兩柱掩護式液壓支架頂梁平衡限位裝置的分析

劉子奇

（晉能控股煤業集團機電管理部，山西 大同 037000）

引言

兩柱掩護式液壓支架與底座之間通過四連桿相連，與頂梁之間采用平衡千斤頂連接，能夠較好地適應松散不穩定的頂板，具有架型簡單的結構特點、便捷的操作形式、電液控制容易實現等優點，并逐漸發展成為國內外一次性采全高工作面設備的主導架型。然而兩柱掩護式液壓支架在應用過程中其平衡千斤頂容易損壞，安全事故頻發，因此確保平衡千斤頂的安全可靠成為了兩柱式液壓支架的研究重點[1-2]。

1 平衡千斤頂的作用及破壞原因分析

1.1 平衡千斤頂的作用

針對一些中等穩定及不穩定的煤礦巷道頂板工況，為提高液壓支架對其適應性，需根據現場情況調節支架頂梁與頂板之間的作用位置，以調節前者對后者的支撐合力。為保證支架支撐頂板的穩定性，掩護式液壓支架平衡千斤頂、頂梁以及掩護梁之間組成的三腳架形式的穩定性顯得尤為關鍵[3]。在卸載或半卸載工況下，可調整支架平衡千斤頂的拉伸范圍，使頂梁控制在合適的角度，從而使支架達到理想的工作狀態。

1.2 平衡千斤頂的損壞原因

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

1）頂板質量不好，出現破碎狀態。頂梁前端與頂板之間無接觸狀態，故不受力。而頂梁后端與頂板接觸，故受力。矸石充填在掩護梁上部，當頂板來壓時，頂梁后端受力過大，導致平衡千斤頂伸出，當伸出長度大于其自身行程時，頂板壓力繼續增大，導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時，通過由于采煤機采割頂板不平造成的“階梯”狀頂板，僅頂梁后端與頂板接觸，導致頂梁“抬頭”，使平衡千斤頂伸出，當伸出長度大于其自身行程時，導致千斤頂自身被拉斷。

3）供液壓力不足時，導致支架初撐力偏低或沒有接觸頂板，采煤過程中使頂板斷裂線前移，使頂板的斷裂區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大，使頂梁“抬頭”角度過大，甚至與掩護梁成一條直線，則平衡千斤頂受力過大超過自己行程，被拉斷[5]。

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

5）支架參數選擇不對造成本身結構不合理。例如平衡千斤頂參數設計不合理，行程滿足不了要求，拉力過大使活塞桿或導向套被拉出，使平衡千斤頂失效；掩護梁與頂梁間夾角設計過小，采煤時頂梁后端與掩護梁承受頂板壓力過大，使頂梁處于“抬頭”狀態，平衡千斤頂被拉出過大，使其失效。

2 平衡千斤頂以往保護措施分析

為了克服平衡千斤頂的局限性，更好地保護平衡千斤頂，國內外很多廠家設置限位裝置。所謂機械限位裝置，就是為防止支架出現異常工作狀態，或平衡千斤頂行程無法滿足需求時，將限位塊焊接在頂梁與掩護梁連接處，支架頂梁與掩護梁運動到極限狀態時，機械限位塊起作用，保護平衡千斤頂。根據GB 25974.1—2010《礦用液壓支架通用技術條件》規定，支架設計時必須滿足頂梁有一定的俯仰角，即支架在最大高度時，頂梁擺動俯角應不小于15°。在最低極限位置頂升300 mm 時，支架頂梁的最小擺動仰角應大于等于10°。因此，對于兩柱掩護式液壓支架必須設置平衡千斤頂的保護裝置，提高設備工作的穩定性和可靠性。

2.1 頂梁、掩護梁機械限位裝置的設計

為防止支架出現異常工作狀態，在平衡千斤頂行程無法滿足需求時，將限位塊焊接在頂梁與掩護梁鉸接處，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GB25974，支架呈現兩個極限狀態設置限位裝置。

