6.3m大采高液压支架的研制.pdf

产品结构 6. 3 m 大采高液压支架的研制 冉玉玺, 钱玉军, 张景奎, 樊 军 郑州煤矿机械集团有限责任公司, 郑州 450013 摘要 阐述国内研制大采高液压支架的必要性, 介绍了 ZY10800 28 63型液压支架的设备选 型、 技术参数、 关键技术及结构特点, 分析了支架的发展前景及重要意义。 关键词 大采高; 液压支架;可靠性 中图分类号 TD355 文献标志码 A 文章编号 1003 -0794 2008 11 -0104 -03 Manufacture of 6. 3 m Hydraulic Support with Great Mining Height RAN Yu- xi, QIAN Yu- jun, ZHANG Jing- kui, FAN Jun Zhengzhou Coal Mining Machinery Group Co. , Ltd. , Zhengzhou 450013, China Abstract Describes the necessary for manufacture of domestic hydraulic support with great mining height. In - troduces the equipment selection,technical specifications, key technology and structural features of the ZY10800 28 63 hydraulic powered support co- researched. It also introduces its future development and im - portant significance. Key words great mining height; hydraulic support; reliability 1 液压支架研制 1. 1 总体设计 1 支架主要参数的确定 工作阻力 根据神东矿区煤层埋深, 工作面 压力显现情况, 以及该矿区现有液压支架使用情况, 确定支架的工作阻力为 10 800 kN。 支架高度 根据煤层厚度, 支架采高应达到 62 m 以上, 考虑煤层分布、 片帮的控制及工作面 顶、 底板条件等因素, 确定支架最大高度为 63 m。 支架架型 选用两柱掩护式液压支架, 主要 原因 顶煤及顶板比较破碎, 尽可能缩短顶梁长度、 提高支架顶梁前端的支撑力; 根据液压支架的发展 方向及神东矿区的支架使用经验。 配套设备 刮板输送机为DBT 48 mmAFC; 采 煤机为 Eickhoff SL1000。 2 四连杆机构设计 四连杆机构是现代液压支架的主要稳定机构, 其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性; 承受 和传递外部载荷, 保证支架的整体刚度; 四连杆机构 的优化设计考虑了以下几个约束条件 根据配套尺寸, 确定合理的顶梁长度, 使支架 的支护强度满足要求。 在支架高度降低过程中, 梁端距逐渐变小, 顶 梁有向前运动的趋势, 防止架前冒顶和煤壁片帮。 优化四连杆机构, 尽可能降低四连杆机构的 内力。 根据上述约束条件优化出了 6. 3 m 支架的四连 杆机构, 其主要参数 梁端距变化量 mm72 掩护梁背角 13 55 最大前连杆力与工作阻力的比值0. 48 最大后连杆力与工作阻力的比值0. 28 顶梁前端合力 kN2 958 3 111 顶梁后端合力 kN6 654 7 396 底座前端比压 MPa2. 48 2. 87 支护强度 MPa1. 07 1. 12 1. 2 大缸径立柱的设计 立柱是液压支架的关键部件, 直接影响着液压 支架的支撑能力、 可靠性、 安全性, 根据 6. 3 m 支架 工作阻力确定立柱采用 400 mm 缸径双伸缩立柱, 立柱结构设计不仅要考虑其可靠性, 还要考虑其拆 装方便, 加工工艺性要好。本立柱主要研发的关键 技术如下 1 立柱缸口处的导向套采用矩形螺纹结构, 缸 口强度高, 拆装方便, 且不易损坏 传统缸口为三角 螺纹或卡键式结构 。 2 导向套与缸口静密封采用螺纹在前、 密封在 后形式, 便于安装且不易损坏密封件。 3 缸口与导向套之间设置有止退螺钉, 以防止 导向套松动和脱落。 104 第 29 卷第 11 期 2008 年11 月 煤 矿 机 械 Coal Mine Machinery Vol29No11 Nov. 2008 4 立柱底阀固定形式由单纯弹簧挡圈固定改 为螺纹堵加弹簧挡圈固定, 有效防止底阀在使用过 程中脱落。 