綜采工作面液壓支架移架速度的提升研究

楊 帆

（大同煤礦集團有限責(zé)任公司綜采裝備安裝分公司，山西 大同 037000）

引言

煤礦開采過程中液壓支架是其中非常重要的機械化設(shè)備，當(dāng)前階段采煤機的牽引速度普遍比液壓支架移架速度快[1]。比如液壓支架每完成一個移架過程需要的時間平均為25 s，但大功率采煤機完成一個周期的截割時間約為9～15 s，導(dǎo)致采煤機截割完成后液壓支架無法及時對頂板進行支撐，加大了頂板冒落的可能性[2-3]?？梢?，相對較慢的移架速度輕則會降低采煤效率[4]，重則威脅煤礦開采安全。在實踐過程中受到采煤環(huán)境的制約，在推溜和移架時分別容易出現(xiàn)刮板輸送機飄底和液壓支架啃底的問題，這是限制移架速度的原因之一[5]。液壓支架的移動過程主要受千斤頂控制回路的控制，控制系統(tǒng)的優(yōu)劣會在一定程度上影響移架速度[6-7]?；诖耍瑢伟遢斔蜋C飄底和液壓支架底板啃底現(xiàn)象、推移千斤頂控制回路等進行研究，對于提升液壓支架移架速度，保障煤礦開采安全，提升煤礦開采效率，具有重要的實踐意義。

1 液壓支架推移的工作原理

在整個液壓支架控制回路中，推移千斤頂控制回路是其中比較關(guān)鍵的回路，其作用主要是對液壓支架的推溜和移架過程進行控制，見圖1。推移千頂頂裝置一端與液壓支架底座相連，一端與推移框架連接。如果換向閥處于右位狀態(tài)，此時千斤頂有桿腔內(nèi)會進入乳化液，導(dǎo)致活塞桿往回移動，進而推動框架往前移動，最終實現(xiàn)推溜的目的。相反地，如果換向閥處于左位狀態(tài)，此時千斤頂活塞桿腔內(nèi)會進入乳化液，進而推動缸體往前移動，最終實現(xiàn)移架的目的。需要說明的是，在有桿腔控制油路中增加設(shè)置了安全閥，以免移架過程中將刮板輸送機拽回。

圖1 推移千斤頂控制回路基本原理示意圖

2 影響移架速度的原因

2.1 竄液

對現(xiàn)場進行調(diào)研發(fā)現(xiàn)目前使用的操縱閥存在竄液問題且比較嚴(yán)重。竄液具體形式主要有兩種，閥與閥之間竄液和閥的高壓與低壓兩側(cè)出現(xiàn)竄液。分析認(rèn)為發(fā)生竄液的原因主要有：實踐中操縱閥底座與鋼球之間會經(jīng)常發(fā)生碰撞，且碰撞頻率較高，導(dǎo)致兩者之間發(fā)生顯著的摩擦磨損，間隙變得越來越大，密封性能逐漸失效；零部件質(zhì)量不達標(biāo)，在使用時無法發(fā)揮其應(yīng)有的效能，從而影響整體性能。如果采煤工作面有100個支架，每個支架包含7個操縱閥，則總計需要使用1 400個隔離閥。由于煤礦井下工作環(huán)境復(fù)雜，再加上零部件質(zhì)量不達標(biāo)，如此多的零部件非常容易出現(xiàn)問題，進而引發(fā)嚴(yán)重的竄液現(xiàn)象。根據(jù)現(xiàn)場統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，竄液導(dǎo)致的滲漏量達到了液壓泵額定流量的17%左右。一旦出現(xiàn)竄液問題，會導(dǎo)致拉架時系統(tǒng)動力不足，這是限制移架速度的重要因素之一。

2.2 堵塞導(dǎo)致回路流量降低

液壓回路中乳化液的流量會對其動力大小產(chǎn)生決定性的影響。煤礦井下工作環(huán)境惡劣，液壓支架在長時間工作過程中，一些粉塵顆粒不可避免地會滲入到液壓系統(tǒng)回路中，比如對液壓系統(tǒng)進行檢修維護時煤塵矸石就很可能進入系統(tǒng)。液壓回路內(nèi)部包含很多過濾器，這些粉塵顆粒就會在過濾器中堆積。如果不及時清洗，就會對液壓回路造成阻塞，導(dǎo)致乳化液流量降低，最終使得移架速度減慢。

2.3 膠管直徑偏小

乳化液需要通過膠管進行傳輸。根據(jù)流體相關(guān)理論可知，在管道流量一定的情況下，管道直徑越小，則液體流動速度越大，由于阻力造成的動力損失則越大。根據(jù)液壓支架使用時的要求，乳化液在膠管中的流動速度需要控制在2～5 m/s，此時對應(yīng)的膠管直徑大小為29～46 mm。但當(dāng)前液壓支架的液壓系統(tǒng)中配套使用的膠管最小為25 mm，明顯比要求的直徑范圍偏小。過小的膠管直徑導(dǎo)致管道內(nèi)流動的乳化液速度過高，不僅限制了管道流量大小，同時還導(dǎo)致乳化液的能量損耗大，最終導(dǎo)致液壓支架移架速度降低。

