王再翔
神華神東煤炭集團(tuán)公司設(shè)備管理中心監(jiān)造組,陜西 榆林 719315
液壓支架在煤礦開采過程中用于控制采煤工作面礦頂?shù)母叨龋⒅蔚V頂,形成一個可移動的井下采煤空間,以便刮板輸送機(jī)及采煤機(jī)在此空間下作業(yè),同時對作業(yè)人員提供安全可靠的空間環(huán)境,液壓支架一般占煤炭采掘系統(tǒng)總價(jià)值超過五分之三。隨著國內(nèi)煤炭行業(yè)放頂煤加工制造和應(yīng)用推廣技術(shù)的逐步成熟,放頂液壓煤支架在國內(nèi)煤炭行業(yè)的成套使用數(shù)量越來越多,區(qū)域范圍越來越推廣和擴(kuò)大;傳統(tǒng)綜放工作面液壓支架架間中心距離是1.5米,神華神東煤炭集團(tuán)公司綜采工作面液壓支架架間中心距離已經(jīng)由1.5米增加到1.75米,目前神東煤炭集團(tuán)公司正在研究和加工制造2.05米中心距的綜放工作面液壓支架,計(jì)劃在布爾臺煤礦42104工作面使用。相對于支撐式液壓支架、掩護(hù)式液壓支架和支撐掩護(hù)式液壓支架,放頂煤液壓支架尾部增加了一部刮板運(yùn)輸機(jī),相應(yīng)的增加了后尾梁和插板等設(shè)施,配備了拉后溜油缸等附屬設(shè)施。綜放工作面安裝好以后架間距離已經(jīng)相對固定,受架間距的限制相鄰兩臺支架底座下部的間距較小,裝好拉后溜油缸后與底座基本沒有活動空間,而傳統(tǒng)的底座外主筋與底板的搭接結(jié)構(gòu)中底板相對于外主筋向外伸出一段長度,由于工作面在采動推進(jìn)過程中可能遇到斷層、沖刷帶以及坡度變化等復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造情況,拉架時抬底,極易因底座與拉后溜油缸干涉而造成拉后溜油缸損壞。要實(shí)現(xiàn)不干涉損壞拉后溜油缸,必須去掉底板相對于外主筋向外伸出的部分。神東煤炭集團(tuán)公司一次采全高的綜工作面液壓支架架間中心距離已經(jīng)由1.75米增加到2.05米,已經(jīng)達(dá)到一次采7米高度的煤層,在神東公司補(bǔ)連塔煤礦、上灣煤礦和大柳塔煤礦多個工作面成功使用。支護(hù)高度增加可以提高煤炭資源回收率和提高單產(chǎn)水平,支架中心距加寬可以減少設(shè)備臺數(shù)、維護(hù)量和故障點(diǎn)減少、提高了生產(chǎn)效率、減輕了工人修理維護(hù)強(qiáng)度;由于支護(hù)高度、中心距和工作阻力不斷加高、加寬、加大,對結(jié)構(gòu)件的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和焊接工藝也是一個考驗(yàn)和挑戰(zhàn),使用過程出現(xiàn)個別附件開焊和裂縫現(xiàn)象,反映出強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)不合理的一些問題。針對上述這些現(xiàn)象本人在監(jiān)造過程中進(jìn)行認(rèn)真分析和研究,對支架底座主筋和頂梁、掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式和焊接工藝進(jìn)行改進(jìn)和應(yīng)用。
傳統(tǒng)液壓支架底座的底板外主筋和底座連接形式為“T”型搭接形式的焊接結(jié)構(gòu),即為外主筋立在底板上,底板相對于外主筋外伸50~80mm,底板伸出外主筋部分和外主筋之間斜著搭接一個小蓋板(如圖1)。
1.1.1 這種結(jié)構(gòu)形式在綜放和一次采全高的綜采工作面使用中都存在一些問題,底板伸出外主筋部分在使用過程中容易造成損壞、變形,維護(hù)和修理特別困難;工作面在回采推進(jìn)過程中時常會遇到?jīng)_刷、地板起伏不平和復(fù)雜地質(zhì)構(gòu)造變化地帶,液壓支架架與架之間距離會發(fā)生變化,架與架靠的距離很近或相互緊貼擠壓情況,液壓支架架與架的底座就會出現(xiàn)相互“踩腳”的情形,也就是底板向外伸出的部分一個會壓住另一個,這樣會造成底座向外伸的底板相互撕拉,就有發(fā)生底板與外主筋撕裂情況發(fā)生。(如圖2)。
圖1 傳統(tǒng)底座底板和外主筋搭接簡圖
圖2 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)損壞情況
