高端液压支架关键技术研究与产业化进展.pdf

第 39卷第 4期煤 炭 科 学 技 术 Vol39 No4 2011年4月 Coal Science and Technology Apr . 2011 液压支架技术专题 报 道 高端液压支架关键技术研究与产业化进展 王 国 法 天地科技股份有限公司 开采设计事业部, 北京 100013 摘 要 介绍高端液压支架技术发展背景, 提出基于液压支架与围岩耦合的三维动态优化设计方 法, 通过对高强度焊接结构钢、支架结构件残余应力分析、焊接机器人、电液控制系统和大缸径抗 冲击立柱等关键制造技术的综合研究与应用,推进了高端液压支架产业化发展; 最后总结了系列高 端液压支架研制和产业化实施效果,如成功研制的 ZY1700/32/70D、ZF150000/28/56等高端液压 支架,寿命达到 50 000次工作循环。 关键词 高端液压支架;围岩耦合;焊接机器人;电液控制; 试验台 中图分类号TD355 文献标志码A 文章编号0253- 2336 2011 04- 0078- 06 Research and Commercialization Progress ofKey Technology for H igh Rank Hydraulic Powered Support WANG Guofa D epart ment ofM ining and D esign, Tiandi Science and T echnology Company Ltd. , Beijing100013, China Abstract The paper introduced the technicaldevelopment background of the high rank hydraulic po wered support and provided the 3D dyna m ic opti m ized design based on the hydraulic powered support and the surrounding rock coupling . W ith the comprehensive re search and application of the high strengthwelded structure stee, lthe residual stress analysis on the support structure parts , welding ro bot ,electric and hydraulic control syste m, the large cylinder dia meter and i mpact resistance leg and other keymanufacturing technologies , the industrialized development of the high rank hydraulic powered supportwas put forward and finally ,the paper summarized the research , development and industrialized i mple mentation effectof the series high rank hydraulic powered support ,including the successful research and development of ZY1700/32/70D、 ZF150000/28/56 and other high rank hydraulic powered supports w ith a service life of 50 000 working circles. K ey words high rank hydraulic powered support ; surrounding rock coupling ; welding robot ;electric and hydraulic contro;l test- bed 1 研究背景和目的 液压支架是煤矿开采重大设备,高端液压支架 是指用于高效开采工作面的高可靠性液压支架, 其 技术特征是高工作阻力 一般 8 000 kN以上 、高 可靠性寿命 30 000次工作循环以上 、高支护质 量、电液控制、采用高强度材料制成, 满足工作面 安全高效生产要求。