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(tuán) 機(jī)電裝備公司，山西 大同 037001)

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·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

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(tuán) 機(jī)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(fā)生損壞后的處理方案為例，對(duì)抗沖擊柱帽、柱窩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了修復(fù)設(shè)計(jì)，并介紹了各部位的功能和作用、處理過程中的相關(guān)關(guān)鍵件、立柱行程和外形，以及立柱固定方式方法。實(shí)踐證明，該液壓支架修復(fù)技術(shù)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(shù)的大幅度提高，液壓支架向高端化發(fā)展，其工作阻力逐步提高。從2006年以來，大同煤礦集團(tuán)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(xiàn)在ZZ13000一次采全高支撐掩護(hù)式液壓支架。甚至在兗礦集團(tuán)首次開發(fā)研究ZY26000一次采全高8.2 m大采高掩護(hù)式液壓支架。工作阻力的提高，對(duì)相關(guān)承壓件的機(jī)械性能和力學(xué)性能提出了新的要求。經(jīng)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(jié)構(gòu)形式。

但是，在近兩年同煤集團(tuán)公司內(nèi)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(zhì)條件與前期上覆層采空工作面對(duì)比，發(fā)生了明顯的變化，礦壓顯現(xiàn)情況越來越劇烈。為了滿足工況條件和設(shè)備運(yùn)輸條件，而設(shè)計(jì)的液壓支架支護(hù)強(qiáng)度已經(jīng)無法完全滿足礦壓實(shí)際需要。在回采過程中容易發(fā)生局部來壓劇烈并且沖擊明顯，導(dǎo)致沖擊壓力短暫的超過液壓支架設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)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(jié)構(gòu)件帶來破壞性的損傷。

以同煤集團(tuán)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(shí)，放煤工藝發(fā)生了變化，導(dǎo)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(shù)明顯下降，發(fā)生基本頂垮落時(shí)，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(dǎo)致底座柱窩壓穿。此時(shí)，更換這些中部支架已經(jīng)變成不可能，根據(jù)實(shí)際情況，需要考慮工作面內(nèi)現(xiàn)場采取機(jī)械物理方法進(jìn)行修理維護(hù)，一方面提高支架主要受力零件柱帽、柱窩的抗沖擊強(qiáng)度，另一方面還要滿足支架升降高度要求。

2 研究設(shè)計(jì)內(nèi)容

1) 新結(jié)構(gòu)抗沖擊柱帽、柱窩設(shè)計(jì)。

由于原始柱帽、柱窩已經(jīng)損壞，無法承受壓力，解決壓力如何傳導(dǎo)在液壓支架頂梁、底座的主體上成為了關(guān)鍵技術(shù)難題，經(jīng)過研究分析，決定廢棄原有柱帽、柱窩，在其形成的框架結(jié)構(gòu)上部，重新制作安裝一套抗沖擊高強(qiáng)度柱帽、柱窩。

a) 抗沖擊柱帽的設(shè)計(jì)。

為了提高頂梁的整體剛性，將壓力有效的傳導(dǎo)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(guān)系，在鋼板上焊接了相應(yīng)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(qiáng)十字筋 4—連接立柱的耳板 5，6—加強(qiáng)筋板圖1 柱帽結(jié)構(gòu)示意圖

柱帽體的設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)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(qiáng)十字筋主要是為了提高柱帽體的抗壓強(qiáng)度，它們是由交叉的兩組立板組焊而成，并且在序號(hào)2筋板上帶有方便現(xiàn)場更換時(shí)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(zhuǎn)。這部分組件的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。

由于原始的底座柱窩損壞，無法支撐立柱，也就是說，立柱實(shí)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(jié)構(gòu)柱窩的承壓體，通過側(cè)板和相關(guān)的加強(qiáng)板與底座主體連接，將立柱傳導(dǎo)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(shè)計(jì)時(shí)必須按照底座柱窩空間的大小進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮到底座原始焊縫等因素的影響，該件應(yīng)與底座主體間單邊留有5 mm以上的間隙，保證現(xiàn)場施工時(shí)能夠便于穩(wěn)裝。該件中部加工一個(gè)SRXX的球面凹陷，用于立柱缸底穩(wěn)定。

底部支撐立筋一方面是加強(qiáng)序號(hào)5，6連接彎板的連接強(qiáng)度，另一方面是為了提高柱窩體的抗壓強(qiáng)度。在設(shè)計(jì)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(yán)格控制在空間允許范圍內(nèi)，防止柱窩體受壓時(shí)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(shè)計(jì)過程中首先考慮到其強(qiáng)度問題，一般選用強(qiáng)度較高的Q460、Q550鋼板，厚度一般根據(jù)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(wěn)裝時(shí)卡在底座主筋上的一組零件，由于底座內(nèi)主筋帶有抬底裝置，只能在單側(cè)焊接連接附板。在穩(wěn)裝完成后，連接附板應(yīng)該與底座主筋焊接。

柱窩強(qiáng)度校核計(jì)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(qiáng)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(shù)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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(chǔ)上，結(jié)合柱窩體的結(jié)構(gòu)形式，設(shè)計(jì)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(nèi)，安裝后，在2-Φ7孔內(nèi)穿開口銷或者其他漲銷，防止該壓板脫出。內(nèi)部有立柱外缸卡著圓弧部位，不會(huì)發(fā)生向內(nèi)部脫落的現(xiàn)象。

d) 桃心壓板設(shè)計(jì)。

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(nèi)。其結(jié)構(gòu)見圖4.

桃心壓板在柱窩體穩(wěn)裝后，放置在中間的槽內(nèi)，桃心壓板落入槽內(nèi)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(nèi)部空間限制，與柱底壓板配套使用，確保了其不向上跳出，達(dá)到了原始立柱穩(wěn)定效果。

2) 立柱設(shè)計(jì)。

由于頂梁柱帽和底座柱窩空間位置發(fā)生了變化，也就是說連接立柱柱頭和缸底的兩個(gè)輔助物位置發(fā)生了變化，導(dǎo)致支架的升降范圍發(fā)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(shí)被壓死的情況發(fā)生，在改變后的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)原有的高度要求，必須將立柱由單伸縮變?yōu)殡p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(nèi)部的中心位置設(shè)計(jì)安裝一個(gè)d25 mm的凸臺(tái)，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(jié) 語

該液壓支架修復(fù)技術(shù)在集團(tuán)公司幾個(gè)大型工作面使用后，取得了比較穩(wěn)定的效果，其中ZF13000這套支架發(fā)生故障后，經(jīng)過現(xiàn)場處理，又采出700余米，未發(fā)生其他故障，后續(xù)工作面回采過程中也表現(xiàn)穩(wěn)定。并且，在其他工作面發(fā)生類似設(shè)備故障時(shí)，也采取了類似技術(shù)修復(fù)方案，取得了可靠、穩(wěn)定的效果。這套方案僅在一個(gè)工作面中，按照節(jié)約生產(chǎn)7個(gè)工作日，可以生產(chǎn)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(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)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(diǎn)及使用效果分析[J].采煤技術(shù)，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(jī)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(yè)于山西大同大學(xué)，工程師，主要從事煤礦機(jī)械工藝和設(shè)計(jì)研究工作

(E-mail)ligenprince@163.com

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1672-0652(2017)03-0032-03