精品資料（2021-2022年收藏）論文雙伸縮立柱液壓支架存在的安全隱患及改進(jìn)20110907

1、雙伸縮立柱液壓支架初撐力存在的安全隱患及改進(jìn)國家煤礦支護(hù)設(shè)備質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 劉欣科一、前言 “雙伸縮立柱液壓支架”，因其伸縮比大、適應(yīng)采高范圍廣而受到煤礦開采者的青睞。但由于受自身特點(diǎn)的限制，在支架升起進(jìn)行主動(dòng)初撐時(shí)，會(huì)因一級缸活塞觸抵導(dǎo)向套產(chǎn)生內(nèi)力導(dǎo)致二級缸壓力不足，支架初撐力不足一半。通過本文的具體分析、查找原因、并設(shè)計(jì)遴選了最佳改進(jìn)方案，完善地解決了“雙伸縮立柱”潛在的安全隱患，可極大地提高雙伸縮立柱液壓支架的安全性，確保煤礦的安全生產(chǎn)。二、問題提出隨著煤炭開采技術(shù)的發(fā)展，液壓支架在采煤工作面上的作用日益巨大，方便、快捷、高強(qiáng)、高效的優(yōu)勢特色彰顯著液壓支架不可替代的首選地位，特別是“雙

2、伸縮立柱液壓支架”，因其超大行程、超大伸縮比、過強(qiáng)的頂?shù)装暹m應(yīng)性而受到煤礦開采者的歡迎。但某煤礦一次頂板大面積提前垮落事故使得“雙伸縮立柱液壓支架”的初撐效果受到了質(zhì)疑：是由于巖石頂板偶然的不規(guī)律“沖擊地壓”造成的，還是因?yàn)椤半p伸縮立柱液壓支架” 固有的自身特點(diǎn)必然造成了其在初始階段的 “初撐力量”不足，“雙伸縮立柱液壓支架”是否存在著潛在的安全隱患？相同大缸、相同泵站壓力的“雙伸縮立柱液壓支架”與“單伸縮立柱液壓支架”其初撐力上是相同嗎？三、原因剖析眾所周知，雙伸縮立柱液壓支架因其操作方便、伸縮比大、適應(yīng)采高范圍大而備受歡迎，較之單伸縮立柱支架有著明顯的優(yōu)勢。但在初始階段的支撐方面卻存在嚴(yán)重

3、的、潛在的安全隱患。具體分析如下：1工作原理及操作流程： “雙伸縮立柱液壓支架”在煤礦井下安裝完畢后，會(huì)通過換向閥機(jī)構(gòu)向立柱下腔（一級缸）供液，使得一級活塞桿（又稱中缸）伸出，托住支架頂梁向上升起。當(dāng)中缸全部伸出接觸缸筒缸口處的導(dǎo)向套時(shí)，中缸因被導(dǎo)向套限位無法繼續(xù)外伸，此時(shí)一級缸腔內(nèi)壓力會(huì)繼續(xù)升高。當(dāng)壓力升至57MPa時(shí)，高壓介質(zhì)（乳化液）會(huì)打開底閥進(jìn)入中缸腔內(nèi)，推動(dòng)二級活塞及活塞桿向上伸出，從而帶動(dòng)支架頂梁繼續(xù)升起，直至頂梁接觸巖石頂板，持續(xù)供液，直到一級缸腔內(nèi)壓力達(dá)到額定泵壓95%以上為止。此即所謂支架初撐力。其動(dòng)作順序可概括為中缸先伸出，至導(dǎo)向套限位后二級活塞桿才能接著伸出。簡要理解初撐