1.1.2 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在放頂煤工作面,受架間距的限制拉后溜油缸裝好后與底座之間基本沒有活動空間;在使用過程中,由于工作面坡度隨時發(fā)生變化,拉架時抬底千斤頂動作支架抬起,拉后溜油缸極易因底座與拉后溜油缸相互干涉擠壓而造成損壞。
1.1.3 傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式在綜放工作面推采過程中如遇工作面坡度起伏變化較大時,支架處于下坡狀態(tài)、后部刮板機(jī)處于上坡狀態(tài)時,拉架時抬底千斤頂動作支架抬起同時將拉后溜油缸也抬起一定高度,拉后溜油缸由于兩側(cè)底板向外伸出50mm~80mm的約束處于上翹狀態(tài);這種狀況拉后溜油缸工況最為惡劣,這時拉后溜油缸活塞桿伸出工作時將受到扭轉(zhuǎn)力和剪切力的作用,這時產(chǎn)生兩處支點(diǎn),一處是外缸與兩側(cè)支架向外伸出底板、另一處是活塞桿與導(dǎo)向套內(nèi)徑安裝密封處;輕則會使活塞桿表面鍍層刮擦損傷(導(dǎo)向套內(nèi)孔與活塞桿硬摩擦損傷),重則會造成活塞桿彎曲變形的損壞。
為避免底座不干涉以及不損壞拉后溜油缸,從設(shè)計(jì)上對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理優(yōu)化改進(jìn),將底座外主筋和底板的搭接形式改為接近齊縫搭接焊透結(jié)構(gòu)(圖3);即底座外主筋立在底板外邊沿上、與底板搭接3mm~5mm,這樣,焊接時外主筋與底板內(nèi)側(cè)、外側(cè)直接為角焊縫。
1.2.1 這種搭接結(jié)構(gòu)形式在加工制造上:少了底座外主筋要用機(jī)器人或在銑床上加工焊接破口作業(yè)的工序,減少了機(jī)械切割加工工序,減輕了工人勞動強(qiáng)度,節(jié)省了能源消耗,提高了生產(chǎn)效率;
1.2.2 這種搭接結(jié)構(gòu)形式減少了原材料使用數(shù)量和焊接量,少了外主筋與底板之間的斜向拉筋板,一臺支架底座減少了4條與底座長度方向等長度的焊縫,節(jié)約了原材料使用數(shù)量、減少了焊絲用量、減輕了工人勞動強(qiáng)度,同時降低了焊接作業(yè)人員造成的職業(yè)危害,減少了焊接、機(jī)械加工和火焰切割對環(huán)境的污染和破壞。
圖3 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)簡圖
圖4 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)實(shí)物圖
1.2.3 這種結(jié)構(gòu)最大的特點(diǎn)是加強(qiáng)了底座整體強(qiáng)度,外主筋與底板外側(cè)為填滿外主筋與底板外側(cè)直角搭接的角焊縫,這條焊縫的高度與底板的厚度方向的尺寸是相等的,這條焊縫把底座的底板外主筋與底板結(jié)結(jié)實(shí)實(shí)的連接成一個整體,這樣這個部位Z向和X方向的抗拉強(qiáng)度就是外主筋和底板本身鋼材材料的強(qiáng)度等級(圖4)。
1.2.4 改進(jìn)的結(jié)構(gòu)去掉了底板相對于外主筋的外伸部分,沒有了外主筋與底板之間的斜向拉筋,內(nèi)側(cè)和外側(cè)都采用角焊縫焊接,最大限度地保證了連接強(qiáng)度。
1.3.1 該結(jié)構(gòu)去掉了底板相對于外主筋的外伸部分,最大限度地給與了拉后溜油缸的活動空間,減少了拉后溜油缸因?yàn)榈鬃膭幼鞫艿礁缮鎿p壞的風(fēng)險(xiǎn);減少了拉后溜油缸的維護(hù)量,節(jié)省了開支、降低煤礦作業(yè)工人的勞動強(qiáng)度。
1.3.2 新設(shè)計(jì)增強(qiáng)了對底板的Z向抗拉強(qiáng)度,該結(jié)構(gòu)具有最優(yōu)的抗層狀撕裂性能(該焊縫形式不會一起較大的бz,不致引起層狀撕裂),而傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為T型接頭結(jié)構(gòu),開坡口焊接,層狀撕裂傾向較大。
1.3.3 該設(shè)計(jì)縮小了底板的外形尺寸去掉了外側(cè)的小蓋板,節(jié)省材料,且不需要開坡口下料工序簡單;焊接時焊接量小焊接質(zhì)量容易控制。
