煤礦液壓支架中自動加壓裝置的設計及應用研究

趙 軍

（山煤集團煤業(yè)管理有限公司晉東南分公司， 山西 長治 046699）

0 引言

根據煤礦條件，考慮到泵站壓力低、管道損壞嚴重、人工操作不當等原因，液壓支架實際設置負荷遠低于額定設置負荷的80%，甚至部分綜采面低于15 MPa。由于液壓支架不能發(fā)揮其正常支撐性能，容易發(fā)生動壓沖擊，最終導致煤礦安全事故發(fā)生。技術人員通過改善泵站壓力、減少壓力損失、設計不同的供液系統(tǒng)等來改善負荷，但由于泵站供液壓力限制較大，技術水平相對落后，設置負荷難以滿足工作要求[1]。針對上述問題，設計了一種采用液壓機械技術直接連接的自動設置荷載增強裝置，應用于普通大型煤礦工作面的液壓支撐，保證在初步對立柱裝載時直接快速地提高支撐壓力，消除泵站壓力供應不足的限制。

1 自動加壓裝置回路的原理設計

加壓控制回路設計可以完成加壓準備階段和快速加壓階段兩個工作過程。加壓控制回路與立柱系統(tǒng)并聯(lián)連接。加壓控制回路根據預設的壓力比增加壓力。如果初始加壓壓力稍高，則增壓后的壓力可能大大超過液壓支架所需的設定負載。因此，在壓力缸桿口油回路上設置安全閥，將進入立柱底腔的設定負載限制在工作所需值范圍內，加壓回路如圖1 所示。

圖1 加壓控制回路

增壓控制回路主要由壓力缸、先導有向控制閥、止回閥、安全閥、液壓管路組成。當液壓缸桿口開口處壓力小于先導定向控閥開口壓力時，先導控制閥在正確位置，進入自動加壓回路的液壓油進入壓力缸桿口?；钊麑⑾蚨丝诜较蛞苿樱詼蕚浼訅篬2]。液壓油通過止回閥進入立柱底腔供液，此時加壓裝置不再起加壓作用。當液壓缸桿罐開壓力壓力大于先導操縱方向控制閥開壓力時，先導操縱方向控制閥處于左側位置。液壓油通過先導方向控制閥進入壓力缸蓋口，驅動活塞移動。壓力缸桿口壓力增大，最終提高了立柱底腔壓力。

2 自動加壓裝置結構設計

2.1 增壓結構設計

2.1.1 壓力缸

壓力缸的活塞桿不需要對外做功，它的運動只是為了增壓準備和增壓。通過利用活塞兩側的不同活塞部分，油壓得以增加此外，采煤工作面鉆孔環(huán)境惡劣，粉塵等污染物多。因此，活塞桿不能向外伸出，如圖2所示。

圖2 壓力缸示意圖

為了減小整個自動增壓閥的體積和質量，活塞的桿口采用中空設計，實現(xiàn)位移重疊[2]。根據增壓控制回路的工作原理，活塞的頭部端口與先導式方向控制閥和油箱相連，因此根據設計預留了開口P1。

2.1.2 加壓控制機構

根據加壓控制回路的工作原理，加壓控制機構連接有四個油路，包括供液油路、壓力缸頭口油路、壓力缸桿口油路和油箱油路，在其控制作用下可接通/斷開兩種油路：頭口供液油路可與壓力缸頭口連接。此時，油箱電路處于切斷狀態(tài)；當壓力缸的頭部端口與油箱回路連接時，頭部端口的供液油路處于切斷狀態(tài)[3]。桿口油路不通過加壓控制結構與其余三個油路接觸，相對獨立。圖3 為加壓控制機構，其中P2 為頭口供液口，P3 為頭口開口，P4 為油箱開口，P5 為桿口開口。

圖3 加壓控制機構示意圖

在增壓準備過程中，頭端口的供液回路處于切斷狀態(tài)，油箱回路接通。這兩種狀態(tài)是在快速加壓過程中改變的，這一過程可以通過大推桿與限位凸臺、小推桿與液路通道、密封擋圈、鋼球和組合彈簧的組合方式簡單地轉換[4]。