3 提高液壓支架移架速度的措施

3.1 減輕立柱移動部分的質(zhì)量

已有的實踐經(jīng)驗表明，液壓支架立柱在上升和下降階段，移動部位質(zhì)量會對其移動速度產(chǎn)生一定程度的影響。如果將移動部分質(zhì)量降低33.33%，對應(yīng)的上升時間和下降時間分別可以壓縮0.7%和3.3%?？紤]到液壓支架升降時移動部分質(zhì)量會對移動速度產(chǎn)生影響。因此可以適當(dāng)降低移動部分的質(zhì)量大小，液壓支架中需要移動的部分主要包括活柱、頂梁等部位。降低移動部分質(zhì)量的前提是要確保液壓支架整體強度和剛度滿足實際使用要求。

整個移架過程可以分為4個基本動作，分別為推溜、拉架、升柱與降柱。其中前兩個動作的移動距離為固定值，但升柱、降柱兩個動作的行程大小是由人為控制的。實踐經(jīng)驗表明，行程若擴大一倍，對應(yīng)的升柱、降柱時間分別延長33%和53%，整個移架時間延長29%?；诖?，在滿足移架要求的前提下，應(yīng)該盡可能縮短升柱、降柱兩個動作的行程，以提升移架速度。

3.2 改善液壓系統(tǒng)中的壓力及流量

1）雙泵環(huán)形供液。部分綜采工作面的長度相對較大，泵站的供液距離相對較遠(yuǎn)。此時乳化液流量、壓力及管道阻力等都會對移架速度產(chǎn)生重要影響。此時可以在綜采工作面的兩側(cè)使用兩個乳化液泵同時進行供液，則供液距離可以縮短一半。不僅能提升供液流量，還能減小液體的流動阻力。

2）旁路回液。液壓支架立柱的上腔和下腔截面面積存在較大差異，比例大約為1∶6～8。活柱下降時下腔需要回流的液體流量較大，對于普通的流道而言，產(chǎn)生的阻力較大，結(jié)果就是移架速度受到限制。針對此種情況可以專門設(shè)置旁路進行回液，活柱在下降階段可以同時使用兩條管道進行回液處理。實踐經(jīng)驗表明，此項技術(shù)可以使液體流動阻力降低到原有的25%。活柱下降速度提升為原有的兩倍。

3.3 優(yōu)化液壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

隨著煤礦開采的不斷向前推進，整個綜采工作面也要跟著向前移動，移動的動力全部來自液壓支架，而液壓支架的動力又來自推移千斤頂。在移架過程中，拉架與推溜時的阻力相比較而言前者更大，因此在拉架階段需要提供更大的動力。只有對推移千斤頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)進行科學(xué)設(shè)計，才能夠確保拉架力超過推溜力。推移千斤頂有兩種安裝方式，分別為正裝與倒裝。所謂倒裝指的是推移千斤頂?shù)幕钊麠U和底部位置分別鉸接于推桿后端和支架底座，而正裝時推移千斤頂?shù)姆较蛘孟喾?。如果推移千斤頂采用的是倒裝方式，則其上腔流進乳化液時液壓支架正好處于推溜狀態(tài)，而下腔流進乳化液時則處于拉架狀態(tài)。下腔的截面面積比上腔要大，所以在拉架時千斤頂可以提供更大的力。

推移千斤頂采用倒裝方式時的缺陷在于需要比較大的空間，中厚煤層空間相較大，可以采用倒裝方式。但對于薄煤層而言，無法采用倒裝方式，只能進行正裝。此時需要采取其他結(jié)構(gòu)措施保證拉架力大于推溜力。比如可以使用差動連接結(jié)構(gòu)，在推溜階段可同時向上腔和下腔注入乳化液，以抵消部分推溜力。

3.4 優(yōu)化支架內(nèi)部部件動作的銜接

通常情況下整個液壓系統(tǒng)內(nèi)部的壓力越大，支架完成移架動作的時間就越短。而通過優(yōu)化液壓支架內(nèi)部部件之間的銜接，可以在一定程度上提升系統(tǒng)壓力。具體而言，為了提升液壓支架移架速度，在頂板條件許可的情況下，可以讓多個液壓支架同時完成移架工作。另一方面，前文已述軟管直徑過小會導(dǎo)致乳化液流動阻力增大，能量損失速度過快。對原有的25 mm直徑大小的軟管進行替換，新的軟管直徑為32 mm。

4 改造后的應(yīng)用效果

根據(jù)上節(jié)所述的液壓支架移動速度提升改進措施，對煤礦中使用的液壓支架進行技術(shù)改造。為了驗證技術(shù)改造效果，將改造后的液壓支架在煤礦中進行了連續(xù)三個月的工程實踐測試。在整個測試期間液壓支架能夠安全穩(wěn)定運行，各項功能都得以正常發(fā)揮，保障了煤礦開采的安全。進行技術(shù)改造后，移架速度與改造前相比有了顯著提升，其速度完全能夠跟上采煤機的截割速度，從而在整體上提升了煤礦的采煤效率。經(jīng)過初步統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，采煤效率至少提升了10%以上。此次針對液壓支架的技術(shù)改造，得到了煤礦企業(yè)技術(shù)人員和管理人員的一致認(rèn)可，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益和社會效益。