礦用液壓支架底座、側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)改進(jìn)與應(yīng)用

王再翔

神華神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備管理中心監(jiān)造組，陜西 榆林 719315

引言

液壓支架在煤礦開(kāi)采過(guò)程中用于控制采煤工作面礦頂?shù)母叨?，并支撐礦頂，形成一個(gè)可移動(dòng)的井下采煤空間，以便刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)在此空間下作業(yè)，同時(shí)對(duì)作業(yè)人員提供安全可靠的空間環(huán)境，液壓支架一般占煤炭采掘系統(tǒng)總價(jià)值超過(guò)五分之三。隨著國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)放頂煤加工制造和應(yīng)用推廣技術(shù)的逐步成熟，放頂液壓煤支架在國(guó)內(nèi)煤炭行業(yè)的成套使用數(shù)量越來(lái)越多，區(qū)域范圍越來(lái)越推廣和擴(kuò)大；傳統(tǒng)綜放工作面液壓支架架間中心距離是1.5米，神華神東煤炭集團(tuán)公司綜采工作面液壓支架架間中心距離已經(jīng)由1.5米增加到1.75米，目前神東煤炭集團(tuán)公司正在研究和加工制造2.05米中心距的綜放工作面液壓支架，計(jì)劃在布爾臺(tái)煤礦42104工作面使用。相對(duì)于支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架，放頂煤液壓支架尾部增加了一部刮板運(yùn)輸機(jī)，相應(yīng)的增加了后尾梁和插板等設(shè)施，配備了拉后溜油缸等附屬設(shè)施。綜放工作面安裝好以后架間距離已經(jīng)相對(duì)固定，受架間距的限制相鄰兩臺(tái)支架底座下部的間距較小，裝好拉后溜油缸后與底座基本沒(méi)有活動(dòng)空間，而傳統(tǒng)的底座外主筋與底板的搭接結(jié)構(gòu)中底板相對(duì)于外主筋向外伸出一段長(zhǎng)度，由于工作面在采動(dòng)推進(jìn)過(guò)程中可能遇到斷層、沖刷帶以及坡度變化等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況，拉架時(shí)抬底，極易因底座與拉后溜油缸干涉而造成拉后溜油缸損壞。要實(shí)現(xiàn)不干涉損壞拉后溜油缸，必須去掉底板相對(duì)于外主筋向外伸出的部分。神東煤炭集團(tuán)公司一次采全高的綜工作面液壓支架架間中心距離已經(jīng)由1.75米增加到2.05米，已經(jīng)達(dá)到一次采7米高度的煤層，在神東公司補(bǔ)連塔煤礦、上灣煤礦和大柳塔煤礦多個(gè)工作面成功使用。支護(hù)高度增加可以提高煤炭資源回收率和提高單產(chǎn)水平，支架中心距加寬可以減少設(shè)備臺(tái)數(shù)、維護(hù)量和故障點(diǎn)減少、提高了生產(chǎn)效率、減輕了工人修理維護(hù)強(qiáng)度；由于支護(hù)高度、中心距和工作阻力不斷加高、加寬、加大，對(duì)結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和焊接工藝也是一個(gè)考驗(yàn)和挑戰(zhàn)，使用過(guò)程出現(xiàn)個(gè)別附件開(kāi)焊和裂縫現(xiàn)象，反映出強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)不合理的一些問(wèn)題。針對(duì)上述這些現(xiàn)象本人在監(jiān)造過(guò)程中進(jìn)行認(rèn)真分析和研究，對(duì)支架底座主筋和頂梁、掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式和焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)和應(yīng)用。

1 底座內(nèi)外主筋與底板結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化改進(jìn)

1.1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式

傳統(tǒng)液壓支架底座的底板外主筋和底座連接形式為“T”型搭接形式的焊接結(jié)構(gòu)，即為外主筋立在底板上，底板相對(duì)于外主筋外伸50～80mm，底板伸出外主筋部分和外主筋之間斜著搭接一個(gè)小蓋板（如圖1）。