截至 20世纪末,虽然我国已 经形成了独立自主的支架设计创新体系,并成功研 发了支撑掩护式、掩护式支架及放顶煤支架等多种 架型,但受基础工业水平的制约, 国产液压支架始 终处于中低端水平。 2003年以前,神华集团和晋 煤集团等现代化大型煤矿使用的高端液压支架完全 依靠进口,形成了国外公司垄断我国高端液压支架 78 王国法 高端液压支架关键技术研究与产业化进展2011年第 4期 市场的局面。进口液压支架价格昂贵、使用过程中 配件成本高, 严重制约了大型现代化矿井的建设。 为开发具有自主知识产权的国产高端液压支 架, 需解决以下主要技术难题 大采高、超大采 高条件下支架 - 围岩关系发生变化,支架稳定性与 围岩控制难度大; 高端支架要求高可靠性设计, 而现有设计理念、方法和手段不适应; 大采高支 架质量与可靠性矛盾突出, 要求高强度材料,而国 产材料难以达到材料差距几代 ,且材料强度越 高焊接难度越大, 关键制造工艺达不到要求,现有 材料的焊接冷裂、低周疲劳突出;大缸径抗冲击 立柱和电液控制等元部件的关键可靠性问题难以解 决, 密封等关键元部件技术瓶颈制约; 现有试验 条件无法满足高端支架试验要求;支架的整体可 靠性差, 无故障运行时间短,寿命只有 15 000次 工作循环,与欧洲标准 30 000次差一半。 笔者将针对高端液压支架的关键技术及其产业 化先进制造技术和工艺装备情况进行详细的分析 总结。 2 高端液压支架关键技术 21 液压支架围岩耦合模型 支架 - 围岩耦合作用机理是研究液压支架适应 性和工作面设备选型配套的主要理论依据, 其实质 是分析各种围岩状态下支架呈现何种反应以及支架 性能、结构对支架受力及围岩运动的影响, 从中分 析支架应该具有的最合理结构及参数。 由于回采工作面支架必须与开采后形成的上覆 岩层大结构相适应,回采工作面支架必须具备以下 特征 具有良好的支撑性能; 具备一定的可伸 缩性 让压性 ; 具有良好的防护性能。 支架的支护性能, 一般是指支架的支撑力与支架 可伸缩量的关系特征。由于支架处于对上覆岩层形成 的支撑体系 煤壁 - 支架 - 采空区已冒落矸石 之 中。煤壁相对有较大刚性, 采空区已冒落的矸石则具 有较大的可伸缩性, 支架处于两者之间, 其性能将直 接影响支架受力的大小和工作面围岩运动。支架结构 及其性能的设计必须符合回采工作面围岩运动规律, 只有这样才能使支护结构设计既经济又合理。同时, 也只有支架的支撑力分布合理, 护顶装置可靠, 才有 可能维护好顶板, 保证工作面安全生产, 支架与围岩 相互耦合作用关系如图 1所示。 图 1 支架与围岩相互耦合作用关系 从图 1可知,工作面支架与围岩相互耦合作用 关系具有以下特点 支架与围岩是相互作用的一 对力。在小范围内,支架可以视为一个被动的反作 用力,围岩形成的顶板压力则是一个主动的作用 力, 两者应相互适应, 使其大小相等, 而且尽可能 作用在一个作用点上。 支架受力的大小及其在回 采工作面分布的规律与支架性能有关。 支架结构 及尺寸对顶板压力有影响。 22 基于围岩耦合的液压支架三维动态优化设计 方法 充分考虑围岩对支架结构形式、支护强度及运 动能力的影响,可最大程度地提升支架对工作面生 产工艺的适应性, 提高对顶板来压等突发状况的响 应能力。基于支架 - 围岩耦合的三维参数化动态设 计是从顶板运动规律出发, 通过动态模拟将顶板的 断裂、下沉、破碎、垮落等转化为对支架的压力、 扭矩、变形、移架速度等边界条件,运用一系列的 条件,动态规划支架的工作阻力、架型和控制参 数, 使之能够满足和适应顶板运移规律的要求, 安 全有效地支撑顶板和维护其稳定性,综合考虑煤壁 和底板的特性,确定护帮、抬底等辅助机构的形式 和特征参数。 