兩柱掩護(hù)式液壓支架頂梁平衡限位裝置的分析

劉子奇

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)機(jī)電管理部，山西 大同 037000）

引言

兩柱掩護(hù)式液壓支架與底座之間通過(guò)四連桿相連，與頂梁之間采用平衡千斤頂連接，能夠較好地適應(yīng)松散不穩(wěn)定的頂板，具有架型簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、便捷的操作形式、電液控制容易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，并逐漸發(fā)展成為國(guó)內(nèi)外一次性采全高工作面設(shè)備的主導(dǎo)架型。然而兩柱掩護(hù)式液壓支架在應(yīng)用過(guò)程中其平衡千斤頂容易損壞，安全事故頻發(fā)，因此確保平衡千斤頂?shù)陌踩煽砍蔀榱藘芍揭簤褐Ъ艿难芯恐攸c(diǎn)[1-2]。

1 平衡千斤頂?shù)淖饔眉捌茐脑蚍治?/h2>

1.1 平衡千斤頂?shù)淖饔?/h3>

針對(duì)一些中等穩(wěn)定及不穩(wěn)定的煤礦巷道頂板工況，為提高液壓支架對(duì)其適應(yīng)性，需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)節(jié)支架頂梁與頂板之間的作用位置，以調(diào)節(jié)前者對(duì)后者的支撐合力。為保證支架支撐頂板的穩(wěn)定性，掩護(hù)式液壓支架平衡千斤頂、頂梁以及掩護(hù)梁之間組成的三腳架形式的穩(wěn)定性顯得尤為關(guān)鍵[3]。在卸載或半卸載工況下，可調(diào)整支架平衡千斤頂?shù)睦旆秶鬼斄嚎刂圃诤线m的角度，從而使支架達(dá)到理想的工作狀態(tài)。

1.2 平衡千斤頂?shù)膿p壞原因

作為只能機(jī)械地調(diào)整或調(diào)平頂梁的部件，平衡千斤頂有一定的工作局限性，在極惡劣的工況下，其工作阻力可能無(wú)法達(dá)到控制頂梁的狀態(tài)，從而造成平衡千斤頂工作失效狀況的發(fā)生。兩柱掩護(hù)式支架平衡千斤頂損壞的情況大致分為以下幾種：

1）頂板質(zhì)量不好，出現(xiàn)破碎狀態(tài)。頂梁前端與頂板之間無(wú)接觸狀態(tài)，故不受力。而頂梁后端與頂板接觸，故受力。矸石充填在掩護(hù)梁上部，當(dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，頂梁后端受力過(guò)大，導(dǎo)致平衡千斤頂伸出，當(dāng)伸出長(zhǎng)度大于其自身行程時(shí)，頂板壓力繼續(xù)增大，導(dǎo)致千斤頂自身被拉斷或是與其鉸接的平衡耳板斷裂[4]。

2）支架在工作面采煤狀態(tài)時(shí)，通過(guò)由于采煤機(jī)采割頂板不平造成的“階梯”狀頂板，僅頂梁后端與頂板接觸，導(dǎo)致頂梁“抬頭”，使平衡千斤頂伸出，當(dāng)伸出長(zhǎng)度大于其自身行程時(shí)，導(dǎo)致千斤頂自身被拉斷。

3）供液壓力不足時(shí)，導(dǎo)致支架初撐力偏低或沒(méi)有接觸頂板，采煤過(guò)程中使頂板斷裂線前移，使頂板的斷裂區(qū)域前移至煤壁前方或是頂板整體逐漸下沉。由于頂板自身重力過(guò)大，使頂梁“抬頭”角度過(guò)大，甚至與掩護(hù)梁成一條直線，則平衡千斤頂受力過(guò)大超過(guò)自己行程，被拉斷[5]。

4）人工誤操作。操縱操縱閥時(shí)，立柱下腔供液使立柱上升時(shí)，千斤頂也處于拉伸狀態(tài)，使支架頂梁一直處于“抬頭”狀態(tài)。若頂板周期來(lái)壓，就會(huì)造成平衡千斤頂失效。

