液壓支架技術現(xiàn)狀及發(fā)展思路

中國礦業(yè)大學ChinaUniversityof科研訓練班級: 姓名: 學號: 2011年12月9日液壓支架技術現(xiàn)狀及發(fā)展思路摘要:本文介紹了國內(nèi)液壓支架發(fā)展的歷程，分析了國內(nèi)外液壓支架在技術上的差距，并總結了未來液壓支架的發(fā)展思路。關鍵詞：液壓支架；技術現(xiàn)狀；發(fā)展思路工作面支護問題始終是困擾煤礦生產(chǎn)安全、產(chǎn)量和效率的重要問題。因此以液壓支架為主要設備的綜合機械化采煤（簡稱綜采）的誕生和發(fā)展是煤礦生產(chǎn)發(fā)展史上的一次重大革命。液壓支架是以高壓液體為動力，由液壓元件（油缸、閥件）與承載構件組合而成的一種支撐和控制頂板的采煤工作面支護設備。具有強度高、移動速度快、支護性能好、安全可靠等特性。液壓支架的應用，不僅從根本上改善了勞動和安全條件,也為工作面產(chǎn)量和效率的迅速提高奠定了基礎，使煤礦生產(chǎn)面貌徹底改變一、國內(nèi)液壓支架的發(fā)展我國液壓支架發(fā)展可以分為三個階段：1、學習起步階段我國從20世紀70年代初開始液壓支架的研制工作，基礎條件很差。1964年由太原分院和鄭州煤機廠設計70型邁步式自移支架，從此開始了液壓支架的國產(chǎn)化道路，先后研制出了垛式、節(jié)式及掩護式支架。盡管支架的性能及可靠性都較差，但為我國液壓的發(fā)展奠定了基礎，為以后液壓支架的研制積累了經(jīng)驗。2、引進發(fā)展階段20世紀80年代前后我國分三次大規(guī)模地引進國外支架，其中的液壓支架主要以二柱掩護式和四柱支撐式為主，支架的參數(shù)和性能比以往進口支架有明顯提高。1984年，北京開采所、沈陽所、鄭州煤機廠在沈陽蒲河礦進行我國第一套放頂煤液壓支架的工業(yè)性試驗，繼而研制了多種低位、中位和高位放頂煤支架，成功地在緩傾斜厚煤層和急傾斜厚煤層水平分層工作面使用。通過消化吸收國外先進技術，科研人員自主開發(fā)了多種不同用途的液壓支架，具有代表性的支架有QY系列和ZY系列支架，其中QY31和ZY35支架在較大范圍內(nèi)得到了推廣使用。這一時期開發(fā)出的支架重量普通較輕，支架的工作阻力也偏小。支架的可靠性比較差，壽命試驗僅8000次，與國外的差距較大。在支架的控制方面，操縱閥主要以ZC片閥為主，流量只有80L/min。乳化液泵站流量一般為80?200L/min,支架的移架速度較慢，立柱千斤頂?shù)拿芊馊θ繛橄鹉z件，壽命較短。3、完善提高階段從上世紀90年代中期開始，我國液壓支架進入了快速發(fā)展階段，全國綜采工作面數(shù)量大幅度提高，液壓支架的性能、參數(shù)、可靠性有了明顯提高，架型不斷豐富。尤其是放頂煤開采技術在我國的成功應用，極大地推動了放頂煤支架快速發(fā)展。架型按放煤位置分有高位、中位、低位放頂煤支架，按四連方向分有正四連桿和反四連桿放頂煤支架等。近五年來隨著國內(nèi)高端液壓支架需求量的不斷增加和液壓支架國產(chǎn)化進程的發(fā)展，國內(nèi)液壓支架進入高速發(fā)展階段。我國液壓支架架型的發(fā)展：1、薄煤層液壓支架1.3m以下的薄煤層和1.7m以下的較薄煤層的安全高效開采是制約煤礦開采的重大技術難題，由于采高小，機械和人員作業(yè)困難，通風和瓦斯治理都成為制約生產(chǎn)的難題。薄煤層長壁開采有兩種配套模式，一是采用刨煤機配套的長壁工作面，二是采用滾筒式采煤機配套的長壁工作面，前者適用于0.8—1.6m煤層，后者適用于1.0m以上煤層。刨煤機開采液壓支架應采用電液控制定量推移，可實現(xiàn)工作面自動化開采。滾筒式采煤機開采薄煤層，由于受配套尺寸的限制，最小采高小于1m將難于實現(xiàn)，當采用大功率滾筒式采煤時，最小采高需大于1.3m以上。。