该方法的特征在于充分考虑围岩的动态特 性, 通过支架和围岩实时的相互作用关系, 将围岩 下沉、断裂等变化以力、力矩和边界条件等形式传 递给支架,支架对此做出形式和特征参数上的响 应, 并将响应结果以力、力矩的形式反馈给围岩, 从而控制其垮落及应力、应变场的分布。基于支架 围岩耦合原理和虚拟现实技术, 开发了自顶向下三 维动态设计系统,采用 M atlab仿真软件开发了液 压支架连杆机构优化计算程序,并借助于 Pro E中 的 关系 接口, 与 Pro E布局文件相结合,通过 79 2011年第 4期煤 炭 科 学 技 术第 39卷 布局来声明产品的 骨架 结构,再由 骨架模 型 驱动整体三维结构。上述方法实现了结构参 数优化与三维建模的无缝衔接, 有效地提高了设计 效率,为结构和参数优化设计打造了一体化平台, 实现由传统二维设计向三维动态设计的跨越。 三维动态设计的突出优点是实现支架与围岩最 佳耦合, 总体参数和结构的最佳化,解决大采高支 架的稳定性问题, 材料最有效利用,使支架的寿命 由 15 000次工作循环提高到 50 000次。 23 液压支架用高强度材料及焊接工艺 针对高端支架强度和减重要求,开发了液压支 架用 Q690 Q960高强度钢板,实现材料强度和性 能上的突破, 抗冷裂、焊接性能良好。不同领域主 要设备结构材料强度等级对比如图 2所示。 图 2 不同领域主要设备结构材料强度等级对比 对于液压支架材料的选用来说,经济合理的材 料应是可焊性高强度钢,在中国钢分类标准 GB /T 13304中称作可焊接低合金高强度结构钢。这一类 钢在国外通常称为低合金高强度钢H igh Strength Low Alloy Steels, 或者说它是低合金高强度钢中 的一部分 新开发的焊接高强度钢又属于低碳或 超低碳, 并以碳氮化物形成元素合金化的微合金钢 范畴 。这是基于支架主要为焊接结构件的角度来 考虑的, 这类钢材的高强度和良好的综合性能, 可 以提高设备的耐用性和使用寿命。 液压支架选用高强度结构钢已成为未来的发展 趋势,但是由于高强钢对缺口的敏感性,导致焊接 件易出现裂纹、开焊等缺陷。笔者所在项目组与有 关企业合作, 对煤矿机械用高强钢进行了开发, 研 制了液压支架用 460 960MPa易焊接高强钢, 形 成了易焊接 CF系列高强钢产品。 通过对高强钢产品的化学成分进行合理调配, 充分利用微合金元素的综合作用, 降低了钢的碳含 量及碳当量, 改善了焊接性能; 采用两阶段轧制和 冷却 TMCPThermo- MechanicalControl Process 技术,利用厚板轧机的强力轧制和强制冷却技术, 充分细化钢的微观组织结构,在大幅度提高强度的 同时,保证了良好的低温韧性。高强钢产品达到了 如下水平。 1 Q690屈服强度大于 690MPa, 抗拉强度大 于 770MPa , 夏氏冲击功 - 20 不小于 150 J, 焊接裂纹敏感性系数 Pcm02 ,一般情况下焊 接时,不需考虑预热。 2 Q800屈服强度大于 800MPa, 抗拉强度大 于 900MPa ,夏氏冲击功 - 20 不小于 150 J ,焊接裂纹敏感性系数 Pcm 025,正常焊接时 预热温度以不低于 50 为宜。 3 Q960屈服强度大于 960MPa, 抗拉强度大 于 1 060MPa ,夏氏冲击功 - 20 不小于 107 J ,正常焊接时预热温度应以不高于 125 为宜。 采用陶瓷电阻预热和低温焊接新工艺、接头强 度与母材强度等焊接工艺可以很好地满足支架结构 件焊接的要求。 24 结构件焊接残余应力分析与消除 根据液压支架结构件不同部位所承受力的性 质, 采用 X射线应力仪对支架的主体结构件顶梁、 掩护梁、底座分别布置了 10个测点,进行了残余 应力测试,测试结果见表 1 。 表 1 残余应力测试结果 测试 构件 屈服强 度 /MPa 各测点残余应力 /MPa 12345678910 顶梁550538 386 462 418 456 422 422 418 390 400 掩护梁46084 258 365 352 365 387 275 384 350 312 底座550330 295 243 243 224 329 230 2222432 通过对测试结果进行分析可知顶梁结构的焊 接残余应力最大, 接近母材的屈服强度,相当于 096s s为材料层膨胀强度 ; 底座焊接残余应 力相对最小, 相当于 06s;掩护梁焊接残余应力 相当于 083s。 