4、力即為：支架頂梁對巖石地板的力，是由立柱傳遞上來的，是主動(dòng)力。2結(jié)構(gòu)受力剖析對一級活塞進(jìn)行受力分析，可發(fā)現(xiàn)一級活塞共受到三個(gè)力的作用F1=F2+F3：一個(gè)向上的力F1=P1*A，兩個(gè)向下的力F2=P2*B、以及環(huán)形導(dǎo)向套對活塞的反作用力F3。此時(shí)的初撐力大小僅與二級活塞面積B面積及壓力P2有關(guān)，與一級活塞A及壓力P1無關(guān)。整體來看可以認(rèn)為雙伸縮立柱是以一級缸為基礎(chǔ)、為底座，通過二級缸向上傳遞支撐力量。其支撐力量大小與“底座”無關(guān)。比對兩個(gè)活塞的受力情況可知，二級活塞面積A2僅為一級活塞面積A1的一半左右，且壓力P2比P1低57MPa（底閥開啟的壓力損失），故二級活塞傳給二級桿的力即真正傳給頂梁

5、向上支撐巖石頂板的力（P2*B），尚不到一級活塞向上產(chǎn)生的力（P1*A）的一半，即至少有一半以上的力傳給導(dǎo)向套進(jìn)行了內(nèi)耗作了無用功，這才是真正的原因。此意相當(dāng)于“單伸縮立柱液壓支架”在泵站壓力為31.4MPa時(shí)僅僅進(jìn)行了不到一半壓力的支撐，尚不足15.7MPa。這種支撐方式顯然是帶有非常嚴(yán)重的安全隱患。繼續(xù)分析雙伸縮立柱的初撐方式可知：當(dāng)一級缸初撐力至31.4MPa時(shí)，二級油缸內(nèi)實(shí)際壓力為24.4MPa（底閥開啟7MPa），隨著頂板的破碎、傾斜、來壓沖擊等情況的出現(xiàn)，巖石頂板會(huì)下沉壓縮支架，支架狀態(tài)由主動(dòng)加載變?yōu)楸粍?dòng)受壓，一級缸壓力不變?nèi)詾?1.4MPa，二級油缸壓力開始升高，至62.8MPa

6、時(shí)才與一級油缸力量平衡，此時(shí)一級活塞才剛剛脫離導(dǎo)向套?？梢钥闯?，當(dāng)二級缸活塞腔壓力由24.4MPa升至62.8MPa時(shí)，才達(dá)到真正的初撐力量。但顯而易見頂板已經(jīng)下沉了一定距離（等于二級活塞桿位移變化量）。說明頂板已經(jīng)破碎、斷裂、或傾斜（頂板巖石可視為剛性體），并且可能開始加速下沉了。不難看出此時(shí)的初撐已經(jīng)為時(shí)已晚。繼續(xù)來壓下沉，一級缸活塞腔壓力開始上升，至42MPa時(shí)，安全閥開啟溢流進(jìn)行保護(hù)。在此過程中，二級缸活塞壓腔壓力則以2倍速度的增加，至84MPa為止。此時(shí)的下沉量等于一級活塞桿的下沉量與二級活塞桿的下沉量之和。以300/250的雙伸縮立柱行程-壓力變化為例：頂板下沉量即立柱壓縮量與壓力

7、之間的對應(yīng)關(guān)系一級活塞桿長度（mm）二級活塞桿長度（mm）總下沉量（mm）一級活塞腔壓力（MPa）二級活塞腔壓力（MPa）主動(dòng)初撐力31.4主動(dòng)初撐力24.4被動(dòng)初撐力31.4被動(dòng)初撐力62.8額定工作阻力42額定工作阻力84 MPa1.5倍額定工作阻力631.5倍額定工作阻力1262倍額定工作阻力842倍額定工作阻力168行程-壓力變化的柱狀圖通過比較可見，原先的初始支撐的確不足，從原始的初撐狀態(tài)到真正達(dá)到的“初撐力”狀態(tài)，頂板已經(jīng)有了較大距離的下沉，已經(jīng)引起了頂板的破壞，使得頂板來壓提前加速到來，嚴(yán)重影響支護(hù)效果與安全生產(chǎn)，改進(jìn)已迫在眉睫。四、改進(jìn)及建議 針對初撐力低的真正原因（中缸接觸導(dǎo)

