耿 謙
(國家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局,北京 100088)
液壓支護(hù)設(shè)備可用來實(shí)現(xiàn)采煤工作面、巷道等的臨時(shí)支護(hù),是煤礦機(jī)械成套化設(shè)備的重要組成部分。多年以來,我國的液壓支護(hù)設(shè)備從靠國外進(jìn)口逐步發(fā)展成自主研發(fā),并且開始向國外出口,取得了不俗的發(fā)展成果[1]。本文從液壓支護(hù)設(shè)備的相關(guān)專利申請情況入手,梳理我國液壓支護(hù)設(shè)備的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò),對技術(shù)發(fā)展的熱點(diǎn)和難點(diǎn)進(jìn)行分析,給中國的液壓支護(hù)設(shè)備生產(chǎn)企業(yè)的技術(shù)研發(fā)提供參考。
液壓支護(hù)設(shè)備包括液壓支架、液壓支柱和頂梁,液壓支架一般用于綜采工作面,液壓支柱通常與頂梁配合用于一般機(jī)械化采煤工作面,或?yàn)榫C采工作面端頭或掘進(jìn)頭做臨時(shí)支護(hù)[2]。隨著煤礦機(jī)械的自動(dòng)化程度越來越高,我國開始越來越多地使用液壓支架。根據(jù)對液壓支架相關(guān)專利申請的研究可以發(fā)現(xiàn),相關(guān)申請主要集中在整體結(jié)構(gòu)、支護(hù)裝置、控制、輔助裝置和前移機(jī)構(gòu)幾個(gè)領(lǐng)域。對整體結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新可以滿足不同煤礦的需要,支護(hù)裝置作為支撐的重要部件也是研究的熱點(diǎn),控制對于提高整個(gè)液壓支架的可靠性和自動(dòng)化是至關(guān)重要的,一些輔助的裝置,例如噴霧裝置、防倒防滑裝置、互幫裝置等的作用也不容小覷,對前移機(jī)構(gòu)的改進(jìn)可以使前移更方便可靠。
通過對煤礦機(jī)械液壓支護(hù)設(shè)備的各分類領(lǐng)域進(jìn)行檢索,獲取相關(guān)中國專利申請數(shù)據(jù),液壓支護(hù)設(shè)備領(lǐng)域主要部件專利申請量統(tǒng)計(jì)如圖1所示。經(jīng)過統(tǒng)計(jì)分析可以看出,雖然液壓支架的占比最高,但液壓支柱所占比重仍然較高,這是由于我國尚有一些煤礦未實(shí)現(xiàn)綜采,還需要使用大量的液壓支柱。隨著技術(shù)進(jìn)步,液壓支柱應(yīng)用將會(huì)逐步減少、液壓支架的應(yīng)用將會(huì)越來越多。近些年來,液壓支架進(jìn)一步發(fā)展出大采高液壓支架、放頂煤液壓支架、大傾角液壓支架、薄煤層液壓支架等多個(gè)技術(shù)分支,而從所獲得的專利數(shù)據(jù)來看,液壓支架整體結(jié)構(gòu)的申請量所占比例偏大,我國液壓支架的發(fā)展還處在對架型的改進(jìn)階段,對核心部件的改進(jìn)不多,對其中比較重要的控制技術(shù)的改進(jìn)也相對不足[3]。從對相關(guān)專利文獻(xiàn)的內(nèi)容分析結(jié)果來看,對控制方法的改進(jìn)占比較高,對控制部件的改進(jìn)則較少。液壓支護(hù)設(shè)備領(lǐng)域主要部件專利申請趨勢如圖2所示,從申請量上來看,液壓支護(hù)設(shè)備領(lǐng)域各技術(shù)分支的中國專利申請量從04年開始快速增長,其中,除頂梁外,液壓支架和液壓支柱的逐年增長速度都很快,尤其是液壓支架,隨著液壓支架的大規(guī)模應(yīng)用,申請量增加明顯,雖然近年略有波動(dòng),但每年申請量仍然在200件以上。
圖2 液壓支護(hù)設(shè)備領(lǐng)域主要部件專利申請趨勢
在液壓支護(hù)設(shè)備的各技術(shù)分支中,液壓支架作為成套開采的主要設(shè)備,在市場上占有很大比重,是煤礦綜采工作面中不可缺少的配套設(shè)備,是保證綜合機(jī)械化采煤工作面安全的關(guān)鍵[4]。液壓支架移架速度快,并且能夠充分支護(hù)頂板、推動(dòng)工作面設(shè)備前移,可以有效提高采煤效率[5]。液壓支架專利申請數(shù)據(jù)分析如圖3所示,從液壓支架的專利申請數(shù)據(jù)分析中可以看出,在2004年之后,我國對液壓支架的研發(fā)開始持續(xù)增長,并且專利申請主要集中在液壓支架的整體結(jié)構(gòu)和控制兩個(gè)主要領(lǐng)域,煤礦機(jī)械企業(yè)已經(jīng)意識(shí)到液壓支架的控制系統(tǒng)與控制方法是制約我國煤礦開采技術(shù)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸,因此已經(jīng)著力開展相關(guān)技術(shù)的研究,并且從專利申請的情況來看,已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。