5）支架參數(shù)選擇不對(duì)造成本身結(jié)構(gòu)不合理。例如平衡千斤頂參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，行程滿足不了要求，拉力過(guò)大使活塞桿或?qū)蛱妆焕觯蛊胶馇Ы镯斒В谎谧o(hù)梁與頂梁間夾角設(shè)計(jì)過(guò)小，采煤時(shí)頂梁后端與掩護(hù)梁承受頂板壓力過(guò)大，使頂梁處于“抬頭”狀態(tài)，平衡千斤頂被拉出過(guò)大，使其失效。

2 平衡千斤頂以往保護(hù)措施分析

為了克服平衡千斤頂?shù)木窒扌裕玫乇Ｗo(hù)平衡千斤頂，國(guó)內(nèi)外很多廠家設(shè)置限位裝置。所謂機(jī)械限位裝置，就是為防止支架出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，或平衡千斤頂行程無(wú)法滿足需求時(shí)，將限位塊焊接在頂梁與掩護(hù)梁連接處，支架頂梁與掩護(hù)梁運(yùn)動(dòng)到極限狀態(tài)時(shí)，機(jī)械限位塊起作用，保護(hù)平衡千斤頂。根據(jù)GB 25974.1—2010《礦用液壓支架通用技術(shù)條件》規(guī)定，支架設(shè)計(jì)時(shí)必須滿足頂梁有一定的俯仰角，即支架在最大高度時(shí)，頂梁擺動(dòng)俯角應(yīng)不小于15°。在最低極限位置頂升300 mm 時(shí)，支架頂梁的最小擺動(dòng)仰角應(yīng)大于等于10°。因此，對(duì)于兩柱掩護(hù)式液壓支架必須設(shè)置平衡千斤頂?shù)谋Ｗo(hù)裝置，提高設(shè)備工作的穩(wěn)定性和可靠性。

2.1 頂梁、掩護(hù)梁機(jī)械限位裝置的設(shè)計(jì)

為防止支架出現(xiàn)異常工作狀態(tài)，在平衡千斤頂行程無(wú)法滿足需求時(shí)，將限位塊焊接在頂梁與掩護(hù)梁鉸接處，以此防止平衡千斤頂失效。該狀況下，連接頂梁和掩護(hù)梁的鉸接銷軸所承受的彎矩和剪力較大，與其鉸接的平衡耳板所受到的壓力和彎矩也較大。根據(jù)GB25974，支架呈現(xiàn)兩個(gè)極限狀態(tài)設(shè)置限位裝置。

支架在最大高度時(shí)，頂梁擺動(dòng)俯角應(yīng)不小于15°。為保證該角度，在頂梁或掩護(hù)梁上設(shè)置限位塊（在此工況下，平衡千斤頂未達(dá)到最大行程）。當(dāng)支架前端受壓達(dá)到15°限位角度時(shí)，設(shè)置的機(jī)械限位發(fā)生作用，由此避免千斤頂因行程用完繼續(xù)受力而被擠壓損壞。應(yīng)特別注意機(jī)械限位塊要有足夠的接觸面積和抗擠壓強(qiáng)度，防止限位塊擠壓變形，繼而失去限位作用。在這種狀態(tài)下，平衡千斤頂行程仍有余量，但是與其鉸接的耳板承受較大的剪力和彎矩，設(shè)計(jì)時(shí)注意加強(qiáng)此部分的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。因此，此種結(jié)構(gòu)只是被動(dòng)地保護(hù)了平衡千斤頂，不能從根本上解決平衡耳板和鉸接銷軸損壞的問(wèn)題。

2.2 頂掩機(jī)械死點(diǎn)設(shè)計(jì)

當(dāng)頂梁的后部頂板與掩護(hù)梁的前部發(fā)生交匯時(shí)，即達(dá)到所謂的“機(jī)械死點(diǎn)”工作狀態(tài)。在此工作狀態(tài)下，需保證平衡千斤頂?shù)墓ぷ餍谐涛催_(dá)到極限。為達(dá)此目的，需在平衡千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)過(guò)程中反復(fù)驗(yàn)證，使其在頂梁和掩護(hù)梁上處于最佳安裝位置。此種措施目前被廣泛使用。

2.3 液壓控制系統(tǒng)保護(hù)裝置的研發(fā)