2、 中厚煤層和大采高液壓支架中厚煤層是最適合長壁高效開采的煤層，中厚煤層液壓支架是較成熟的架型，發(fā)展趨勢是大工作阻力、整體頂梁簡化結構、提高可造性和電液控制。3、 大傾角液壓支架當液壓支架用于中厚煤層傾角超過35°和大采高煤層傾角超過25°時，被稱為大傾角支架。大傾角煤層長壁綜采支護是最大技術難題，大傾角支架的適應性是關鍵。我國在大傾角長壁綜采裝備技術研究和實踐方面一直處于世界領先地位。北京開采研究所對大傾角長壁綜采和液壓支架進行了長期研究，發(fā)明了大傾角支架防倒防滑、安全防護和端頭錨固等新結構和新技術。4、 端頭支護技術工作面兩端頭是工作面與工作面平巷的連接處，是工作面的安全出口。我國現(xiàn)已開發(fā)了多種型式的端頭液壓支架，并在國內(nèi)外首次設計開發(fā)了工作面平巷超前支護液壓支架。采用端頭液壓支架和超前支護液壓支架，實現(xiàn)了工作面端頭平巷的超前機械化支護，取消了單體支柱和金屬頂梁支護工序。工作面端頭超前支護系統(tǒng)分別用于工作面運輸巷和軌道巷。端頭支架與超前支架超前支護系統(tǒng)的推移為“半卸載”支護。二、我國液壓支架的技術現(xiàn)狀雖然我國在液壓支架技術方面取得了可喜的進步，但與世界發(fā)達國家相比，還存在一些不足，主要表現(xiàn)在：首先，我國綜采比例低，落后的生產(chǎn)技術與世界產(chǎn)煤大國的地位極不相稱。世界主要產(chǎn)煤國家的綜采比例都是全國煤炭井工生產(chǎn)的比例。如俄羅斯是85.7％，波蘭是92％，而美國、英國、德國、日本都是99％以上。據(jù)1998年統(tǒng)計，我國國有重點煤礦綜采比例是49.32％；地方煤礦和鄉(xiāng)鎮(zhèn)煤礦比例遠低于此數(shù)，初步統(tǒng)計，若按全國井工生產(chǎn)的煤炭來算，綜采比例只有23％左右。第二，液壓支架制造技術水平落后。我國在支架材料、加工工藝、性能和使用壽命等方面與世界先進國家相比還有很大差距。例如，1979年引進100套綜采支架期間，德國支架結構材料是ST52，屈服極限5000左右。而我國基本上長期使用16Mn,屈服極限3000左右的支架結構材料。這樣技術質(zhì)量水平的支架在國內(nèi)高產(chǎn)工作面及在國際上卻是沒有競爭力的。第三，液壓支架控制系統(tǒng)的研究處于落后狀態(tài)，嚴重制約支架移架速度的提高和綜采經(jīng)濟效益的發(fā)揮。西方主要采煤大國液壓支架在20世紀70年代中后期廣泛采用液壓多芯管先導控制系統(tǒng)。從80年代開始，大力著手電液先導程序控制的研究和使用，因此，現(xiàn)在美、德、英、日等基本全是可編程電液控制。而我國國產(chǎn)液壓支架的控制方式仍然停留在跟機手把單向鄰架控制或本架控制水平。這種控制方式存在嚴重缺點：工人勞動條件差、安全性差；移架速度慢，影響采煤機效率的發(fā)揮；通風條件差，支架故障率高；支架支護效能的發(fā)揮程度與操作人員的經(jīng)驗多少和技能高低有密切關系。此外，我國大部分支架的整機可靠性與國外差距比較大；液壓元件的研發(fā)速度遠遠滯后于液壓支架發(fā)展的需要；制造工藝方面我國也整體落后于西方發(fā)達國家。三、液壓支架研究發(fā)展思路隨著科學技術的高速發(fā)展,新技術、新方法、新材料的不斷應用，微機和計算機技術進一步普及，為液壓支架的發(fā)展提供了有利的條件。目前，液壓支架研究發(fā)展思路主要有以下幾個方面：1、更新設計理念和方法設計理念創(chuàng)新是液壓支架技術創(chuàng)新的根本。應通過積極消化吸收國外先進技術，改變傳統(tǒng)的設計理念，把可靠性作為首要目標；采用現(xiàn)代優(yōu)化設計方法，三維CAD動態(tài)設計，開發(fā)三維CAD參數(shù)化設計系統(tǒng)；進一步開發(fā)支架結構分析計算軟件系統(tǒng)，完善結構有限元分析軟件系統(tǒng)及實用化、完善液壓控制系統(tǒng)的設計，加強細節(jié)設計。