8、向套有部分內(nèi)力消耗：一級活塞產(chǎn)生的力量并未全部傳遞給二級活塞），改進(jìn)的關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)即為：“避免中缸接觸導(dǎo)向套”。但目前的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯然無法做到的、是相互矛盾的：不接觸導(dǎo)向套進(jìn)行限位二級桿是無法伸出的。因此必須進(jìn)行立柱的設(shè)計(jì)改進(jìn)。1機(jī)械攔阻法用一機(jī)械裝置（如圓環(huán)鏈）在一級活塞桿接近全部伸出時(shí)，強(qiáng)行阻止其伸出，迫使腔內(nèi)壓力升高打開底閥使得二級缸伸出。待支架頂梁接近巖石頂板后再去除，升柱后便可實(shí)現(xiàn)真正的初撐力。此法需要的攔阻裝置強(qiáng)度必須足夠大，且極易發(fā)生危險(xiǎn)，有安全隱患。2一級桿腔截止的方法即在中缸伸出大部行程后，關(guān)閉一級活塞桿腔，使得活塞桿腔液體無法流出。一級活塞無法向上運(yùn)動(dòng)后其活塞腔內(nèi)液體壓力會(huì)升高

9、，至57MPa后打開底閥進(jìn)入二級活塞腔內(nèi)，達(dá)到推動(dòng)二級活塞桿伸出的目的。在頂梁即將接觸頂板時(shí)再打開一級桿腔剛才關(guān)閉的截止閥，此時(shí)因與導(dǎo)向套有了一定距離而實(shí)現(xiàn)了“避免接觸導(dǎo)向套”，一級活塞會(huì)將31.4MPa的額定泵站壓力產(chǎn)生的力量全部向上傳遞給二級活塞腔內(nèi)液體，并繼續(xù)向上傳遞給支架頂梁，此時(shí)才真正實(shí)現(xiàn)了額定的“支架初撐力”，消除了安全隱患。因面積比差，此時(shí)二級活塞腔內(nèi)壓力增壓至62.8MPa。但此法絕不可行：因桿腔關(guān)閉，活塞腔與桿腔實(shí)際具有了增壓之效，且面積比約為10:1，即當(dāng)活塞腔壓力達(dá)到7MPa（打開底閥）時(shí)，封閉的桿腔壓力已經(jīng)達(dá)到了70MPa，且極易疏忽忘記打卡截止閥形成增壓效果產(chǎn)生超高壓

10、力，缸筒、導(dǎo)向套、限位機(jī)構(gòu)、密封等可能因變形而無法承受，甚至有爆炸的危險(xiǎn)可能性，具有嚴(yán)重的安全隱患，應(yīng)予以嚴(yán)令禁止。3立柱雙底閥、二級缸單獨(dú)升柱的方法為避免在一定高度空間內(nèi)“中缸接觸導(dǎo)向套”，只有保證一級活塞桿少伸出一段距離，二級活塞桿多伸出一段距離?？梢酝ㄟ^一二級油缸供液分離即單獨(dú)給二級缸供液的方式實(shí)現(xiàn)。在二級活塞上加裝一個(gè)反向底閥，通過桿腔內(nèi)連接管路向上至二級活塞桿的頭部引出，經(jīng)高壓軟管連接至新增設(shè)的一片獨(dú)立供液換向閥進(jìn)行即可。且此閥對多根二級油缸均可同時(shí)并聯(lián)供液。當(dāng)支架由最低狀態(tài)供液升起時(shí)，觀察一級活塞桿不要全部伸出預(yù)留一定距離如100mm，即停止升架。此時(shí)操作獨(dú)立供液換向閥對二級缸單獨(dú)

