工作面端头超前支架液压控制系统设计及工程实践_王兴.pdf

煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 0引言 采煤工作面端头处是切眼和顺槽的交汇处， 各种 电气、 机械设备布置交汇于此， 不仅围岩压力大， 而且 人员经常从此处通过。切眼和顺槽交叉口， 矿山压力 显现， 传统的单体液压支柱支护效果不是很好， 为解 决该问题， 根据目前自移动式支架特点， 设计液压控 制系统的齿形交错的支架作为工作面端头支护设备[1]。 超前液压支架是由推移千斤顶进行推移行走， 四 连杆机构是支架顶梁的一部分，主要起平稳升降作 用。考虑到煤岩块的掉落， 在支架顶梁两侧还设有液 压缸驱动的护帮板。 支护强度的大小主要靠液压支架 液压系统控制效果和能力。论文根据端头使用要求， 对超前支架的液压元件[2]， 液压系统的安全阀是否满 足顶板周期来压要求等做了相应研究， 最后通过工业 性实践对该液压支架的实用性进行验证。 1超前支架液压控制系统简介 巷道的乳化液泵站给端头超前支架液压控制系 统提供动力。主控阀、 安全阀、 乳化液、 各种液控单向 阀构成了超前支架的液压系统。 高压液油由乳化液泵 站供给， 主控阀控制其流向， 经过液控单向阀后流入 无杆腔内， 此时在压力作用下， 使得顶板支撑上覆岩 体， 而后油液在主控阀作用下回至乳化油箱中。为避 免过载造成液压支架损坏，液压系统中设有安全阀， 安全阀此时设定一固定值，当压力超过固定值后， 油 液在安全阀作用下卸荷； 液压系统中还设有换向控制 阀， 换向控制阀正常情况是中位， 其作用是保证无杆 腔油液满腔， 为支架提供足够动力支撑顶梁。 端头超前液压系统控制的支架， 为支撑住顶板周 期来压，设计了液压控制系统的主控阀和单向阀时， 其额定工作压力高于提供动力的乳化液泵站的最大 压力， 因为第一次工作面顶板周期来压显著， 破坏性 强， 此时会造成液压元件中液体压力急剧增加， 短时 间内会大于乳化液泵站的额定工作压力， 设计时也是 考虑了工作面第一次周期来压的这一特点[3-4]。 2支架液压元件选型设计 1 ）液压泵站选型 。 工作面端头处本身空间有限， 再加上设备交汇于此， 为了更加合理化， 乳化液泵站 设置在远离端头一定距离的顺槽内， 通过乳化液泵站 提供的油液， 可升降、 拉移端头超前液压支架。 考虑到 矿井工作条件，较为适用的是 WRB200/32 型乳化液 泵， 本次设计 3 泵 2 箱并联工作， 乳化液泵两用一备， 经查资料，该型号乳化液泵提供压力约为 34MPa， 额 定流量为450L/min。 2 ） 安全阀选型。 油缸工作流量 Q1 Q1A1V10.03140.1560103283L/min（1 ） 工作面端头超前支架液压控制系统设计及工程实践 王兴 （山西西山晋兴能源有限责任公司 斜沟煤矿 ， 山西 兴县 033602 ） 摘要 简单介绍了超前支架的液压系统， 选型设计关键元器件。对安全阀的作用、 要求、 结构、 特征 等作了相应研究， 分析了安全阀对周期来压的响应及工作特性。把研究成果应用于煤矿实践， 还与普 通超前支架作了对比， 结果表明液压系统控制的超前支架性能好， 安全性高， 支护效果佳。 关键词 端头 ； 液压系统 ； 液压支架 ； 巷道维护 中图分类号 TD355.4文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2019 ） 05- 0102- 04 Design and Engineering Practice of Hydraulic Control System for End Face Advance Support in Mining Face WANG Xing （Shanxi xishan JinXingenergyco., LTDXiegou Mine， Shanxi Xingxian 033602 ） Abstract The hydraulic system of the advance support is briefly introduced, and