在ZZ13000一次采全高支撐掩護式液壓支架。甚至在兗礦集團首次開發研究ZY26000一次采全高8.2 m大采高掩護式液壓支架。工作阻力的提高，對相關承壓件的機械性能和力學性能提出了新的要求。經過幾年的探索和研究，頂梁柱帽和底座柱窩基本上形成了合理的結構形式。

但是，在近兩年同煤集團公司內部主力礦井逐步趨于枯竭，綜采延伸成為了必然趨勢，工作面延伸到了450 m以下，工作面壓力和地質條件與前期上覆層采空工作面對比，發生了明顯的變化，礦壓顯現情況越來越劇烈。為了滿足工況條件和設備運輸條件，而設計的液壓支架支護強度已經無法完全滿足礦壓實際需要。在回采過程中容易發生局部來壓劇烈并且沖擊明顯，導致沖擊壓力短暫的超過液壓支架設計支護強度。在大頂來壓的瞬間，由于液壓支架讓壓滯后，給液壓支架結構件帶來破壞性的損傷。

以同煤集團公司某礦ZF13000/25/38型綜放液壓支架為例，在回采工位1 200 m位置時，放煤工藝發生了變化，導致直接頂跟隨上部煤層一塊兒破碎，并且垮塌下來，后部古塘充填系數明顯下降，發生基本頂垮落時，沖擊壓力明顯劇烈，在工作面中部位置的相鄰的液壓支架頂梁柱帽被沖擊壓裂，并且壓力通過立柱傳遞到底座之后，導致底座柱窩壓穿。此時，更換這些中部支架已經變成不可能，根據實際情況，需要考慮工作面內現場采取機械物理方法進行修理維護，一方面提高支架主要受力零件柱帽、柱窩的抗沖擊強度，另一方面還要滿足支架升降高度要求。

2 研究設計內容

1) 新結構抗沖擊柱帽、柱窩設計。

由于原始柱帽、柱窩已經損壞，無法承受壓力，解決壓力如何傳導在液壓支架頂梁、底座的主體上成為了關鍵技術難題，經過研究分析，決定廢棄原有柱帽、柱窩，在其形成的框架結構上部，重新制作安裝一套抗沖擊高強度柱帽、柱窩。

a) 抗沖擊柱帽的設計。

為了提高頂梁的整體剛性，將壓力有效的傳導到頂梁主體上，選用了d100 mm厚度的鋼板作為替代柱帽的主體。并且考慮到頂梁與立柱之間的連接關系，在鋼板上焊接了相應的固定耳座，保持了與原始連接方式相同，見圖1.

1—d100 mm柱帽體 2，3—底部加強十字筋 4—連接立柱的耳板 5，6—加強筋板圖1 柱帽結構示意圖

柱帽體的設計過程中，設計者有意將其面積增大，也就是增加了與支架頂梁體的連接接觸面積，分散了立柱支撐力帶來的比壓集中問題，使主要壓力比較分散的分布在頂梁表面上，這樣在今后的受沖擊過程中避免了壓力集中，比壓太大，給頂梁主體帶來新的損壞。

底部加強十字筋主要是為了提高柱帽體的抗壓強度，它們是由交叉的兩組立板組焊而成，并且在序號2筋板上帶有方便現場更換時吊裝用的吊裝孔。

與立柱連接的耳板組件，其上各有兩孔，分別穿一條小銷軸，一條用于連接柱頭壓塊，另一條用于抵御壓塊旋轉。這部分組件的設計原理遵循了支架原來的固定方式，簡單易拆解，方便井下更換。

b) 柱窩的設計。

由于原始的底座柱窩損壞，無法支撐立柱，也就是說，立柱實際上直接支撐在了工作面底板上，一方面無法順利移架，另一方面不能給頂梁提供有效的支撐力，也就是工作阻力無法滿足。采用d100 mm鋼板作為新結構柱窩的承壓體，通過側板和相關的加強板與底座主體連接，將立柱傳導下來的壓力分布到底座主體上，起到支撐作用，見圖2.

1—d100 mm柱窩體 2，3，4—底部支撐立筋 5，6—連接彎板 7，8—連接附板圖2 柱窩體示意圖

柱窩體設計時必須按照底座柱窩空間的大小進行設計，考慮到底座原始焊縫等因素的影響，該件應與底座主體間單邊留有5 mm以上的間隙，保證現場施工時能夠便于穩裝。該件中部加工一個SRXX的球面凹陷，用于立柱缸底穩定。

底部支撐立筋一方面是加強序號5，6連接彎板的連接強度，另一方面是為了提高柱窩體的抗壓強度。在設計過程中還必須考慮原始舊柱窩高度的影響，所以支撐立筋的高度必須嚴格控制在空間允許范圍內，防止柱窩體受壓時給底座底板帶來二次傷害。

連接彎板是主要的連接受力零件，所以，在設計過程中首先考慮到其強度問題，一般選用強度較高的Q460、Q550鋼板，厚度一般根據原始缸底壓板的厚度相同，約為20 mm或25 mm.