1.1.1 這種結(jié)構(gòu)形式在綜放和一次采全高的綜采工作面使用中都存在一些問(wèn)題，底板伸出外主筋部分在使用過(guò)程中容易造成損壞、變形，維護(hù)和修理特別困難；工作面在回采推進(jìn)過(guò)程中時(shí)常會(huì)遇到?jīng)_刷、地板起伏不平和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造變化地帶，液壓支架架與架之間距離會(huì)發(fā)生變化，架與架靠的距離很近或相互緊貼擠壓情況，液壓支架架與架的底座就會(huì)出現(xiàn)相互“踩腳”的情形，也就是底板向外伸出的部分一個(gè)會(huì)壓住另一個(gè)，這樣會(huì)造成底座向外伸的底板相互撕拉，就有發(fā)生底板與外主筋撕裂情況發(fā)生。（如圖2）。

圖1 傳統(tǒng)底座底板和外主筋搭接簡(jiǎn)圖

圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞情況

1.1.2 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在放頂煤工作面，受架間距的限制拉后溜油缸裝好后與底座之間基本沒(méi)有活動(dòng)空間；在使用過(guò)程中，由于工作面坡度隨時(shí)發(fā)生變化，拉架時(shí)抬底千斤頂動(dòng)作支架抬起，拉后溜油缸極易因底座與拉后溜油缸相互干涉擠壓而造成損壞。

1.1.3 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在綜放工作面推采過(guò)程中如遇工作面坡度起伏變化較大時(shí)，支架處于下坡?tīng)顟B(tài)、后部刮板機(jī)處于上坡?tīng)顟B(tài)時(shí)，拉架時(shí)抬底千斤頂動(dòng)作支架抬起同時(shí)將拉后溜油缸也抬起一定高度，拉后溜油缸由于兩側(cè)底板向外伸出50mm～80mm的約束處于上翹狀態(tài)；這種狀況拉后溜油缸工況最為惡劣，這時(shí)拉后溜油缸活塞桿伸出工作時(shí)將受到扭轉(zhuǎn)力和剪切力的作用，這時(shí)產(chǎn)生兩處支點(diǎn)，一處是外缸與兩側(cè)支架向外伸出底板、另一處是活塞桿與導(dǎo)向套內(nèi)徑安裝密封處；輕則會(huì)使活塞桿表面鍍層刮擦損傷（導(dǎo)向套內(nèi)孔與活塞桿硬摩擦損傷），重則會(huì)造成活塞桿彎曲變形的損壞。

1.2 改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)形式

為避免底座不干涉以及不損壞拉后溜油缸，從設(shè)計(jì)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化改進(jìn)，將底座外主筋和底板的搭接形式改為接近齊縫搭接焊透結(jié)構(gòu)（圖3）；即底座外主筋立在底板外邊沿上、與底板搭接3mm～5mm，這樣，焊接時(shí)外主筋與底板內(nèi)側(cè)、外側(cè)直接為角焊縫。

1.2.1 這種搭接結(jié)構(gòu)形式在加工制造上：少了底座外主筋要用機(jī)器人或在銑床上加工焊接破口作業(yè)的工序，減少了機(jī)械切割加工工序，減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，節(jié)省了能源消耗，提高了生產(chǎn)效率；

1.2.2 這種搭接結(jié)構(gòu)形式減少了原材料使用數(shù)量和焊接量，少了外主筋與底板之間的斜向拉筋板，一臺(tái)支架底座減少了4條與底座長(zhǎng)度方向等長(zhǎng)度的焊縫，節(jié)約了原材料使用數(shù)量、減少了焊絲用量、減輕了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)降低了焊接作業(yè)人員造成的職業(yè)危害，減少了焊接、機(jī)械加工和火焰切割對(duì)環(huán)境的污染和破壞。

