浅谈大采高液压支架的应用情况及设计难点

马晓燕（陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西　神木　719300）

浅谈大采高液压支架的应用情况及设计难点

马晓燕
（陕煤集团神南产业发展有限公司，陕西神木719300）

本文介绍了国内大采高液压支架发展现状，分析了大采高液压支架的应用情况及使用中存在问题，分析了特大采高支架的设计技术难点。

液压支架；大采高；技术难点

一、大采高液压支架的发展现状

液压支架是煤矿长壁开采工作面的主要设备之一，液压支架的适应性和可靠性是决定工作面能否高产高效、安全生产的关键因素。纵观国内千万吨级高产高效矿井多数是在开采厚煤层的条件下实现的。对于5m以上的厚煤层，在适宜的地质条件下，采用一次采全高在回采率、安全性等方面较其他采煤工艺有很大优势。当前煤炭市场持续低迷现状下，全国多数煤炭企业已进入亏损，为提高效益，大采高支架具有更大的市场需求。

近些年来，以神华神东矿区、陕煤集团神南矿区为代表的大采高工作面，依靠得天独厚的厚煤层赋存条件，从2005年开始，国内主要液压支架生产厂家先后研发成功5m、6.3m和7m大采高支架。推动了国内为大采高液压支架的快速发展。目前国内大采高支架的支护高度已从2007年的5.5m、6.3m提升到7m，工作阻力达到18000kW，中心距2.05m，支护高度7m以上的特大采高、大阻力重型液压支架的研发也进入论证阶段。在可靠性满足使用要求的情况下，综合分析国产大采高支架较进口支架在采购成本、研发速度、备件供应和售后服务等方面均有较大优势。

二、大采高液压支架的应用情况

近些年大采高支架在设计、制造和工业应用等方面有了很大发展，相比选用进口支架节约了大量设备采购资金，但从实际使用中看，国产大采高支架在核心技术、可靠性和使用寿命方面与国际水平还有一定的差距，主要表现有以下几点：

（1）立柱和千斤顶方面

国内液压支架立柱缸筒和导向套耐锈蚀差，缸筒内壁普遍在使用1年后出现锈蚀最终导致密封失效，缸筒和导向套维护成本高；另外立柱缸筒材质综合机械性能差，易出现涨缸现象；大缸径双伸缩立柱的缸筒和导向套同轴度差，受大偏载力后易变现导致拆解困难；立柱活塞杆镀层质量差，镀层普遍在立柱循环6000次左右出现麻点、脱落现象，维护量较大。

（2）结构件方面

底座和顶梁柱窝可靠性差，支架受冲击后柱窝易开裂，严重时底座柱窝出现下陷；支架护板帮易变现损坏、连接耳板易撕裂；伸缩梁和顶梁侧护板易受压变形导致无法收回；另一方面，大采高支架重量较大，给其安装、回撤和运输带来一定困难。

（3）液控系统方面

大采高支架立柱缸径现已达到500mm，对大流量液压阀性能要求较高。国内大流量液压阀上的先导阀加工精度较进口产品低，尤其电磁先导阀故障率高；除个别辅助阀外，高端支架电液控换向阀组和安全阀还依赖进口，使用成本较高。

（4）工艺方面

大型结构件基本满足使用要求，但使用寿命较进口产品低。在支架底座、顶梁、掩护梁、推拉杆等主要结构件建议推广应用全长坡口、熔透焊理念和工艺；支架非主体结构件采用角焊缝较多，耐用性差，应增加了焊缝的强度，减少角焊缝，提高结构件的可靠性和使用寿命。

（5）设计合理性方面

大采高支架空间较富裕，在设计时人机工程方面有待提高。应注重考虑井下更换护帮板、推移框架、顶梁上液压件的便捷性。

三、大采高液压支架设计难点分析

经过近些年的发展，大采高支架技术已经趋于成熟，但为满足不适宜放顶煤的特厚煤层的开采需要，以神东矿区为代表的煤炭企业已开始提出对7米以上超大采高液压支架的使用需求。对特大采高支架提出的主要技术参数有：支护高度由现用的7m提高到8m以上，工作阻力25000kN以上，为满足大缸径立柱使用，支架中心距由2m提高到2.4m。结合国内大采高支架使用情况，对于特大采高支架的设计，分析关键技术难点如下：