5 立柱采用 1 000 L min 流量安全阀, 在缸底 直接快速接头安装安全阀, 有效防止冲击载荷损坏 立柱和支架结构件。 6 立柱球头尺寸加大到 SR110 mm, 减小球头 接触应力, 以防立柱球头挤压变形。 7 密封件采用进口, 增加立柱使用循环寿命 循环次数不小于 25 000次 。 8 立柱下腔进液口选用 DN20 接口, 控制阀选 用400 L min 大流量阀, 确保支架的循环速度小于 10 s。 9 立柱缸体、 导向套等材料选用 27SiMn, 热处 理调质硬度提高一个档次, 增加缸体强度, 防止立柱 胀缸。 10 活柱柱塞工艺孔加螺堵密封, 有效清除活 柱内部脏物, 保持立柱的清洁, 防止系统污染。 11 在结构尺寸允许条件下尽量加大柱塞与导 向套的搭接长度, 增加立柱的稳定性。 12 每根立柱的焊缝进行探伤处理和高压试 验, 确保立柱的焊接质量。 1. 3 高强度结构件的设计与工艺 1 选材 在满足支架强度要求的前提下, 为了 尽可能降低支架重量, 结构件板材选用国内能够批 量供货且性能比较稳定的高强度板材, 如 Q890、 Q690、 Q550、 Q460。 2 结构设计原则 包括选材、 结构、 焊接、 整体 性能原则。根据强度要求, 对结构件各个部位的选 材进行合理搭配, 保证高可靠性。尽可能增加顶板、 腹板的整体性, 减少焊缝数量和应力集中点。顶梁、 掩护梁、 底座主要结构件设计以纵肋为主, 减少横肋 布置, 增加焊缝的连续性。绝大部分焊缝采用坡口 加角焊缝形式, 熔深大, 强度高。主要结构件的顶、 腹板、 主肋贴板设计塞焊缝, 保证各部件的完整性和 整体强度。 3 焊接工艺要求 包括对板材、 结构件拼装间 隙焊接等方面的要求。焊前清除钢板表面氧化皮, 提高了钢板表面光洁度。结构件的拼装间隙不得大 于1. 5 mm。焊缝材料的抗拉强度不低于母材抗拉 强度。采用 Ar CO2混合气体保护焊。焊前预热、 焊后不完全回火、 消除残余焊接应力。 1. 4 支架重要结构设计 1 护帮机构 支架最大高度为 63 m, 一般情况下, 采高增 加, 煤壁压力增加, 片帮越深, 同时易引发冒顶, 对于 工作面的影响越大。影响煤壁片帮的因素很多, 支 架护帮机构的合理性是控制片帮的重要手段。为了 提高 6. 3 m 支架的防片帮能力, 有效保护设备及人 身安全, 支架顶梁前端采用带四连杆机构的二级护 帮机构, 最大护帮高度达 2. 8 m, 为目前国内最大, 护帮机构既可收回又可翻转 180 可上挑 3 , 护帮、 护顶性能好, 其主要参数见表 1。 表 1 护帮机构性能参数 项目一级护帮板二级护帮板 垂直位置前端最大力 kN113. 362. 4 水平位置前端最大力 kN43. 626. 8 护帮板最大支护面积 m21. 331. 6 护帮高度 m1. 321. 48 2 提高支架稳定性的措施 支架的稳定性是决定 6. 3 m 支架成功与否的关 键, 为保证支架的稳定性, 重点研究了能够提高支架 横向和纵向稳定性的关键技术和结构形式, 采取的 主要措施 总体设计保证支架重心及合力位置合理; 底座加宽、 加长, 增大接触面积; 立柱中心距加大; 减 小四连杆机构销轴和销孔最大配合间隙, 使成品后 的销轴和销孔间隙控制在 1 mm 以内; 支架设置双 向可调的顶梁、 掩护梁活动侧护板, 增大侧推千斤顶 缸径, 提高侧推力; 提高护帮护顶及对顶板的封闭性 能; 配备防倒调架及防滑连接装置。 3 推移机构设计 6. 3 m 支架选用整体倒装长推杆结构形式, 能 够实现推移千斤顶活塞腔拉架, 活塞杆腔推溜, 且拉 架时, 推移千斤顶对底座前端产生垂直向上的分力, 可将底座前端向上抬起, 有利于顺利拉架, 适应于这 种高产高效高可靠性的大采高支架, 保证整个工作 面配套的需求。目前国内生产高产高效高可靠性的 液压支架全部采用整体长推杆倒装形式, 结构布置 合理, 受力均衡, 性能稳定。国外为神东配套的两柱 掩护式液压支架也是采用整体长推杆结构的形式, 材料选用高强度等级钢材, 结构简单, 性能可靠, 可 以满足工作面高产高效的要求。 1. 5 液压系统配置 控制系统选用先进的电液控制系统, 能实现每 架单独动作、 单架成组动作、 多架成组顺序动作及工 作面集中控制, 自动化程度高; 液压系统的管路通径 105 第 29卷第 11 期 63 m 大采高液压支架的研制 冉玉玺, 等 Vol29No11 选用大流量液压管路系统。 主管路采用双回路环形供液, 保证了支架各种 动作准确、 快速到位; 从泵站到工作面的供液管路, 主进液高压胶管 为 DN65S, 主回 液高压胶管 为 DN70, 架间主进液高压胶管为 DN50S, 架间主回液 高压胶管为DN50。 6. 