1.4.1 放頂煤液壓支架底座外主筋與底板連接改進(jìn)后的結(jié)構(gòu),已經(jīng)在鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架和鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架中得到推廣使用。其中鄭州四維機(jī)電設(shè)備制造有限公司加工制造的ZFY12500/25/39D放頂煤液壓支架在神東布爾臺礦42103綜放工作面使用1年多,已經(jīng)采煤883萬噸左右,沒有發(fā)生因?yàn)樘У讋幼鞫a(chǎn)生的拉后溜油缸損壞,使用效果良好。鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZF21000/25/42D放頂煤液壓支架神東黃玉川煤礦綜放工作面已經(jīng)使用半年左右,已經(jīng)采煤365萬噸左右,沒有發(fā)生因?yàn)樘У讋幼鞫a(chǎn)生的拉后溜油缸損壞,使用效果良好。
1.4.2 這種結(jié)構(gòu)在放頂煤液壓支架初次應(yīng)用后,由于效果較好,已經(jīng)在煤礦常用的支撐掩護(hù)式液壓支架底座上得到推廣應(yīng)用;目前已經(jīng)在鄭州煤礦機(jī)械集團(tuán)股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZY12000/20/40D型和ZY12000/25/50D等2套液壓支架中得到推廣使用,這兩套支架已經(jīng)于2012年2月份、2012年9月分別在神東公司上灣礦12上301面、12上303面和大柳塔礦活井12313面使用,過煤量分別是733萬噸和942萬噸,使用效果良好。同時在四川神坤裝備股份有限公司為神東煤炭集團(tuán)公司加工制造的ZYG12000/18/35D型液壓支架中得到推廣使用,該套支架已經(jīng)于2013年4月份在神東公司石圪臺煤礦22304綜采工作面使用,截止2013年7月已經(jīng)推采860米左右,過煤量107萬噸。
頂梁和掩護(hù)梁的側(cè)護(hù)板有兩種:一種是一側(cè)固定另一側(cè)活動的側(cè)護(hù)板,由于固定側(cè)護(hù)板與梁體焊接在一起,可節(jié)省原梁體的側(cè)板,既節(jié)省材料又可加固梁體。但當(dāng)改換工作面開采方向時,活動側(cè)護(hù)板便位于傾斜方向的上方,對調(diào)梁、防倒等帶來不便,所以很少采用。另一種是兩側(cè)皆為活動側(cè)護(hù)板;這種側(cè)護(hù)板可以適應(yīng)工作面開采方向變化的要求,有利于防倒和調(diào)架;兩側(cè)皆為活動側(cè)護(hù)板是側(cè)護(hù)板在頂梁的外側(cè),在頂梁上加焊一塊頂板,可克服側(cè)護(hù)板被冒落矸石壓住,影響側(cè)護(hù)板的伸縮,但支架承受偏載時,側(cè)護(hù)板裝置受力很大。
2.2.1 頂梁側(cè)護(hù)板的側(cè)向?qū)挾龋粗Ъ苌蹈叨群屯埔撇骄鄟泶_定。即:考慮到當(dāng)一架升起,另一架降柱時,要保證相鄰兩支架間側(cè)護(hù)板不脫離接觸。同時考慮到支架降柱后要前移,為防止頂梁后部側(cè)護(hù)板脫離接觸,頂梁側(cè)護(hù)板后部要加寬,加寬的長度一般為從頂梁后部起大于一個步距,神東一般選擇即大于1000mm。
2.2.2 掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的側(cè)面寬度,主要考慮移架步距,一般比一個步距大100mm,神東礦區(qū)的推移步距一般是865mm和1000mm兩種,側(cè)板寬度一版大于1100mm。當(dāng)一架固定,另一架前移時,兩架之間能封閉,同時又考慮到降架前移時,原不動的掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板下部不致脫開,所以掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板下部要加寬。
2.2.3 頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的頂面寬度,與活動側(cè)護(hù)板的行程有關(guān),由兩臺相鄰支架的架間距離確定,神東礦區(qū)的側(cè)護(hù)伸縮量一般是205mm,頂面寬度一般大于210 mm。
2.2.4 頂梁和掩護(hù)梁側(cè)護(hù)板的連接,在考慮動作靈活可靠的情況下,應(yīng)盡量減少間隙,加強(qiáng)密封性。