支架在最大高度時，頂梁擺動俯角應不小于15°。為保證該角度，在頂梁或掩護梁上設置限位塊（在此工況下，平衡千斤頂未達到最大行程）。當支架前端受壓達到15°限位角度時，設置的機械限位發生作用，由此避免千斤頂因行程用完繼續受力而被擠壓損壞。應特別注意機械限位塊要有足夠的接觸面積和抗擠壓強度，防止限位塊擠壓變形，繼而失去限位作用。在這種狀態下，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，設計時注意加強此部分的結構強度。因此，此種結構只是被動地保護了平衡千斤頂，不能從根本上解決平衡耳板和鉸接銷軸損壞的問題。

2.2 頂掩機械死點設計

當頂梁的后部頂板與掩護梁的前部發生交匯時，即達到所謂的“機械死點”工作狀態。在此工作狀態下，需保證平衡千斤頂的工作行程未達到極限。為達此目的，需在平衡千斤頂的設計過程中反復驗證，使其在頂梁和掩護梁上處于最佳安裝位置。此種措施目前被廣泛使用。

2.3 液壓控制系統保護裝置的研發

塞洛斯公司研發出一種平衡補償閥，這種裝置的工作原理是通過特制膠管將立柱的下腔和控制口連接在起，以此檢測其腔內壓力。當檢測到的壓力處于10～20 MPa 范圍時，平衡千斤頂下腔的乳化液通過打開的平衡補償閥回到主回管路，這就繞開了平衡雙向鎖，以此調整下腔的供液壓力并使平衡千斤頂的推力得到調整，這樣在一定程度上，頂梁可適應頂板的起伏，保護了平衡千斤頂。但是由于技術不成熟，價格高等原因，此方法還沒有得到推廣。

3 一種新型平衡限位裝置的設計

目前沒有特別好的方案能有效保護平衡千斤頂。現有的保護平衡千斤頂的措施是機械限位，即通過在頂梁或掩護梁上設置限位塊，使頂梁和掩護梁之間的夾角處于一定范圍（在此工況下，平衡千斤頂未達到最大行程），以保證頂梁和底座盡量處于水平狀態。但在該狀況下，聯接頂梁和掩護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，該部位的設計需要加強。由此可見，該方法不能徹底使平衡千斤頂得到保護，只能在一定程度上使其被動得到保護，同時在設計上，又有新的問題需要解決。

所以，在現有結構頂梁與掩護梁上，研發出種新型平衡千斤頂限位裝置。該結構由特制銷軸平衡限位板、頂梁耳板、掩護梁耳板、安全保護鏈組成。平衡限位板是一個類似葫蘆的形狀，上面依次開兩個孔，下面開一個槽。鉆個特制銷軸是在普通的銷軸基礎上車兩道凹槽，如圖1 所示。受到剪切力較大時，就會斷裂。在平衡千斤頂工作時，與掩護梁耳板鉸接的銷軸，在限位裝置槽中運動。當平衡千斤頂受力過大，未超過限位行程時，特制銷軸到達限位板的極限位置，在機械上起一定限位作用，當平衡千斤頂繼續持續受力，特制銷軸受到的剪切力過大而斷裂，此限位裝置就會向立柱方向擺動。擺動時，由于有安全保護連著限位裝置，并不會對人身造成傷害。操作人員看到限位裝置受到破壞并向立柱擺動時，就知道平衡千斤頂受力過大，及時操作操縱閥，以保護平衡千斤頂。

圖1 新型平衡限位裝置示意圖

該結構設計簡單，安全有效。增加了此新型限位裝置，有效地提高了兩柱掩護式支架的可靠性，并且使其適應性更廣。

4 結論

液壓支架是一種井下常用的設備。平衡千斤頂是兩柱掩護式液壓支架的關鍵部件之一，它關系到整個支架的正常使用和操作人員的安全。因此，作為液壓支架最關鍵的部件之一，平衡限位裝置的設計就對設計者提出了更高要求，既要尊重傳統，又要開拓創新；理論分析與實踐相結合，采取特定的設計手段和方法，最終制作出低成本、高可靠、安全、環保、實用性強的液壓支架。