液壓支架的設(shè)計與制造技術(shù)

液壓支架的設(shè)計與制造技術(shù)

液態(tài)支架是連接到綜合采收帶的重要輔助設(shè)備。它負責(zé)控制和管理屋頂，維護正常的工作空間，保護人員和設(shè)備安全。多年來,我國在“引進、消化、吸收、提高”的方針指導(dǎo)下,在研究國外液壓支架的設(shè)計與制造技術(shù)的基礎(chǔ)上,結(jié)合我國煤層地質(zhì)條件的復(fù)雜性和多樣性,先后研制了適用于中厚煤層開采的ZY、QY系列支架、適用于堅硬頂板的ZZ系列支架、適用于放頂煤的ZFS、ZFD系列支架、適用于分層開采的ZZP、ZYP系列支架等。據(jù)統(tǒng)計,目前我國煤礦中,國產(chǎn)支架的比例已達94%以上。1國外先進產(chǎn)品與國外先進產(chǎn)品的對比盡管國產(chǎn)液壓支架品種及類型比較齊全,但其制造水平、技術(shù)性能、可靠性及控制系統(tǒng)等方面與國外先進產(chǎn)品還存在較大差距。主要表現(xiàn)在以下幾個方面。1.1支護高度及支架間距以國內(nèi)外大力發(fā)展的掩護式液壓支架為例:國產(chǎn)支架的最大工作阻力為6000kN,立柱最大缸徑為φ320mm,支護強度0.9～1.0MPa,支護高度5m,支架間距1.5m;而國外同類支架的最大工作阻力達12000kN,立柱最大缸徑φ480mm,支護強度1.4～1.5MPa,支護高度6m,支架間距2m。1.2支架電液控制系統(tǒng)在我國的設(shè)計情況國產(chǎn)液壓支架的控制方式主要是手動液壓控制(國外20世紀70年代的控制方式),單架支架的移架速度為15s左右。雖然我國從20世紀80年代起就對液壓支架的電液控制系統(tǒng)進行了研究,但在系統(tǒng)設(shè)計和電磁閥、傳感器及其它關(guān)鍵元部件的性能、可靠性等方面距實際應(yīng)用仍有相當大的差距。目前,國外液壓支架幾乎全部采用電液控制技術(shù),其移架速度可達5～8s。1.3支架液壓閥存在性能上的問題(1)國產(chǎn)液壓支架安全閥的額定流量一般為100L/min,而國外支架安全閥的流量已達500L/min。由于國產(chǎn)安全閥流量小,在頂板壓力增大時,容易造成立柱鼓脹,這是國產(chǎn)支架損壞的一個重要原因。(2)國產(chǎn)液壓支架液壓閥多以45鋼為基礎(chǔ)材料,加表面鍍鋅(防銹)處理,其防銹能力一般為3～6個月;而國外支架液壓閥多使用銅合金殼體和高強度不銹鋼閥芯,閥件不存在銹蝕問題。國產(chǎn)支架液壓元件的密封件多為橡膠制品,使用壽命為2年左右;而國外支架的密封件多采用高分子復(fù)合材料,其使用壽命可達5年。(3)液壓閥的耐久性試驗遠低于國外標準。如操縱閥的耐久性試驗,國內(nèi)要求為5000次,而國外標準為20000次以上。1.4工作環(huán)境國產(chǎn)液壓支架采用3%～5%濃度的乳化液,而國外支架多采用1%濃度的高效乳化液。1.5mn等屈服強度液壓支架的金屬結(jié)構(gòu)件為鋼板焊接件。目前國產(chǎn)支架多采用1.6Mn等屈服強度為350MPa的鋼板,而國外已廣泛采用500～750MPa等級的鋼板。盡管國內(nèi)已有企業(yè)使用450～700MPa等級的高強度鋼板,但在材料性能和焊接工藝等方面都還不穩(wěn)定。2有關(guān)能源支架的開發(fā)2.1種新的速度設(shè)計影響液壓支架性能的主要因素是支架的液壓系統(tǒng)和液壓元件的性能。為了適應(yīng)高產(chǎn)高效工作面的發(fā)展,增強支架的適應(yīng)能力,提高支架的移架速度,文獻[1]設(shè)計了一種新的液壓系統(tǒng),如圖1所示。