2.2 總體結構設計

圖4 為自動加壓裝置的最終設計結構。自動加壓裝置的工作過程：根據加壓控制回路的工作位置，將自動加壓裝置并聯(lián)連接至立柱系統(tǒng)。泵站通過操作逆控閥，向整個液壓系統(tǒng)提供液壓油，液壓油通過先導操作檢查進入立柱底腔閥門通過主油路，使支撐件快速提升柱[5]。

圖4 自動加壓裝置結構示意圖

另一個回路通過P6 開口進入自動加壓裝置。進入加壓裝置的乳化液流向P2 開口。由于此時P2 開口處于截止狀態(tài)，液壓油只能填充油道。另一個回路移動進液油回路單向連接結構的鋼球，通過P7 開口流向壓力缸桿口。進入壓力缸桿口的部分高壓油通過P9 開口打開出油回路的單向連接結構，通過加壓裝置的液體出口P8 流入立柱底腔。另一部分推動活塞桿向頭孔方向移動。水頭孔內的乳化液通過P1 開口、彎頭、P3 開口、加壓控制結構、P4 開口排入工作面環(huán)境，直到活塞移動到極限位置，加壓制備過程由此完成。

3 應用效果分析

圖5 為按設計原理圖加工制造的自動加壓裝置樣機。試驗過程中樣機的連接方法：在立柱底腔入口處與進液部位沿先導式止回閥正向啟動方向分別連接一個T 型接頭。在原回路正常連接的基礎上，用高壓軟管連接原型進口和先導式止回閥處的T 型接頭，連接原型出口和立柱底腔的T 型接頭。

圖5 試驗模型示意圖

采用ZY11000/28/63D 型支架上進行自動加壓裝置試驗。自動加壓裝置根據鉆孔工作面現(xiàn)場情況安裝在兩支立柱中間的底座上，通過液壓油管和主管與原支座提升柱液壓回路系統(tǒng)并聯(lián)，如圖6 所示。

圖6 試驗布置圖

從0 號支座中收集17 個支座，每隔一個支座選擇一個作為測試支座，分別編號為1～170。收集分析三個參數（設置載荷、設置時間、增阻時間）并制作折線圖。

圖7-1 為加壓裝置前后液壓支架設定載荷變化。從支架設置載荷可以得出結論，應用前約為23.5 MPa，加壓裝置應用后約為32 MPa。大約有8.5 MPa的壓力增加到立柱底部空腔的壓力。由圖7-1 可知，自動加壓裝置可以有效提高支架的設定載荷。

圖7 試驗結果對比示意圖

圖7-2 為加壓裝置應用前后調節(jié)時間對比。從圖7-2 中可以看出，與加壓裝置應用前的調節(jié)時間相比，應用后支架的調節(jié)時間變化很小，甚至沒有變化?？梢缘贸鼋Y論，使用加壓裝置進行二次加壓不影響支架的設置速度。加壓裝置應用后所有試驗支架的阻力增加時間都小于應用前的值，主要是由于支架的設定載荷增加，與工作阻力的差異變小，阻力增加。從圖7中可以看出，不同支架的沿線壓力損失和管道阻力損失的微小差異導致不同支架對相同數據參數的偏差很小，但整體趨勢是一樣的，滿足工程要求。

4 結論

通過理論設計、樣機制作和現(xiàn)場試驗等方面對試驗現(xiàn)象進行分析，主要得出以下結論：

1）根據加壓控制回路和機組設計，采用基于加壓結構和輔助結構的自動加壓裝置進行理論設計。通過分析和改進，將加壓控制結構設計為雙推桿結構，可以快速、簡單地控制油路的連接/斷開。加壓裝置設計簡單，安裝使用方便，機械自動化程度高，原系統(tǒng)回路改造量小。加壓裝置的設計不局限于具體工作面條件和型號，具有較強的通用性和良好的推廣應用價值。

2）試驗中使用支架柱回路位置選擇閥提升支架柱和支架。支撐頂梁接觸頂板2 s 后，復位位置選擇閥停止向立柱供應液體?？梢娨韵卢F(xiàn)象：加壓裝置安全閥溢流口有少量液體噴涂，據觀察統(tǒng)計，立柱底腔壓力計約為32 MPa。與施壓前的壓力相比，立式柱的底腔壓力增加了8.5 MPa，設置荷載符合設計要求。