通过对不同工艺组装顺序应力状况、不同焊接 工艺残余应力状况以及自然时效焊接残余应力及应 力分布情况分别进行分析测试,得出了如下结论。 焊接结构件残余应力大小与组装零件数量、板材 厚度、结构形状复杂程度成正比; 其他条件相同 的情况下,残余应力与组成构件的钢板强度成正 比; 残余应力与组装顺序、焊接顺序密切相关; 80 王国法 高端液压支架关键技术研究与产业化进展2011年第 4期 正确的热时效工序可降低结构件焊接残余应力 90以上;热时效处理后焊接残余应力值最高为 026s,效果明显优于短时间自然时效的效果。 25 焊接机器人研制 为了提高结构件的焊接质量,提高生产效率, 减轻工人劳动强度,研究了柔性焊接机器人系统, 采用德国 6轴 KUKA KR16焊接机器人 10 t双立 柱两轴 变位 机 HDVS100 3 轴机 器 人龙 门架 HLV03- 123组合成 11轴机器人联动技术,如图 3 所示。 图 311轴机器人联动技术 HDVS100变位机由负载为 10 t的单轴机器人 变位机和负载为 20 t的单轴机器人变位机组合而 成, 可以实现工件轴向和径向的回转, 因而可以实 现绝大部分焊缝的船型位置焊接。对于一次焊接, 所有焊缝都可以实现在船型位置进行焊接; 对于二 次焊接, 所有焊缝都可以在船型位置或平焊位置进 行焊接。由于采用了两轴变位机, 机器人始终位于 变位机的一侧进行焊接,从一定程度上也减少了机 器人行走机构的行程, 降低了编程难度。由于变位 机驱动采用和机器人驱动同一系列的交流伺服电 机, 同时受机器人控制器控制, 因此机器人本体运 动和变位机运动可以联合进行轨迹插补。 由于变位机带动工件进行变位,工件在空间中 有一定的运动范围,而且有内部格子间焊缝需要焊 接, 因此机器人需要配合 3轴龙门架解决可达性的 问题,由于龙门架运动采用的伺服电机和伺服驱动 与机器人属于同一系列,可以实现龙门架运动和机 器人本体运动的联合轨迹插补。 六轴机器人和龙门架配合使用,使得该机器人 工作系统有极大的工作范围和极好的系统柔性。掩 护梁和顶梁的完焊率可以达到 85 以上,底座由 于部分格子间深度达 1 000 mm 以上,完焊率在 75左右。 26 电液控制系统研制 液压支架电液控制系统的核心部件是支架控制 器、电磁换向阀等,操作者在支架人机操作界面实 现与系统的交互, 通过支架控制器驱动电磁先导 阀, 由电磁先导阀实现电液信号的转换,最后由主 阀将液压信号放大,控制油缸的动作, 从而实现支 架的动作控制,支架动作过程可以通过压力、行程 和角度等传感器进行监测, 实现支架动作的闭环控 制, 如图 4所示。电液控制系统作为工作面自动化 系统的核心, 自主知识产权电液控制系统的研发成 功标志着国产工作面自动化系统的重大进步。 图 4 电液控制系统连接示意 成功研制的 SAC 型支架电液控制系统在以下 方面进行了技术创新。 进行支架电液控制系统的 结构创新,采用支架控制器与人机操作界面分离技 术, 简化人机操作界面设计,提高控制器的防护等 级和防护效果; 将驱动电路融合到支架控制器 中, 使支架控制器布局合理,易安装; CAN总 线技术在支架电液控制系统中的应用;智能隔离 耦合器在 CAN网络中的应用; 采用人机界面从 控制器中分离出来的结构, 提高了控制器的防护等 级, 使控制器防护等级达到 IP68 ;本安型嵌入 81 2011年第 4期煤 炭 科 学 技 术第 39卷 式支架电液控制系统巷道监控主机技术应用;研 制出自主知识产权的电磁先导阀和整体主阀,并取 得了专利;自主创新研制出自动反冲洗高压过滤 站;设计手段创新, 如采用虚拟设计技术,用三 维软件建模,用 CFD软件进行动态流场计算并完 成虚拟样机;测试方法创新, 如研制出电液控换 向阀自动检测系统; 加工工艺创新, 如采用高精 度加工设备,研究出高效的成形刀加工方法和工 艺, 保证了加工的一致性。 