神東公司液壓支架全部為兩側(cè)皆為活動的側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)形式,煤機(jī)廠加工制造時頂梁、掩護(hù)梁都是左右對稱結(jié)構(gòu),出廠時煤機(jī)廠根據(jù)神東配套工作面實(shí)際需要將一側(cè)安裝成固定的、另一側(cè)活動;固定側(cè)的側(cè)護(hù)板與梁體用銷、耳連接固定在一起,活動側(cè)護(hù)板通過彈簧筒和側(cè)推千斤頂與梁體連接,以保證活動側(cè)護(hù)板與鄰架的固定側(cè)護(hù)板靠緊,加強(qiáng)密封性能防漏。側(cè)護(hù)板(活動)還可用來調(diào)架,起防倒的作用。
神東集團(tuán)公司自2004年本土化加工制造液壓支架以來,側(cè)護(hù)板的基本沿用國內(nèi)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式(如圖5),由于神東礦區(qū)在采高、架寬、工作阻力、推移步距以及開采強(qiáng)度等方面都有大幅度的提升和加強(qiáng),極其考驗(yàn)設(shè)備的質(zhì)量、性能和可靠性。使用中已經(jīng)有多套支架發(fā)生過頂側(cè)焊縫開裂現(xiàn)象,例如首套7米支架大采高在使用一年后就產(chǎn)生側(cè)板焊縫開裂現(xiàn)象,其他4米、4.5米、5米等支架也陸續(xù)出現(xiàn)側(cè)板焊縫開裂現(xiàn)象。其主要原因是側(cè)板結(jié)構(gòu)不能滿足高強(qiáng)度、超大采高液壓支架需求,同時國內(nèi)煤機(jī)制造廠家對輔件加工管理不夠重視,在焊接時不能夠做到側(cè)板、頂面板焊縫完全平齊,忽視了對焊接質(zhì)量缺陷的控制,在使用中焊縫和頂面?zhèn)瘸闪酥饕芰Σ课唬l繁承受頂板來壓或較大的集中載荷而產(chǎn)生疲勞開裂。為保頂梁側(cè)護(hù)板的可靠性,解決側(cè)護(hù)板開裂造成淋水、漏矸帶來的安全隱患,處理開裂失效問題是非常麻煩的事情,在監(jiān)造過程中從滿足礦井實(shí)際使用需求著手,設(shè)計(jì)時在結(jié)構(gòu)上改進(jìn)了頂梁側(cè)護(hù)板的傳統(tǒng)形式。
傳統(tǒng)的頂梁側(cè)護(hù)板結(jié)構(gòu)是頂面板靠著側(cè)板,改進(jìn)后的結(jié)構(gòu)是頂板壓著側(cè)板(如圖6),在承受來自頂板的壓力時,受力部位為整個頂面板,側(cè)板和焊縫不直接承受壓力從而有效地保護(hù)了焊縫;焊縫側(cè)邊為一個斜邊,能夠有效地減少受力,從而提高了頂側(cè)的整體可靠性。
圖5 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式簡圖
圖6 改進(jìn)后結(jié)構(gòu)形式簡圖
2.6.1 側(cè)護(hù)板損壞繼續(xù)使用存在安全隱患,影響生產(chǎn)效率和煤質(zhì),在井下維修困難,修理需要使用火割和補(bǔ)焊,容易引發(fā)安全事故。本人對更換費(fèi)用進(jìn)行跟蹤測算,一套支架(185臺)更換一遍側(cè)護(hù)板需要話費(fèi)110多萬元,且費(fèi)時費(fèi)力。
2.6.2 改進(jìn)設(shè)計(jì)后從根本上避免了頂側(cè)開焊的缺陷,不僅減輕了工人的勞動強(qiáng)度,而且節(jié)省了維修費(fèi)用,還在一定程度上避免了安全隱患及事故的發(fā)生。截至2013年7月份神東已經(jīng)有8套新加工支架采用了此結(jié)構(gòu),為公司節(jié)省費(fèi)用近千萬元;使用時間最長達(dá)到16個月、過煤量1200萬噸。
3.1 根據(jù)采面地質(zhì)及壓力顯現(xiàn)情況,結(jié)合采高、工作阻力、頂板性完整等情況,選擇合適的結(jié)構(gòu)形式和加工制造工藝流程。
3.2 研究受力結(jié)構(gòu)和材料性能,科學(xué)合理進(jìn)行零部件設(shè)計(jì)。
3.3 加工制造控制焊接質(zhì)量和缺陷檢測。
3.4 改進(jìn)后的底座外主筋和底板搭接形式比傳統(tǒng)的搭接形式在保護(hù)拉后溜油缸、提高對底板的Z向抗拉強(qiáng)度、材料使用量、下料和焊接難易度及焊接質(zhì)量控制等方面有明顯的優(yōu)勢,具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。