圖1中的安全閥為普通安全閥,其調(diào)定壓力比插裝閥低10%～15%,在頂板下沉量很小時,實現(xiàn)對頂板的恒阻讓壓控制。當頂板來壓,使立柱下腔的液體壓力上升至插裝閥的調(diào)定壓力時,插裝閥開啟,實現(xiàn)大流量卸載。由于該閥為先導(dǎo)控制,在高壓下使用時,其閥芯開啟靈敏、動作平穩(wěn)、壓力波動小,沖擊載荷消失后能迅速關(guān)閉,因此,完全可滿足使用要求。2.2采空區(qū)的污染隨著煤礦綠色開采技術(shù)的發(fā)展以及人們對環(huán)保、安全、衛(wèi)生的重視,各國紛紛制定可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。由于煤礦開采的特殊性,液壓支架工作介質(zhì)直接排向工作面,造成周邊水源水質(zhì)及生態(tài)環(huán)境的嚴重污染。據(jù)不完全統(tǒng)計,全國每年有超過1000t的乳化油排入地下。由此,人們自然而然地想到了水——一種清潔的綠色工作介質(zhì)。2.2.1水壓傳動技術(shù)的發(fā)展盡管水壓傳動技術(shù)起步較早(源于18世紀末英國JosephBramah研制的世界上第一臺水壓機),但受當時科學(xué)技術(shù)水平的限制,水壓元件制作材料,特別是密封材料,一直沒能得到有效解決,使得水壓傳動技術(shù)的發(fā)展受到限制。20世紀70年代以來,特別是進入90年代以來,世界各國的環(huán)保戰(zhàn)略呈現(xiàn)新的綠色戰(zhàn)略趨勢,這給水壓傳動技術(shù)帶來了前所未有的發(fā)展機遇。目前,水壓傳動技術(shù)已成為液壓傳動與控制領(lǐng)域的一個重要研究方向。水壓傳動具有安全、無污染、來源廣、成本低等優(yōu)點,它不但阻燃而且可用來滅火,因此特別適合于煤礦使用。2.2.2生產(chǎn)工藝水介質(zhì)液壓缸缸及活柱的防腐技術(shù)隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步,特別是近10年來材料學(xué)、摩擦學(xué)、潤滑與密封理論、計算技術(shù)、精密加工技術(shù)的發(fā)展,克服了水作為工作介質(zhì)的某些缺點,使得水壓傳動技術(shù)的工程應(yīng)用范圍越來越廣,目前已有單體水壓支柱、清洗水泵等水介質(zhì)傳動設(shè)備應(yīng)用于煤礦生產(chǎn)中。(1)缸體生產(chǎn)工藝水介質(zhì)液壓缸缸體采用鑲鋁合金內(nèi)襯技術(shù),可將缸體制成雙金屬缸體。該技術(shù)將缸筒半精鏜后,將0.8～1.0mm厚的鋁合金管緊密牢固地壓入缸筒內(nèi),然后對鋁合金表面進行電化學(xué)處理,形成性能穩(wěn)定的防腐層。(2)活柱生產(chǎn)工藝水介質(zhì)液壓缸活柱采用超音速電弧噴涂技術(shù),將1Cr13不銹鋼噴涂在活柱筒表面,噴涂厚度0.3～0.5mm左右,然后經(jīng)過磨床磨削加工達到公差要求,其防腐性能可達到不銹鋼的防腐水平。(3)活塞生產(chǎn)工藝活塞及底座等采用45鋼化學(xué)沉積Ni-P技術(shù),使其表面形成一種結(jié)構(gòu)均勻細密的晶態(tài)合金層,該合金層硬度高、耐磨性及化學(xué)穩(wěn)定性好,特別適合于水介質(zhì)工作環(huán)境。(4)液壓閥生產(chǎn)工藝液壓閥閥芯可采用整體陶瓷結(jié)構(gòu)或采用不銹鋼材料制作,閥座可采用碳纖維增強塑料(CFRP)制作。3國內(nèi)研究現(xiàn)狀與發(fā)展方向液壓支架