連接附板是在柱窩體穩裝時卡在底座主筋上的一組零件，由于底座內主筋帶有抬底裝置，只能在單側焊接連接附板。在穩裝完成后，連接附板應該與底座主筋焊接。

柱窩強度校核計算：

該工件主要承受立柱壓力，壓力主要由4件立板承受，所以四件立板是該工件的受力薄弱處。按照立板選材為Q460鋼板，其抗拉強度為600 MPa. 單件立板受力斷面215 mm×25 mm.

F=PS=600×215×25×600×4=12 900 kN

雙伸縮立柱的工作阻力為3 250 kN

安全系數要求η≥2.3倍,η=12 900÷3 250=3.97倍

符合使用要求和安全要求。

c) 柱底壓板結構設計。

為了確保立柱安裝后能夠安全固定，在原有壓柱原理的基礎上，結合柱窩體的結構形式，設計了柱底壓板。見圖3.

圖3 柱底壓板示意圖

該件用于鎖緊桃心壓板。水平安裝在柱窩體25 mm×30 mm×190 mm的凹槽內，安裝后，在2-Φ7孔內穿開口銷或者其他漲銷，防止該壓板脫出。內部有立柱外缸卡著圓弧部位，不會發生向內部脫落的現象。

d) 桃心壓板設計。

桃心壓板與液壓支架原始立柱壓板原理相同，小頭圓弧處與立柱缸底上的凹槽吻合，將其壓在柱窩內。其結構見圖4.

桃心壓板在柱窩體穩裝后，放置在中間的槽內，桃心壓板落入槽內后，R25處的圓弧與立柱缸底的耳子部位吻合，將其壓住。由于柱窩體內部空間限制，與柱底壓板配套使用，確保了其不向上跳出，達到了原始立柱穩定效果。

2) 立柱設計。

由于頂梁柱帽和底座柱窩空間位置發生了變化，也就是說連接立柱柱頭和缸底的兩個輔助物位置發生了變化，導致支架的升降范圍發生了變化，為了確保液壓支架原有的升降高度，防止在支架低位使用時被壓死的情況發生，在改變后的空間內實現原有的高度要求，必須將立柱由單伸縮變為雙伸縮，伸縮總行程與原始單伸縮立柱的伸縮行程相同。

圖4 桃心壓板示意圖

而柱頭部位要與頂梁柱帽連接固定，所以柱頭采用原始柱頭尺寸，其球面半徑一般為SR105或者SR100 mm. 缸底必須與原始缸底主要尺寸和形狀相同，但是由于雙伸縮力柱需要開啟中缸底閥，所以在其內部的中心位置設計安裝一個d25 mm的凸臺，用于頂開底閥的開啟頂桿。改造后總裝示意圖見圖5.

圖5 改造后總裝示意圖

3 結 語

該液壓支架修復技術在集團公司幾個大型工作面使用后，取得了比較穩定的效果，其中ZF13000這套支架發生故障后，經過現場處理，又采出700余米，未發生其他故障，后續工作面回采過程中也表現穩定。并且，在其他工作面發生類似設備故障時，也采取了類似技術修復方案，取得了可靠、穩定的效果。這套方案僅在一個工作面中，按照節約生產7個工作日，可以生產原煤5.6～7.7萬t.

[1] 王國法.放頂煤液壓支架與綜采放頂煤技術[M].北京：煤炭工業出版社出版，2010：95-100.

[2] 李俊成.ZF15000/27.5/42型綜放液壓支架特點及使用效果分析[J].采煤技術，2011(5)：57-58.

[3] 魏 鵬.ZF10000/23/35型液壓支架柱帽壓裂原因分析[J].山西焦煤科技，2015(2)：16-18.

[4] 管 杰.單伸縮立柱液壓支架頂梁壓穿的處理方案淺析[J].機械工程師，2016(4)：34-37.

Study on Damage Treatment of Column Cap and Column Nest of Hydraulic Support with Large Working Resistance

LI Gen

The treatment scheme of ZF13000 caving coal hydraulic support roof cap and bottom pillar nest is taken as an example. The design of the impact cylinder cap and the column structure is described, and the function and function of each part are introduced. Of the key parts, column mechanical travel and shape, as well as the column fixed method are also presented. Practice has proved that the use of hydraulic repairing technology is good, worth learning.

Hydraulic support; Column cap; Column nest; Column bottom plate

2017-01-14

李 根(1983—)，男，河北石家莊人，2007年畢業于山西大同大學，工程師，主要從事煤礦機械工藝和設計研究工作

(E-mail)ligenprince@163.com

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1672-0652(2017)03-0032-03