煤礦液壓支架中自動加壓裝置的設(shè)計及應(yīng)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(jù)煤礦條件，考慮到泵站壓力低、管道損壞嚴重、人工操作不當(dāng)?shù)仍?，液壓支架實際設(shè)置負荷遠低于額定設(shè)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(dǎo)致煤礦安全事故發(fā)生。技術(shù)人員通過改善泵站壓力、減少壓力損失、設(shè)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(shù)水平相對落后，設(shè)置負荷難以滿足工作要求[1]。針對上述問題，設(shè)計了一種采用液壓機械技術(shù)直接連接的自動設(shè)置荷載增強裝置，應(yīng)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(yīng)不足的限制。

1 自動加壓裝置回路的原理設(shè)計

加壓控制回路設(shè)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(jù)預(yù)設(shè)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(shè)定負載。因此，在壓力缸桿口油回路上設(shè)置安全閥，將進入立柱底腔的設(shè)定負載限制在工作所需值范圍內(nèi)，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(dǎo)有向控制閥、止回閥、安全閥、液壓管路組成。當(dāng)液壓缸桿口開口處壓力小于先導(dǎo)定向控閥開口壓力時，先導(dǎo)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?，以準備加壓[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(dāng)液壓缸桿罐開壓力壓力大于先導(dǎo)操縱方向控制閥開壓力時，先導(dǎo)操縱方向控制閥處于左側(cè)位置。液壓油通過先導(dǎo)方向控制閥進入壓力缸蓋口，驅(qū)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(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 增壓結(jié)構(gòu)設(shè)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(cè)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(zhì)量，活塞的桿口采用中空設(shè)計，實現(xiàn)位移重疊[2]。根據(jù)增壓控制回路的工作原理，活塞的頭部端口與先導(dǎo)式方向控制閥和油箱相連，因此根據(jù)設(shè)計預(yù)留了開口P1。

2.1.2 加壓控制機構(gòu)

根據(jù)加壓控制回路的工作原理，加壓控制機構(gòu)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(dāng)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(jié)構(gòu)與其余三個油路接觸，相對獨立。圖3 為加壓控制機構(gòu)，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(gòu)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(zhuǎn)換[4]。

2.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖4 為自動加壓裝置的最終設(shè)計結(jié)構(gòu)。自動加壓裝置的工作過程：根據(jù)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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?fàn)顟B(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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(nèi)的乳化液通過P1 開口、彎頭、P3 開口、加壓控制結(jié)構(gòu)、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(yīng)用效果分析

圖5 為按設(shè)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(dǎo)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(chǔ)上，用高壓軟管連接原型進口和先導(dǎo)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?zāi)Ｐ褪疽鈭D

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(jù)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(shù)（設(shè)置載荷、設(shè)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(shè)定載荷變化。從支架設(shè)置載荷可以得出結(jié)論，應(yīng)用前約為23.5 MPa，加壓裝置應(yīng)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(shè)定載荷。

圖7 試驗結(jié)果對比示意圖

圖7-2 為加壓裝置應(yīng)用前后調(diào)節(jié)時間對比。從圖7-2 中可以看出，與加壓裝置應(yīng)用前的調(diào)節(jié)時間相比，應(yīng)用后支架的調(diào)節(jié)時間變化很小，甚至沒有變化?？梢缘贸鼋Y(jié)論，使用加壓裝置進行二次加壓不影響支架的設(shè)置速度。加壓裝置應(yīng)用后所有試驗支架的阻力增加時間都小于應(yīng)用前的值，主要是由于支架的設(shè)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(dǎo)致不同支架對相同數(shù)據(jù)參數(shù)的偏差很小，但整體趨勢是一樣的，滿足工程要求。

4 結(jié)論

通過理論設(shè)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(jié)論：

1）根據(jù)加壓控制回路和機組設(shè)計，采用基于加壓結(jié)構(gòu)和輔助結(jié)構(gòu)的自動加壓裝置進行理論設(shè)計。通過分析和改進，將加壓控制結(jié)構(gòu)設(shè)計為雙推桿結(jié)構(gòu)，可以快速、簡單地控制油路的連接/斷開。加壓裝置設(shè)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(shè)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(yīng)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(fù)位位置選擇閥停止向立柱供應(yīng)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(jù)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(shè)置荷載符合設(shè)計要求。