与国外同类产品比较,SAC型支架电液控制系 统急停命令的响应速度 300 ms 远快于德国 PM32型支架电液控制系统的响应速度 500m s, 国产支架电液控制系统的操作性能、安全性,电控 换向阀等关键液压元件的可靠性高于国外同类产 品。国产电液控制系统的研制成功,将解决现有国 产电液控制系统技术中普遍存在的问题,使电液控 制系统的可靠性和适应性能指标大幅提高, 并达到 实用阶段,将打破电液控制系统完全依赖进口的局 面, 为我国支架参与国际市场竞争创造条件。 27 密封与抗冲击立柱 立柱和千斤顶是液压支架的关键元部件,其性 能关系到液压支架的支撑能力、可靠性、安全性, 直接影响综采工作面的安全性和生产效率。随着支 架工作阻力的提高,立柱缸径越来越大,对立柱和 千斤顶可靠性的要求也越来越高。自 2002年以来, 在对液压支架进行深入研究的同时,对立柱和千斤 顶及其密封技术进行了深入的研究。开发研制了 360 、380 、400、420 、 440和 500 mm 缸径抗冲击 双伸缩立柱; 发明了用不锈钢材料包覆立柱活柱的 新工艺, 改变了以往镀铬层防腐的传统方法,有效 地提高了立柱的防腐蚀性能和可修复性,并减少了 因镀层产生的污染;开发设计了抗冲击立柱,有效 地提高了立柱的抗冲击性能。 在密封技术及高可靠性密封件方面,开发了带 切口的聚氨酯密封圈密封结构, 研制了新型聚氨酯 液压密封组件,简化了密封结构, 提高了密封可靠 性, 大幅改善了装配性能, 创新开发了复合密封圈 密封结构,提高了密封可靠性, 充分发挥了不同材 料的优良特性组合,克服了由单一材料在硬度和弹 性上的难统一和成本问题; 开发了聚氨酯密封件无 模切削加工新工艺,密封件性能和可靠性达到进口 同类产品水平,在高端液压支架上广泛推广应用, 寿命提高 5倍,突破了密封技术瓶颈。 3 系列高端液压支架研制 高端液压支架的现代设计理论、材料、关键元 部件及其先进制造技术和试验检测技术的新突破, 大幅提高了国产高端液压支架的产业化水平。煤炭 工业的快速发展, 为高端液压支架产业发展提供了 空前机遇。目前我国相继成功研制了各种类型的高 端薄煤、中厚煤层、大采高液压支架及高端放顶煤 液压支架。 1ZY12000/28/65D型大采高液压支架。其 是 十一五 国家科技支撑项目 年产千万吨级 矿井大采高综采成套装备与关键技术 中的关键 设备,在支架的研发过程中已经申报了多项国家专 利, 首创二级 护帮、微 隙准刚 性四连杆 机构, 50 000次工作循环寿命。 2ZY17000/32/70D 型超大采高液压支架。 根据晋陕蒙等大型煤炭基地 6 7 m 稳定厚煤层赋 存条件和提高采出率要求, 于 2006年首次开发设 计研制了大工作阻力、具有三级协动护帮机构的 72m 大采高掩护式液压支架,并申报发明专利。 神华集团补连塔矿首套 7 m大采高液压支架已成功 应用。陕煤集团红柳林和鲁能三道沟煤矿正在装备 ZY17000/32/70D型超大采高液压支架。该支架采 用 205m 中心距,立柱缸径达到 500 mm,额定工 作阻力达到 17 000 kN。 3 ZF15000/28/52型四柱大采高放顶煤高端 液压支架。 煤矿安全规程 第 68条规定放顶煤 采放比不得大于 1 3 ,为解决 10 m 以上厚煤层的 安全高效开采,实现放顶煤技术的新突破,2003 年天地科技股份有限公司开采装备技术研究所提出 了大采高放顶煤液压支架的概念, 并根据兖矿和同 煤塔山矿、平朔安家岭等矿区条件,研制了 38 52m 的大采高放顶煤液压支架。ZF15000/32/52 型四柱大采高放顶煤高端液压支架是目前最大工作 阻力、最大采高的放顶煤液压支架,该支架发明了 双前后连杆中通式结构及强扰动放煤结构等新 结构。 4 高端液压支架试验台系统研制 液压支架试验台的建设总是伴随着液压支架的 发展,目前国外最大的液压支架试验台最大垂直承 82 王国法 高端液压支架关键技术研究与产业化进展2011年第 4期 载能力 20 000 kN,水平加载能力 6 000 kN,试验 高度小于 6m。