（1）结构件设计的可靠性方面

国内现用支架主要结构件主筋和腹板大多数采用Q690钢板，应研究Q890及以上高强钢板焊接工艺，结构件上增加Q890等100公斤级高强钢板使用比例，即可提高结构件强度又可降低支架重量；现用国内外支架底座柱窝下部结构主要为底板+垫板结构型式（图1）。对于支架工作阻力在20000kN以上的液压支架，柱窝附近受力最为集中。在支架伸缩比满足使用的前提下，建议在底座柱窝下部增加“王“字筋板，采用箱型结构（图2），通过箱型结构将柱窝上的集中力分散分布，避免个别件应力集中，改善底座柱窝周围相关件的受力情况，提高底座柱我使用寿命。底座柱窝下部增加箱型结构已在神东矿区成功应用。

（2）支架稳定性分析，包括纵向和横向

应充分利用仿真软件优化四连杆结构，提高主要铰接孔的加工精度，减小孔轴间隙，提高支架稳定性；伸缩梁、三级护帮、顶梁和掩护梁考虑采用Q890等高强材质，降低连杆上部结构件重量，降低支架重心高度；为实时监测支架姿态，建议在支架顶梁、掩护梁和连杆安装支架倾角传感器。

（3）特大采高支架立柱直径可能将达到Φ600mm，应重点研究超长、超大立柱的可靠性、稳定性

高可靠性立柱研制应包括：缸筒新材料研发、密封导向系统优化、侧向力优化分析、刚度强度优化分析和表面防腐处理优化。缸内内壁防腐可考虑采用熔铜工艺、活塞杆表面采用不锈钢激光熔覆工艺，可避免采用传统电镀工艺；缸筒材质在现用30CrMnSi的基础上，可研究选用综合性能更好的30CrMo材料；导向套由42CrMo改为防腐性能更好的30CrMo；活柱和中缸的活塞部分可考虑采用镦粗工艺，从根本上改变了活塞部位堆焊易产生气孔、夹渣及焊接对活塞质量影响；大缸径大壁厚缸筒与缸底常规坡口焊接的热影响区大、热变形量加剧，建议推广窄间隙焊接工艺，减小焊接量，缩小热影响区，减少热变形。

（4）支架护帮结构的可靠性研究

国内现用大采高支架护板大多数均设置在伸缩量上（如图3所示）。从实际使用情况看，该种护板机构结构复杂，护板千斤顶缸径受限制，一般设计有双千斤顶，对千斤顶同步性要求高，易导致护帮板耳板撕裂损坏；同时由于护板千斤顶力臂较短，导致护帮板护帮力较小。推荐将护帮机构设置在顶梁上（如图4），伸缩梁和护板可以单独操作，系统布置简洁，护帮力大，同上顶梁空间大，必要时可增大护板千斤顶缸径。

（5）大流量液压系统保障方案

特大采高支架立柱和其它千斤顶缸径较大，为保证跟机拉架速度，需研发大流量立柱快速供液阀组和大流量立柱液控单向阀，大流量立柱液控单向阀应具有旁路回液功能保证降柱回液速度，可提高支架降-移-升速度；为提高支架主动支撑能力，建议增加立柱下腔旁路增压装置；为提高立柱抗冲击能力，可增加立柱上腔过载保护卸载阀；为保证工作面供液质量，推荐采用工作面环形供液，工作面采用双进双回、顺槽双进三回，为降低回液背压，建议将电缆槽回液管管径提高到DN89。

（6）人性化设计方面

7m以上大采高支架连杆以上零部件更换困难，可考虑在顶梁上增加维修用人梯挂立位置；护帮、伸缩梁和平衡千斤顶用液压阀尽量选用管式连接方式，将液压锁安装在连杆位置，便于人员维护；为改善大采高工作面喷雾效果，除顶梁前端喷雾外，建议增加顶梁侧喷雾和掩护梁后喷雾，喷雾可通过支架电控系统与降柱移架联动。

四、大采高液压支架的意义

在当前煤炭行业持续下行的背景下，大采高支架的研发成功对煤炭企业实现高产高效、安全生产、增加效益有极大的推动作用。同时特大采高液压支架的研制将带动重大关键技术、前沿性技术和基础性技术的研究与攻关，主要有：

（1）推动结构件熔透焊接技术和油缸窄间隙焊接技术的发展。

（2）推动Q890、Q960等高强调质结构钢用于高端采煤装备。

（3）推动超长大缸径立柱材质、加工工艺、表面防腐、工装及检测装置的研究。

（4）推动国内大流量液压阀的发展，包括大流量阀液压阀的设计、加工、检测检验等。

（5）推动特大采高支架对围岩和顶板的适应能力与抗冲击能力课题研究。

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