the key components of the selection and design are intro- duced. The function, requirement, structure and characteristics of the safety valve are studied. The response and working characteristics about the safety valve to periodic pressure are analyzed. The research results are applied to the coal mine practice and compared with the common lead support. The results showthat the hydraulic systemcontrol lead support has good perance, high safety and good support effect. Key words face end ； hydraulic pressure system; hydraulic support ; roadwaysupport 102 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 式中 V1为油缸速度，取 0.15m/s； A1为油缸面 积， A1π 4 D12 3.14 4 0.220.0314m2 ； D 1为油缸直径， 200mm。 根据矿压规律，顶板在破断时会释放突发能力， 则液压支架偶尔会受到顶板瞬时冲击压力， 为保护立 柱和其他结构件， 需要及时卸压， 这时就急需一个的 大流量灵敏安全阀。充分考虑上述因素， 在立柱下腔 设计安装一个大流量灵敏安全阀。 3 ）液控单向阀选型。 为了保护立柱内腔液压损 失， 并且还需与安全阀相配， 需要对液压控制系统的 单向阀选择恰当的参数、 型号等， 选定的液压控制系 统单向阀参数见表 1。 表 1液压控制系统单向阀参数表 4 ）千斤顶液控单向阀选型。 千斤顶工作流量 Q2A2V20.07850.126010394L/min（2 ） 式中 V2为油缸速度，取 0.1m/s； D2为护帮缸直 径， 100mm； A2为护帮无杆腔面积， A2π 4 D22 3.14 4 0.120.0785m2。 根据上述计算和手册的查询， 本次设计选择型号 为 FDY125/50 的千斤顶液控单向阀。其额定工作流 量为 150L/min， 额定工作压力为 45MPa。 5 ）电液控制阀选型。 工作面端头超前支架液压控制系统电液控制阀 选择 EEP 型 [5]，电液控制阀组由多个电液控制阀组 成， 该电液控制阀组可以进行换向， 有利于支架工作， 其结构如图 1 所示。 图 1换向电液控制阀 换向电液控制阀部件是模块化结构。 为了抵抗腐 蚀性和确保该阀使用寿命， 其材质选择防锈材料。换 向电液控制一大优点就是阀芯截面积较大， 油液通过 容易， 不会产生较大阻力， 节约了反应时间， 遇到紧急 情况能够及时开关， 另外也降低了油液当中介质的污 染。在电液控制阀上还设计了指示灯， 指示灯主要提 供检查时的灯光和核对的开关动作信号。 6 ）液压辅件选型。 手动反冲洗过滤器被安装在 液压控制系统的支架进液管上； 对密封件产品、 胶管 产品均作了一定要求。 3液压控制系统安全阀研究 3.1安全阀的作用及要求 液压支架实际工作压力主要靠液压系统中的安 全阀实现，安全阀是液压控制系统的不可或缺的元 件， 不仅有安全限定值， 还对液压支架的强度、 支护顶 板和护帮能力都起着重要作用。 在安全范围内有溢流时， 必须要求安全阀处于额 定流量内， 并且最高溢流压力不得大于限定值， 这样 安全阀就起到保护其他元件避免过载损坏；当然， 安 全阀最小溢流压力也不得低于下限值， 避免造成液压 支架无支护能力， 引起顶板冒落事故， 另一方面也要 体现安全阀能够使得液压支架发挥其支护能力。 