通过对国内外液压支架试验台进行 调研,并综合考虑国内液压支架技术水平及发展趋 势, 研制了世界最大的支架试验台系统,即 40 000 k N液压支架试验台,其结构模型如图 5所示, 其 主要参数如下 额定承载能力 /kN40 000 水平方向承载能力 /kN6 000 水平方向行程 /mm0 450 试验台试验高度 /mm1 050 7 300 单次高度调节量 /mm450 工作台可调整高度 /mm6 750 承载台面尺寸 / mm mm3 300 9 800 试验台外形尺寸 / mmmm mm12 410 9 900 13 110 系统压力 /MPa315 主要承力销轴直径 /mm240 试验台质量 /t6005 图 5 试验台主体结构模型 立柱和千斤顶是液压支架的主要承载部分, 立 柱、千斤顶的尺寸参数和性能参数需要与液压支架 相适应, 研制了 17 000 kN立柱、千斤顶试验台, 其主要技术参数如下 试验台公称加载能力 /kN1 700 额定垂直加载能力 /kN17 0348 供液压力 31 5M Pa 加载油缸直径 /mm830 加载油缸行程 /m1 050 加载速度 / mm min- 110 150可调 试验高度长度 /mm1 000 6 000可调 承载台面尺寸 / mm mm1 200 1 200 试验台 参考 / mm mm mm12000 4 000 1 800 5 高端液压支架产业化及实施效果 1 产业化包括 2个主要方面,一是核心技术 和先进制造技术, 另一方面是先进管理和质量保证 体系。通过对工人、原材料、工序、工期等生产要 素的协调和管理, 规定生产所应遵循的原则、流程 和方法来实现对产品质量的保证,在质量控制中, 强调事前控制,以主动控制为主, 加强质量的事中 控制及事后控制的验收工作,确保支架质量目标的 实现。样机设计方案审查,工艺方案审查,原材 料、外协件、外购件的采购,结构件焊接、零部件 制造,样机验证, 零部件的热处理和表面处理, 立 柱和千斤顶的组装与试验, 产品组装与出厂试验等 环节是质量控制的关键点, 关键点是保证高端液压 支架制造质量控制的重点, 是为了保证产品质量而 确定的重要控制对象、关键或薄弱的环节, 设置质 量控制关键点是产品质量保证的重要措施。 2 近年来,我国高端液压支架产业化快速发 展, 国产高端液压支架已完全替代进口,并越居世 界领先, 彻底改变了我国高端液压支架依靠进口的 局面,带动了相关产业链的发展, 推动了重大装备 技术的进步。 近 3年来,在我国 50多个矿区推广应用高端 液压支架 33 600多台, 建成了一大批年产 600 1 000 万 t的工作面。高端液压支架实现产值 560多 亿元,应用单位实现增收节支达 1 000亿元以上, 该成果的推广应用,带来了较大的社会效益和经济 效益。 参考文献 [ 1] 王国法, 刘俊峰, 任怀伟 大采高放顶煤液压支架围岩耦 合三维动态优化设计[ J]. 煤炭学报,2011 ,36 1145 - 151 . [ 2] 任怀伟, 王国法, 范 迅 基于有限元分析的支架箱型截 面几何参数优化[ J]. 煤炭学报,2010,35 535- 37 . [ 3] 王国法, 徐亚军, 任怀伟, 等. 高端液压支架及先进制造 技术 [M ]. 北京 煤炭工业出版社,2010 . [ 4] 王国法 液压支架控制技术[ M ]. 北京 煤炭工业出版 社,2010 . [ 5] 姚连登, 赵四新, 赵小婷, 等 直接淬火研制 800MPa级低 焊接裂纹敏感性高强度厚钢板[ J]. 材料热处理学报, 2009 ,30 330- 32. [ 6] 任怀伟, 王国法,范 迅, 等 液压支架双伸缩立柱有限 元分析及结构改进[ J]. 煤炭科学技术,2009,37 12 22- 24 . 作者简介 王国法 1960 , 男, 山东文登人, 研究员, 长 期从事煤矿机械化开采装备技术、工作面支护技术和液压支架研究 工作。Te l010- 84262016,E- mai lccri wg f263net 收稿日期2010- 12- 13; 责任编辑 赵 瑞 83