11、供液。當(dāng)二級活塞桿接觸頂板達(dá)到泵壓后停止供液。再通過其余換向閥繼續(xù)對一級油缸供液至額定泵站壓力即可。此時(shí)因一級活塞未接觸導(dǎo)向套，保證了一級活塞產(chǎn)生的向上力量通過二級油缸全部傳遞給了支架頂梁，實(shí)現(xiàn)了真正的支架初撐力，達(dá)到了頂板防護(hù)的目的。此法簡單可行，變動(dòng)不大，僅增一底閥、一腔內(nèi)連接管路、一高壓軟管及一片換向閥而已。4機(jī)械加長段的方法及操作工藝改進(jìn)（1）現(xiàn)狀：單伸縮立柱采用機(jī)械加長段的方法同樣能夠很好地實(shí)現(xiàn)與雙伸縮立柱一樣大伸縮比、適應(yīng)大范圍的采高區(qū)間。并且“機(jī)械加長段的單伸縮立柱”有著“雙伸縮立柱”所無法比擬的綜合優(yōu)勢，主要體現(xiàn)在以下兩點(diǎn)：加工成本：機(jī)械加長段的加工簡單，粗加工即可，要求的精度

12、低，加工成本低；而二級缸加工復(fù)雜，要求精度高，還要求有電鍍、外圓磨等，工序繁復(fù)，成本較高；維護(hù)保養(yǎng)：機(jī)械加長段不怕磕、碰、砸、撞、銹，基本無需維護(hù)、保養(yǎng)；而“雙伸縮立柱”裸露在外的電鍍層表面，要精心維護(hù)，防止磕碰、銹蝕，若有一點(diǎn)點(diǎn)的表面損傷、損害則因密封不住而整體報(bào)廢。造成極大的浪費(fèi)。其呵護(hù)、保護(hù)、維修成本較高。但據(jù)調(diào)查，單伸縮機(jī)械加長段的立柱在煤礦井下并不是很受歡迎。主要原因就是操作復(fù)雜，增加了煤礦工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，降低了勞動(dòng)效率：在井下操作時(shí)，煤礦工人要首先進(jìn)行支架液壓管路的調(diào)換：以四柱式支架為例，共有2片換向閥分別對前排2根立柱和后排2根立柱進(jìn)行升降柱動(dòng)作。方法就是將4根立柱中的對角2根立

13、柱的升降柱管路對換。如此當(dāng)對支架進(jìn)行升柱動(dòng)作時(shí)，對角的2根立柱就變成了降柱，只要將卡環(huán)、銷軸去除，油缸就會(huì)向下收縮露出加長段的其它卡槽，到達(dá)需要的位置后停止升柱動(dòng)作，將卡環(huán)安裝好后再反向進(jìn)行降柱動(dòng)作，此時(shí)立柱就會(huì)上升頂進(jìn)卡環(huán)固定裝置。如此類似，可對其余2根立柱進(jìn)行加長段位置調(diào)整。可見此法的確過于繁復(fù)，對其進(jìn)行改進(jìn)的必要性極高。（2）針對此問題可進(jìn)行如下工藝性改進(jìn)改進(jìn)方法很簡單：再增加2片升降柱換向閥。如此，各立柱均由獨(dú)立一片換向閥控制，不需調(diào)換管路，可對任一根立柱隨意升降，進(jìn)行快速地加長段卡環(huán)位置變換。此法最佳，成本低，簡單易行，工人操作簡便，可極大提高生產(chǎn)效率。5改進(jìn)復(fù)合型加長段的方法此法另有文章詳述，此處簡略。6改進(jìn)底閥：將底閥進(jìn)行改進(jìn)，使其不僅具有單向進(jìn)液功能，而且具備卸荷降柱的功能，改變?yōu)橐粋€(gè)液控單向閥。如此可去掉一級活塞的底閥，僅在二級活塞上加裝此底閥即可?？蓪?shí)現(xiàn)二級缸的單獨(dú)升或降。五、結(jié)論 通過以上分析可知