進一步加強支架—圍巖相互作用關系的研究，采用相似材料模擬試驗等手段進行綜合研究，對支架的適應性進行理論解析，從而合理確定支架的結構和支護參數(shù)。2、完善標準體系建立完善的煤礦支護設備技術標準體系是技術發(fā)展的重要任務。隨著技術的進步和WTO國際經(jīng)濟一體化，急需制定新的國家標準，進行建立液壓支架國家標準體系的研究。如北京開采研究所已基本完成了《煤礦用液壓支架安全性要求》系列國家標準的起草。新的國家標準將與CENl804等國際先進標準接軌，這必將對我國液壓支架的技術進步產(chǎn)生重大影響。3、 架型發(fā)展隨著高產(chǎn)高效礦井建設的不斷發(fā)展，對長壁綜采設備生產(chǎn)能力和可靠性的要求越來越高，支架向大工作阻力、高可靠性方向發(fā)展。一次采全高普通支架繼續(xù)向著兩柱掩護式發(fā)展，并將進一步擴大適用范圍。大傾角支架、薄煤層支架、6m?7m特厚煤層一次采全高支架、三軟難采煤層支架等將不斷發(fā)展新架型結構。兩柱式放頂煤支架將逐漸發(fā)展成為主導架型之一。端頭支護和工作面平巷超前支護等特殊支架將得到廣泛重視和發(fā)展。同時，我國許多地方中小煤礦將大力發(fā)展長壁機械化開采，適應這些礦井使用條件的輕型液壓支架和配套設備將得到較快發(fā)展。4、 材料的升級換代隨著支架向大工作阻力和高可靠性要求的發(fā)展，支架質(zhì)量也不斷增加，給運輸、搬運和安裝等環(huán)節(jié)帶來了很大困難。如何在保證強度的前提下，減輕支架重量是支架設計中迫切需要解決的問題，采用高強度鋼材是最有效的途徑。國際先進液壓支架結構用鋼已以ab^700MPa?1000MPa高強度焊接結構為主。近年來,材料的升級換代已初見成效，基本上解決了高強度板材的生產(chǎn)、加工與焊接問題，并在支架設計中得到廣泛應用，效果顯著。此外，還需要對材料的焊接性進行試驗研究，優(yōu)化焊接工藝，提高焊接接頭的綜合機械性能與承載能力，以滿足高可靠性支架設計需要。5、 應用高科技使液壓支架趨于智能化先進科學技術的應用是在各種技術相互滲透、相互結合的基礎上相互輔助、相互促進和提高，充分利用各種相關技術的優(yōu)勢，使組合后的整體功能大于組成整體的各個部分功能之和的綜合性交叉學科。多種技術向“機械母體—液壓支架”不斷滲透，包括機、電、液、光、磁等技術的伺服系統(tǒng)。具體說，是以液壓支架輸出的力、速度為目的，構成了從輸出到輸入的閉環(huán)系統(tǒng)，是涉及傳感技術、計算機控制技術、信號處理技術、機械傳動技術、液壓傳動技術等。液壓支架應用功能不斷擴大，對礦井煤層地質(zhì)條件適應性不斷增強，生產(chǎn)效益對設備的依賴性程度愈來愈大，工作可靠性更加重要。故障診斷技術(包括信號檢測、故障判斷、故障檢測、故障分析等內(nèi)容)將隨著高科技的發(fā)展理論(如小波技術、神經(jīng)網(wǎng)絡、人工智能等)進入液壓支架的早期診斷，預防和減少事故的發(fā)生、維修的盲目性和維修時間，延長支架服務年限，提高生產(chǎn)效率。液壓支架目前發(fā)展的主要趨勢是:二柱掩護式架型，提高液壓支架強度、設計系數(shù)、移架速度，改進個別部件的結構(整體頂梁、寬中心距等)，液壓閥件系列化、標準化、通用化，高工作阻力，高可靠性，用微電子技術實現(xiàn)機電液一體化的數(shù)字采集、工況監(jiān)測、故障診斷和自動控制。四、結語工作面支護問題始終是圍繞煤礦生產(chǎn)安全、質(zhì)量、效率的重要問題。目前，國外高產(chǎn)高效綜采工作面正向“設備重型化、工作面大型化”的方向發(fā)展，我國許多大型煤炭能源集團公司也正在發(fā)展超大型綜采工作面，液壓支架全部進口，對企業(yè)的發(fā)展極為不利。因此，我國必須加大