3 m 支架采用先进的电液控制阀, 进液接口 尺寸为 DN25、 回液接口尺 寸为 DN32, 进液通过 DN25 高压胶管与高精度手动双反冲洗过滤器连接, 回液通过 DN32高压胶管与回油断路阀连接。为降 低支架降、 移、 升循环时间, 控制立柱、 推移千斤顶动 作的主控阀芯采用 DN20和 DN12 系列, 主控阀与立 柱、 推移千斤顶之间用 DN20、 DN12 的高压胶管连 接, 其中每根立柱的升柱动作由单独的一个主控阀 芯控制, 这样从流量上保证了执行机构的运动速度。 1. 6 支架的主要参数 架型ZY10800 28 63型两柱掩护式液压支架 高度 mm2 800 6 300 中心距 mm1 750 宽度 mm1 650 1 850 初撑力 kN7 912 p 31. 5 MPa 工作阻力 kN10 800 p 43 MPa 支护强度 MPa1. 05 1. 1 对底板比压 MPa2. 48 2. 86 适应煤层倾角 10 操作方式电液控制 截深 mm860 泵站压力 MPa31. 5 2 工业性试验 6. 3 m 支架设计完成并顺利通过国家煤矿支护 设备质量监督检测中心的检测, 然后在郑煤机集团 公司按照欧洲EN1804 标准继续试验, 累计耐久性试 验58 000 次, 2007 年上半年, 完成整个工作面180 架 的生产。 2. 1 地质条件 试验地点选在神东上湾矿首采工作面, 工作面 地质条件如下 1 煤层 煤层厚 4 6 m, 煤层中含 1 2 层夹 矸, 矸石岩性为粉砂岩或泥岩, 夹矸厚度 0. 1 0. 4 m, 夹矸的单向抗压强度 50 100 MPa。煤层上部到 地面覆盖层厚度一般为80 180 m, 地面大部分被厚 风积沙覆盖, 回采时矿压显现剧烈, 地表呈台阶下 沉, 裂隙直达地面。煤层结构简单, 倾角 1 5 , 局部 5 8 。煤的单向抗压强度 22 57 MPa, 一般均大于 30MPa, 煤层裂隙不发育, 容重 1. 28 1. 4 t m 3。 2 顶、 底板 煤层顶板直接顶岩性为粉砂岩、 砂质泥岩和泥岩, 抗压强度 22 40MPa, 平均抗压强 度 32 MPa, 抗拉强度 1. 5 MPa。老顶为细- 中粗砂 岩。煤层底板均由砂质泥岩、 泥岩、 粉砂岩组成。直 接底抗压强度在天然未遇水情况下, 一般为 19 MPa, 最高 50 MPa 粉砂岩 。直接底遇水易泥化、 崩 解, 强度大为降低。 3 煤层的瓦斯 矿井属瓦斯矿井、 煤尘有爆炸 危险, 煤有自燃发火倾向。 2. 2 配套设备 工作面配套设备明细见表 2。 表 2 工作面配套设备明细 项目型号生产厂家数量 中部支架ZY10800 28 63郑煤机集团166 架 过渡支架IZYG10800 28 55郑煤机集团5 架 过渡支架 IIZYG10800 28 55郑煤机集团2 架 排头支架ZYT10800 28 55郑煤机集团7 架 采煤机SL1000Eickhoff1 台 刮板输送机48 mmAFCDBT GmbH1 台 2. 3 试验结果 工作面装完后, 于 2007 年 4 月份正式投入生 产, 截止到2007 年 12 月份, 已经累计产煤 700 万 t, 其中最高日产30 210 t。从使用情况来看, 支架平均 采高6 m 左右, 支架的稳定性、 可靠性经受住了井下 生产的考验且性能良好, 支架选型设计合理, 各项技 术指标达到了设计要求。 3 结语 ZY10800 28 63 型高可靠性大采高液压支架的 研制成功, 创造了厚煤层综采工作面一次采全高的 多项世界纪录, 实现了我国以及世界综采支护技术 的重大突破, 是我国高产高效综采设备国产化研究 的一项重要成果。ZY10800 28 63 高可靠性大采高 液压支架将成为我国综采发展史上的重要里程碑, 并对我国厚煤层综采技术的发展产生重要而深远的 影响。 参考文献 [ 1] 王国法. 液压支架技术[M] . 北京 煤炭工业出版社, 1999. [ 2] 高有进. 6. 3 m 大采高液压支架关键技术研究应用[ J] . 中州煤 炭, 20073 6- 7. [ 3] 张银亮. 掩护式大采高液压支架的开发与研制. 地下开采现代技 术理论与实践新进展[ C] . 北京 煤炭工业出版社, 2007. 作者简介 冉玉玺 1978- , 河南商丘人, 助理工程师, 2002 年 毕业于沈阳工业学院机械工程专业, 学士学位, 现从事液压支架设计 工作, 电话 0371- 67891189, 电子信箱ranyuxi yahoo. com. cn. 收稿日期 2008 -04 -24 106 Vol29No11 63 m 大采高液压支架的研制 冉玉玺, 等 第29 卷第 11 期