塞洛斯公司研發(fā)出一種平衡補(bǔ)償閥，這種裝置的工作原理是通過(guò)特制膠管將立柱的下腔和控制口連接在起，以此檢測(cè)其腔內(nèi)壓力。當(dāng)檢測(cè)到的壓力處于10～20 MPa 范圍時(shí)，平衡千斤頂下腔的乳化液通過(guò)打開的平衡補(bǔ)償閥回到主回管路，這就繞開了平衡雙向鎖，以此調(diào)整下腔的供液壓力并使平衡千斤頂?shù)耐屏Φ玫秸{(diào)整，這樣在一定程度上，頂梁可適應(yīng)頂板的起伏，保護(hù)了平衡千斤頂。但是由于技術(shù)不成熟，價(jià)格高等原因，此方法還沒(méi)有得到推廣。

3 一種新型平衡限位裝置的設(shè)計(jì)

目前沒(méi)有特別好的方案能有效保護(hù)平衡千斤頂。現(xiàn)有的保護(hù)平衡千斤頂?shù)拇胧┦菣C(jī)械限位，即通過(guò)在頂梁或掩護(hù)梁上設(shè)置限位塊，使頂梁和掩護(hù)梁之間的夾角處于一定范圍（在此工況下，平衡千斤頂未達(dá)到最大行程），以保證頂梁和底座盡量處于水平狀態(tài)。但在該狀況下，聯(lián)接頂梁和掩護(hù)梁的鉸接銷軸所承受的彎矩和剪力較大，與平衡千斤頂鉸接的平衡耳板所受到的壓力和彎矩也較大，因此，該部位的設(shè)計(jì)需要加強(qiáng)。由此可見，該方法不能徹底使平衡千斤頂?shù)玫奖Ｗo(hù)，只能在一定程度上使其被動(dòng)得到保護(hù)，同時(shí)在設(shè)計(jì)上，又有新的問(wèn)題需要解決。

所以，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)頂梁與掩護(hù)梁上，研發(fā)出種新型平衡千斤頂限位裝置。該結(jié)構(gòu)由特制銷軸平衡限位板、頂梁耳板、掩護(hù)梁耳板、安全保護(hù)鏈組成。平衡限位板是一個(gè)類似葫蘆的形狀，上面依次開兩個(gè)孔，下面開一個(gè)槽。鉆個(gè)特制銷軸是在普通的銷軸基礎(chǔ)上車兩道凹槽，如圖1 所示。受到剪切力較大時(shí)，就會(huì)斷裂。在平衡千斤頂工作時(shí)，與掩護(hù)梁耳板鉸接的銷軸，在限位裝置槽中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)平衡千斤頂受力過(guò)大，未超過(guò)限位行程時(shí)，特制銷軸到達(dá)限位板的極限位置，在機(jī)械上起一定限位作用，當(dāng)平衡千斤頂繼續(xù)持續(xù)受力，特制銷軸受到的剪切力過(guò)大而斷裂，此限位裝置就會(huì)向立柱方向擺動(dòng)。擺動(dòng)時(shí)，由于有安全保護(hù)連著限位裝置，并不會(huì)對(duì)人身造成傷害。操作人員看到限位裝置受到破壞并向立柱擺動(dòng)時(shí)，就知道平衡千斤頂受力過(guò)大，及時(shí)操作操縱閥，以保護(hù)平衡千斤頂。

圖1 新型平衡限位裝置示意圖

該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，安全有效。增加了此新型限位裝置，有效地提高了兩柱掩護(hù)式支架的可靠性，并且使其適應(yīng)性更廣。

4 結(jié)論

液壓支架是一種井下常用的設(shè)備。平衡千斤頂是兩柱掩護(hù)式液壓支架的關(guān)鍵部件之一，它關(guān)系到整個(gè)支架的正常使用和操作人員的安全。因此，作為液壓支架最關(guān)鍵的部件之一，平衡限位裝置的設(shè)計(jì)就對(duì)設(shè)計(jì)者提出了更高要求，既要尊重傳統(tǒng)，又要開拓創(chuàng)新；理論分析與實(shí)踐相結(jié)合，采取特定的設(shè)計(jì)手段和方法，最終制作出低成本、高可靠、安全、環(huán)保、實(shí)用性強(qiáng)的液壓支架。