圖3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

1.2.3 這種結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是加強(qiáng)了底座整體強(qiáng)度，外主筋與底板外側(cè)為填滿(mǎn)外主筋與底板外側(cè)直角搭接的角焊縫，這條焊縫的高度與底板的厚度方向的尺寸是相等的，這條焊縫把底座的底板外主筋與底板結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)的連接成一個(gè)整體，這樣這個(gè)部位Z向和X方向的抗拉強(qiáng)度就是外主筋和底板本身鋼材材料的強(qiáng)度等級(jí)（圖4）。

1.2.4 改進(jìn)的結(jié)構(gòu)去掉了底板相對(duì)于外主筋的外伸部分，沒(méi)有了外主筋與底板之間的斜向拉筋，內(nèi)側(cè)和外側(cè)都采用角焊縫焊接，最大限度地保證了連接強(qiáng)度。

1.3.改進(jìn)結(jié)構(gòu)相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1 該結(jié)構(gòu)去掉了底板相對(duì)于外主筋的外伸部分，最大限度地給與了拉后溜油缸的活動(dòng)空間，減少了拉后溜油缸因?yàn)榈鬃膭?dòng)作而受到干涉損壞的風(fēng)險(xiǎn)；減少了拉后溜油缸的維護(hù)量，節(jié)省了開(kāi)支、降低煤礦作業(yè)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1.3.2 新設(shè)計(jì)增強(qiáng)了對(duì)底板的Z向抗拉強(qiáng)度，該結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的抗層狀撕裂性能（該焊縫形式不會(huì)一起較大的бz，不致引起層狀撕裂），而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為T(mén)型接頭結(jié)構(gòu)，開(kāi)坡口焊接，層狀撕裂傾向較大。

1.3.3 該設(shè)計(jì)縮小了底板的外形尺寸去掉了外側(cè)的小蓋板，節(jié)省材料，且不需要開(kāi)坡口下料工序簡(jiǎn)單；焊接時(shí)焊接量小焊接質(zhì)量容易控制。

1.4 改進(jìn)后的使用情況

1.4.1 放頂煤液壓支架底座外主筋與底板連接改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架和鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架中得到推廣使用。其中鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架在神東布爾臺(tái)礦42103綜放工作面使用1年多，已經(jīng)采煤883萬(wàn)噸左右，沒(méi)有發(fā)生因?yàn)樘У讋?dòng)作而產(chǎn)生的拉后溜油缸損壞，使用效果良好。鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架神東黃玉川煤礦綜放工作面已經(jīng)使用半年左右，已經(jīng)采煤365萬(wàn)噸左右，沒(méi)有發(fā)生因?yàn)樘У讋?dòng)作而產(chǎn)生的拉后溜油缸損壞，使用效果良好。

1.4.2 這種結(jié)構(gòu)在放頂煤液壓支架初次應(yīng)用后，由于效果較好，已經(jīng)在煤礦常用的支撐掩護(hù)式液壓支架底座上得到推廣應(yīng)用；目前已經(jīng)在鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZY12000/20/40D型和ZY12000/25/50D等2套液壓支架中得到推廣使用，這兩套支架已經(jīng)于2012年2月份、2012年9月分別在神東公司上灣礦12上301面、12上303面和大柳塔礦活井12313面使用，過(guò)煤量分別是733萬(wàn)噸和942萬(wàn)噸，使用效果良好。同時(shí)在四川神坤裝備股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZYG12000/18/35D型液壓支架中得到推廣使用，該套支架已經(jīng)于2013年4月份在神東公司石圪臺(tái)煤礦22304綜采工作面使用，截止2013年7月已經(jīng)推采860米左右，過(guò)煤量107萬(wàn)噸。

2 頂梁側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式改進(jìn)和應(yīng)用

2.1 側(cè)護(hù)板的種類(lèi)