圖3 液壓支架專利申請數(shù)據(jù)分析
在中國專利申請中,液壓支架的自動(dòng)化、可靠性都是申請人最關(guān)注的,液壓支架專利技術(shù)與功效矩陣如圖4所示,這也能夠解釋為何隨著技術(shù)的發(fā)展,創(chuàng)新主體對煤礦液壓支架的控制領(lǐng)域的研發(fā)越來越多。隨著液壓支架的發(fā)展以及中國煤炭產(chǎn)量的不斷增長,企業(yè)對高強(qiáng)度和大型化的液壓支架的需求也逐漸增多,我國對于自動(dòng)化和可靠性的要求相對其他國家來說更加突出[6,7]。
圖4 液壓支架專利技術(shù)與功效矩陣
從對我國專利申請的分析來看,對整體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)主要是為了滿足可靠性、高強(qiáng)度、大型化的需求,而對控制系統(tǒng)的改進(jìn)主要是為了滿足自動(dòng)化和可靠性的要求[8]。對于我國企業(yè)來說,控制領(lǐng)域的研究既是一個(gè)熱點(diǎn),也是一個(gè)難點(diǎn),這是因?yàn)槲覈诳刂祁I(lǐng)域的整體研究基礎(chǔ)比較薄弱,尤其是控制系統(tǒng)的核心部件領(lǐng)域較西方先進(jìn)國家有一定差距,但是不在控制領(lǐng)域有所突破,我國就很難實(shí)現(xiàn)煤礦開采的自動(dòng)化和智能化。為了進(jìn)一步增強(qiáng)我國煤礦井下機(jī)械設(shè)備的智能化水平[9],引導(dǎo)煤礦企業(yè)向高效和綠色化的方向發(fā)展,煤礦機(jī)械控制技術(shù)的研究需要繼續(xù)作為我國煤礦機(jī)械領(lǐng)域研究的重中之重[10]。
我國煤礦開始實(shí)施綜采的時(shí)間并不長,對大傾角長壁綜采和液壓支架進(jìn)行了研究,形成了大傾角支架防倒防滑、安全防護(hù)和端頭錨固等新結(jié)構(gòu)和新技術(shù),液壓支架作為綜采的主要設(shè)備,不僅需求量大,技術(shù)上也更有代表性[11]。
通過對專利數(shù)據(jù)的篩選,初步整理出液壓支架的發(fā)展技術(shù)路線,并選擇具有代表性的一些專利申請進(jìn)行說明,液壓支架技術(shù)發(fā)展路線如圖5所示。發(fā)展綜采液壓支架以來,從普通的液壓支架開始,最初是從對液壓支架的尾梁、伸縮梁和材料改進(jìn)入手,隨后對液壓支架的架型改進(jìn)、大采高支架以及三級護(hù)幫支架展開了研究[12],在意識(shí)到電液控制是提高液壓支架水平的重要因素之后,開始對液壓支架的電液控制進(jìn)行自主研發(fā),加速電液控制的國產(chǎn)化,近些年則進(jìn)一步對大采高液壓支架[13]進(jìn)行研究[14],并且初步嘗試煤礦機(jī)械的成套化。通過專利數(shù)據(jù)獲取的技術(shù)路線可以看出,除了對液壓支架不斷進(jìn)行改善外,未來對液壓支架的自動(dòng)化控制[15],以及液壓支架的成套化是以后煤機(jī)企業(yè)的發(fā)展趨勢。
圖5 液壓支架技術(shù)發(fā)展路線
液壓支護(hù)設(shè)備是煤礦機(jī)械成套化設(shè)備的重要組成部分,我國的液壓支護(hù)設(shè)備從靠國外進(jìn)口逐步發(fā)展成自主研發(fā),并且逐步向國外出口,發(fā)展速度很快。液壓支護(hù)設(shè)備涉及的技術(shù)較多,包括機(jī)械、電液控制、通信多個(gè)領(lǐng)域,其發(fā)展也受到全球整體技術(shù)發(fā)展的影響。從專利申請來看,隨著我國液壓支護(hù)設(shè)備研發(fā)的不斷投入,申請量不斷提升,并且隨著電液控制的發(fā)展,研發(fā)重心在從整體結(jié)構(gòu)的研究逐漸向大型化和自動(dòng)化方向轉(zhuǎn)移。從專利申請的具體內(nèi)容來看,未來的液壓支架技術(shù)應(yīng)該以進(jìn)一步提高效率和可靠性為目標(biāo),可靠性、高強(qiáng)度、自動(dòng)化、大型化是未來的發(fā)展重點(diǎn),大型化或者高強(qiáng)度的液壓支架需要專門設(shè)計(jì)其控制系統(tǒng),前移機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)需要考慮自動(dòng)化和可靠性;整體結(jié)構(gòu)的架型改進(jìn)需要適應(yīng)大型化、高強(qiáng)度的應(yīng)用,支護(hù)裝置的可靠性是其需要考慮的重點(diǎn),要從保證它的高強(qiáng)度的角度考慮。從這些突破點(diǎn)入手,作為我國煤礦開采的主要設(shè)備,液壓支護(hù)設(shè)備的研發(fā)將會(huì)取得長足的進(jìn)步,全面實(shí)現(xiàn)煤炭開采的全面現(xiàn)代化。