3.2安全阀结构及特征 现在生产的安全阀类型主要有阀垫型、钢球型、 聚甲醛锥阀型等。 阀体、 O 型圈、 阀芯、 弹簧、 调压螺 丝等元部件组成了液压支架系统中的安全阀。 液压系 统的安全阀一般工作压力约为 50MPa，其流量在 5～8L/min。 安全阀在阀开启前、 后， 油液面积也会有所变化， 则有 Δppk- pb （3 ） 式中 Δp 为压力差； pk为开启压力； pb为关闭压 力。 安全阀开口变化，就会引起安全阀溢流变化， 随 之影响弹簧力大小改变， 进而促成油液工作压力发生 改变。 3.3安全阀对周期来压的响应 性能优良的安全阀， 在顶板周期来压来临就会做 出以下响应 1 ）反应敏捷。 矿山压力具有瞬时性， 为了保护液 压支架不被损坏， 确保工作面安全， 在周期来压时， 安 全阀必须迅速响应， 使得支架具有足够的支撑力。弹 簧刚度、 阀的安装情况、 流量变化特性决定了安全阀 反应速度， 另外安全阀溢流口还要求尽量安装在周期 来压传递液压力的关键点范围内， 立柱对周期来压响 应示意如图 2 所示。 单向阀部分参数数值单位 流量450L/min 工作压力55MPa 控制压力12MPa 103 ChaoXing 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 图 2立柱对于周期压力时的反应 在正常情况下， 压力基本保持一个较小波动的范 围内， 主控阀是一种静止状态， 促使 A、 B 两进油、 回 油口没有乳化液流经， 液压支架此时所受压力假设为 F， 腔内油压假设为 P； 一旦顶板出现周期来压， 液压 支架就会收到顶板的瞬时附加冲击载荷， 假设为 ， 相 应腔体内的液压力附加值假设为 ΔPf， 假设在 D 口设 置安全阀溢流， 压力是从上往下传递， 有一定时间， 压力传递速度用 V 表示， 根据图 2 示， 则液压增加 值 ΔPf传到溢流口 D 所需时间就为 L/V；假如安全 阀溢流口设置在立柱腔上端面， 压力传递距离短， 就 会省去传递时间或减少传递时间，相应安全阀相应 速度就更加敏捷。 从上分析可知， 矿压显现的工作面 端头， 为保证安全， 溢流口尽可能设置在液压传递点 区域。安全阀和液压腔尽可能用较短管路相连， 为的 是降低压力损失， 减少液压力传递时间， 确保安全阀 迅速响应。 2 ） 流量满足使用要求 。 顶板出现周期来压时， 压 力非常大， 此时安全阀的作用就是卸压， 保证支架顶 梁压力迅速传递。该安全阀有一大优势就是流量大， 溢流快速， 进而避免了支架因承受不住发生破损。 3 ） 小压差开启、 闭合。 当顶板发生周期来压时， 支 架顶板承受压力瞬间变大， 力具有传递性， 顶梁将该 力传递给腔内油液， 一旦安全阀压力达到限定值就 会卸压，这样就能有效保护液压支架过载损坏； 若 液压力达到闭合的安全阀设定压力值时， 安全阀自 动闭合， 腔内油液仍有较大压强， 给顶板一定的支 承作用。因此， 安全阀在开启和闭合时， 均是检测到 液压的变化做出的反应， 而且以小压差的形式凸现 出来。 4工业性实践 4.1矿压观测 该液压控制系统下的支架在某矿 93 下 02 工作 面端头做了工业性试验， 为了观测、 验证该支架具有 良好的应用性， 在煤矿 93 下 02 工作面端头处做了矿 压观测， 矿压观测位置示意图见图 3 所示。 图 3矿压观测位置示意图 根据预先设定的观测方案， 测点布置在 93 下 02 运输顺槽内， 共布置了四个测区， 安装仪表后进行观 测， 观测的矿压数据整理后见表 2 所示。 表 2矿压观测数据整理表 4.2不同工作面超前支护比较 在某矿两工作面做了工业性试验， 两工作面地质 条件及矿山压力相近， 液压支架基本同时安装， 采煤 时间、 方法基本保持一致。为了验证本次设计的端头 超前液压控制的支架是否具有优势，进行了对比试 验， 一个工作面端头超前支护采用本次设计的超前液 压控制的支架， 另一个对比的工作面端头采用普通的 支架支护。对两工作面进行开采， 分别测定两个工作 面运输顺槽的变形量，顶底板移近量如图 4 所示， 两 帮移近量如图 5 所示。 