頂梁和掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板有兩種：一種是一側(cè)固定另一側(cè)活動(dòng)的側(cè)護(hù)板，由于固定側(cè)護(hù)板與梁體焊接在一起，可節(jié)省原梁體的側(cè)板，既節(jié)省材料又可加固梁體。但當(dāng)改換工作面開(kāi)采方向時(shí)，活動(dòng)側(cè)護(hù)板便位于傾斜方向的上方，對(duì)調(diào)梁、防倒等帶來(lái)不便，所以很少采用。另一種是兩側(cè)皆為活動(dòng)側(cè)護(hù)板；這種側(cè)護(hù)板可以適應(yīng)工作面開(kāi)采方向變化的要求，有利于防倒和調(diào)架；兩側(cè)皆為活動(dòng)側(cè)護(hù)板是側(cè)護(hù)板在頂梁的外側(cè)，在頂梁上加焊一塊頂板，可克服側(cè)護(hù)板被冒落矸石壓住，影響側(cè)護(hù)板的伸縮，但支架承受偏載時(shí)，側(cè)護(hù)板裝置受力很大。

2.2 側(cè)護(hù)板尺寸確定

2.2.1 頂梁側(cè)護(hù)板的側(cè)向?qū)挾龋粗Ъ苌蹈叨群屯埔撇骄鄟?lái)確定。即：考慮到當(dāng)一架升起，另一架降柱時(shí)，要保證相鄰兩支架間側(cè)護(hù)板不脫離接觸。同時(shí)考慮到支架降柱后要前移，為防止頂梁后部側(cè)護(hù)板脫離接觸，頂梁側(cè)護(hù)板后部要加寬，加寬的長(zhǎng)度一般為從頂梁后部起大于一個(gè)步距，神東一般選擇即大于1000mm。

2.2.2 掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的側(cè)面寬度，主要考慮移架步距，一般比一個(gè)步距大100mm，神東礦區(qū)的推移步距一般是865mm和1000mm兩種，側(cè)板寬度一版大于1100mm。當(dāng)一架固定，另一架前移時(shí)，兩架之間能封閉，同時(shí)又考慮到降架前移時(shí)，原不動(dòng)的掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板下部不致脫開(kāi)，所以掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板下部要加寬。

2.2.3 頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的頂面寬度，與活動(dòng)側(cè)護(hù)板的行程有關(guān)，由兩臺(tái)相鄰支架的架間距離確定，神東礦區(qū)的側(cè)護(hù)伸縮量一般是205mm，頂面寬度一般大于210 mm。

2.2.4 頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的連接，在考慮動(dòng)作靈活可靠的情況下，應(yīng)盡量減少間隙，加強(qiáng)密封性。

2.3 神東公司側(cè)護(hù)板的選擇

神東公司液壓支架全部為兩側(cè)皆為活動(dòng)的側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式，煤機(jī)廠加工制造時(shí)頂梁、掩護(hù)梁都是左右對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，出廠時(shí)煤機(jī)廠根據(jù)神東配套工作面實(shí)際需要將一側(cè)安裝成固定的、另一側(cè)活動(dòng)；固定側(cè)的側(cè)護(hù)板與梁體用銷(xiāo)、耳連接固定在一起，活動(dòng)側(cè)護(hù)板通過(guò)彈簧筒和側(cè)推千斤頂與梁體連接，以保證活動(dòng)側(cè)護(hù)板與鄰架的固定側(cè)護(hù)板靠緊，加強(qiáng)密封性能防漏。側(cè)護(hù)板（活動(dòng)）還可用來(lái)調(diào)架，起防倒的作用。