图中上面蓝色的曲线表示工作面端头采用的是 普通支架支护时， 巷道顶底板和两帮变形量； 下面红 色的曲线表示工作面端头采用的超前液压控制系统 的支架支护时， 巷道顶底板和两帮变形量。从顶底板 和两帮变形量来看， 超前液压控制系统的支架对顶板 及帮的维护效果更好，对端头超前支护提高了安全 性。 说明超前液压控制系统的支架在矿山开采中具有 优越性和适用性。 观测位置参数最大 /MPa最小 /MPa平均 /MPa I 测区 初撑力241419 工作阻力271822.5 II 测区 初撑力221518.5 工作阻力252022.5 III 测区 初撑力231519 工作阻力261922.5 IV测区 初撑力201417 工作阻力241921.5 104 ChaoXing （上接第 101 页 ） 截齿平均消耗量为 0.06 把 /m3， 普通截齿平均消耗量 为 0.15 把 /m3。因此， 在同条件截割下， 经过等离子堆 焊技术处理可以有效提高综掘机截齿的耐磨性， 有助 于减少截齿齿尖断裂失效， 显著降低了综掘机在掘进 时截齿损失。 5结论 从综掘机截齿损失种类出发， 介绍了等离子堆焊 材料和堆焊参数、 工艺， 并对堆焊截齿在实验室和现 场做了相应试验， 可以得出以下结论 1 ） 截齿损失有截齿磨损、 刀头脱落和刀头碎裂 三种情况， 而截齿磨损是综掘机截齿损失的主要类 型。 2 ） 等离子堆焊材料采用了合金材料和陶瓷材 料， 运用这两大类复合材料对截齿进行了等离子堆 焊处理。 3 ） 分别在实验室做了实验性试验和现场做了工 业性实践， 试验表明堆焊截齿截割效果好， 比普通截 齿损失量小，说明等离子堆焊技术能够有效降低综 掘机截齿损失。 参考文献 [1] 陈丽梅,李强.等离子喷涂技术现状及发展[J].热处理技术 与装备,2006,011- 5. [2] 张丽民.等离子束表面冶金 Fe 基涂层的研究[D].山东科 技大学,2005. [3] 王新.提高掘进机截齿可靠性的途径[J].煤矿机械,2010,31 （05） 179- 181. [4] 朱培星,应明,韩宇飞.掘进机截齿的保护方法研究[J].焊接 与切割,2010 （2） 51- 52. [5] 李立鑫,李一,柳学全,等. Cr_3C_2 基金属陶瓷的研究进 展[J].粉末冶金技术,2014,02126- 132. 作者简介 马嘉 （1983-） ， 男， 籍贯山西大同， 2017 年 1 月毕业于山 西大学电气工程及其自动化专业， 助理工程师， 现从事煤矿 机电设备维护管理工作。（收稿日期 2018- 9- 13） 煤矿现代化2019 年第 5 期总第 152 期 图 4顶底板移近量 图 5两帮移近量 5结论 论文对超前支架的液压系统作了简单介绍， 并选 型设计了液压系统的关键元器件。 重点研究了液压系 统的安全阀， 从安全阀的作用、 要求、 结构、 特征等， 分 析了液压系统对于顶板周期来压的响应及其工作特 性， 从而得知液压系统控制液压油为顶梁支撑周期来 压提供了动力保障。 研究的液压系统控制的端头超前支架在煤矿 93 下 02 工作面作了试运行， 通过矿压观测表明， 该支架 在端头超前支护可行。 并与普通超前支架作了对比试 验，结果表明液压系统控制的超前支架优势明显， 安 全性高， 有利于维护巷道稳定。 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] 陈汉章,闫永明.液压支架架型、 参数及其元件的设计与 选择[J].煤矿机械, 2009,（5） 24- 26. [3] 吴小旺.液压支架机液联合仿真与液压控制系统分析[D]. 山东科技大学, 2010. [4] 王文馨.梁体横移液压驱动装置研制[D].山东科技大学, 2002. [5] 陈怀道, 原儒东. 大采高支架 EEP 电液控制系统的应用 [J].煤矿机电, 2006,（5） 50- 52. 作者简介 王兴 （1987-） ， 男， 山西省阳泉市人， 2010 年 7 月毕业于 阳泉职业技术学院煤矿开采技术专业， 机电技术员， 现从事 煤矿机电设备维修管理工作。 （收稿日期 2018- 9- 17） 105 ChaoXing