2.4 神東公司側(cè)護(hù)板使用情況

神東集團(tuán)公司自2004年本土化加工制造液壓支架以來(lái)，側(cè)護(hù)板的基本沿用國(guó)內(nèi)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式（如圖5），由于神東礦區(qū)在采高、架寬、工作阻力、推移步距以及開(kāi)采強(qiáng)度等方面都有大幅度的提升和加強(qiáng)，極其考驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量、性能和可靠性。使用中已經(jīng)有多套支架發(fā)生過(guò)頂側(cè)焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，例如首套7米支架大采高在使用一年后就產(chǎn)生側(cè)板焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象，其他4米、4.5米、5米等支架也陸續(xù)出現(xiàn)側(cè)板焊縫開(kāi)裂現(xiàn)象。其主要原因是側(cè)板結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足高強(qiáng)度、超大采高液壓支架需求，同時(shí)國(guó)內(nèi)煤機(jī)制造廠家對(duì)輔件加工管理不夠重視，在焊接時(shí)不能夠做到側(cè)板、頂面板焊縫完全平齊，忽視了對(duì)焊接質(zhì)量缺陷的控制，在使用中焊縫和頂面?zhèn)瘸闪酥饕芰Σ课?，頻繁承受頂板來(lái)壓或較大的集中載荷而產(chǎn)生疲勞開(kāi)裂。為保頂梁側(cè)護(hù)板的可靠性，解決側(cè)護(hù)板開(kāi)裂造成淋水、漏矸帶來(lái)的安全隱患，處理開(kāi)裂失效問(wèn)題是非常麻煩的事情，在監(jiān)造過(guò)程中從滿(mǎn)足礦井實(shí)際使用需求著手，設(shè)計(jì)時(shí)在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)了頂梁側(cè)護(hù)板的傳統(tǒng)形式。

2.5 側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式的改進(jìn)和應(yīng)用

傳統(tǒng)的頂梁側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)是頂面板靠著側(cè)板，改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是頂板壓著側(cè)板（如圖6），在承受來(lái)自頂板的壓力時(shí)，受力部位為整個(gè)頂面板，側(cè)板和焊縫不直接承受壓力從而有效地保護(hù)了焊縫；焊縫側(cè)邊為一個(gè)斜邊，能夠有效地減少受力，從而提高了頂側(cè)的整體可靠性。

圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖

圖6 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)形式簡(jiǎn)圖

2.6 改進(jìn)后的使用情況

2.6.1 側(cè)護(hù)板損壞繼續(xù)使用存在安全隱患，影響生產(chǎn)效率和煤質(zhì)，在井下維修困難，修理需要使用火割和補(bǔ)焊，容易引發(fā)安全事故。本人對(duì)更換費(fèi)用進(jìn)行跟蹤測(cè)算，一套支架（185臺(tái)）更換一遍側(cè)護(hù)板需要話費(fèi)110多萬(wàn)元，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力。

2.6.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)后從根本上避免了頂側(cè)開(kāi)焊的缺陷，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，而且節(jié)省了維修費(fèi)用，還在一定程度上避免了安全隱患及事故的發(fā)生。截至2013年7月份神東已經(jīng)有8套新加工支架采用了此結(jié)構(gòu)，為公司節(jié)省費(fèi)用近千萬(wàn)元；使用時(shí)間最長(zhǎng)達(dá)到16個(gè)月、過(guò)煤量1200萬(wàn)噸。

3 結(jié)語(yǔ)

3.1 根據(jù)采面地質(zhì)及壓力顯現(xiàn)情況，結(jié)合采高、工作阻力、頂板性完整等情況，選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和加工制造工藝流程。

3.2 研究受力結(jié)構(gòu)和材料性能，科學(xué)合理進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)。

3.3 加工制造控制焊接質(zhì)量和缺陷檢測(cè)。

3.4 改進(jìn)后的底座外主筋和底板搭接形式比傳統(tǒng)的搭接形式在保護(hù)拉后溜油缸、提高對(duì)底板的Z向抗拉強(qiáng)度、材料使用量、下料和焊接難易度及焊接質(zhì)量控制等方面有明顯的優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。