摘 要:DWF型单体液压支柱是一种结构合理,加工工艺简单,操作简单,维修方便,经济实用的新柱型,解决了传统柱型技术中的不足之处,对于中、厚煤层中具有极大的推广价值。 关键词:单体液压支柱;三用阀座;高压密封面
中图分类号:TD355 文献标识码:A
根据我国及东南亚等国家的煤层自身的赋存条件和煤层赋存地质条件的复杂性,在众多的煤矿井下支护产品中,单体液压支柱因其具有投资少、结构简单、维修方便、操作容易、安全可靠、受地质条件限制少、使用和维护简单方便且操作灵活等特点而成为我国及东南亚等国家煤矿采煤工作面的支护中的主导设备,尤其在普采工作面是得到了普遍的应用。因此,单体液压支柱性能的好坏直接响着煤矿的安全生产[1]。
1 国内单体液压支柱现状
上世纪70年代末,我国自行研制的外注式单体液压支柱,以其升柱速度快,初撑力大(树木支柱、金属摩擦支柱),均匀稳定,结果简单,重量较轻等优势,在国内得到广泛应用[2],其结构见图1。这类单体液压支柱由底座、油缸、活塞、活柱、手把体、复位弹簧、三用阀座、加长段顶盖,三用阀组成。实际应用中由于2.8～3.5m支柱加长段过长,所以将其改进成图2结构型式。以上支柱型号称为DW型。
90年代末,中国矿业大学研究开发了柱塞悬浮式单体液压支柱,见图3,其技术原理采用了柱塞悬浮技术原理。这类单体液压支柱的结构特点是采用油缸、活柱无焊接的三用阀座,将三用阀座设在了手把体上,因此工作行程较大。以上支柱型号称为DWX型。
2006年唐山肯拓机电设备制造有限公司研究开发了新柱型,见图4。2.5m以下支柱其结构特点是三用阀座从活柱侧面横穿而过,无需断开活柱焊接一个三用阀座,支柱工作受轴向力较大时,三用阀孔不会因此产生变形而影响三用阀与三用阀座的密封性能。2.8m以上支柱见图5,其结构特点是油缸无焊接、无铆接,三用阀座装配在油缸内部,三用阀横穿油缸内部圆心,外包加强护套。以上支柱型号均称为DWF型。
2 传统单体液压支柱的结构与技术特征
2.1 DW型支柱
DW型支柱,是上世纪70年代末由我国原煤炭工业部组织调研考察基础上,根据当时国情并参照德国、波兰技术,研制生产的国内第一代外注式单体液压支柱产品,20多年来为我国的采煤工业做出了重大贡献。然而在使用过程中DW型支柱也暴露了一些不足:
1.活柱和油缸断开焊接(铆接)一个三用阀座,其断开处在焊接的强度从理论上最低是整体活柱、油缸的60%,因此在长期使用过程中在焊缝处受压折断的现象时有发生。
2.焊接的过程要求工艺水平高。出厂检验也只能检验耐压效果,其焊缝强度试验大部分制造厂家无法检验。
3.当支柱升高时,操作工人的手臂也随之升高,对于煤层较厚的工作面,三用阀较高的支柱遇上操作工身材不高时是非常危险的。
4.支柱行程受焊接的三用阀座影响很大,对于中厚和薄层煤来说往往造成死柱现象,而无法回收造成很大浪费。
5.因其高压密封面只镀了一层0.02mm厚的铜防腐能力差,所用的乳化液给矿井造成很大的环境污染,同时影响了矿区生活用水质量。
6.油缸内表面为高压密封面,加工难度较大,修复的更加困难。
7.支柱达到工作阻力后,一般内腔的压力均在35～40MPa以上,对于这样大的液压力,油缸在径向就产生弹性膨胀。尽管此弹性膨胀很小,但对高压密封面来说是很重要的,特别是使用二年以后的支柱,油缸疲劳后弹性恢复力的下降,支柱继续使用时,高压密封性能就会大大下降。
2.2 DWX型支柱
DWX型支柱是中国矿业大学1992年由李炳文教授研究的一种单体液压支柱,唐山肯拓机电设备制造有限公司与中国矿业大学合作于2002年生产出国内第一批DWX型支柱,并于同年9月28日国内第一家取得了"MA"标志证书[3]。该类支柱具有如下特点:
1.没有焊接的三用阀座,活柱、油缸都是一个整体,无焊接、铆接。
2.整柱重量比DW型平均轻15%左右,支柱的最小高度大大缩短,搬运、运输、使用、管理均方便。
3.支柱的三用阀设在了手把体上,注液的三用阀不随支柱的活柱升高而升高,操作方便,安全可靠。
4.支柱的高压密封面设在了活柱表面,油缸内的防腐措施工艺简单,也可直接使用井下水,可达到环保目的。
5.该类支柱的活柱升到最高点时,剩余的活柱与油缸重合部分中,活柱处在同压力的缸体之内形成悬浮状态,故为悬浮式支柱。其优点是活柱与油缸重合部分的稳定性增强。
6.该类支柱的行程大,使用范围广,每个规格可代替DW型支柱系列的2～3个规格,减少了规格品种,给支柱管理带来方便,也降低了支柱的设备成本和管理成本,对每个矿业集团而言,可根据本地区的煤层高度情况优选支柱高度规格。
然而,DWX型支柱在目前使用过程中也发现以下缺点[4]:
1.活柱表面的防腐、防炮蹦、防磕碰、防划伤能力很差。目前整个研究会成员单位采取了各种技术(含国外发达国家先进技术)也无法解决。
2.高压密封面设在活柱上,使活柱与手把体的间隙很小,当支柱受压后弯曲度超过间隙值(最大间隙0.427mm)回柱十分困难。
3.高压密封面设在活柱表面,活柱的防腐处理对支柱的使用起到至关重要作用,一旦活柱表面被腐蚀,支柱密封性能大大下降,甚至失效,影响支柱的使用。由于煤矿井下环境恶劣,对防腐技术要求很高,目前各生产厂家都没有找到很好解决办法。
4.支柱的行程大是DWX型支柱的特点,但就2.0米以上的支柱使用情况看,行程大也给使用带来以下问题:
1)由于活柱随支柱型号的增加而加长,当支柱受压后弯曲度超过间隙值的几率增加,造成支柱不回柱现象增多。
2)支柱的升柱时间决定于支柱的行程,行程越大升柱时间越长,如果升柱过长会给操作工人的人身安全带来隐患。
3 DWF型单体液压支柱性能分析
DWF型支柱是唐山肯拓机电设备制造有限公司自行研究开发的柱型。该公司与中国矿业大学合作生产出了第一代DWX型支柱通过运行试验后,研发了对DWX型支柱改进的新型支柱--DWF型支柱,并已获得国家专利。专利号为ZL200620127227.3和ZL200620127222.0。
DWF型支柱是一种矿用单体液压支柱,属于矿用支护设备,特别适用于中、厚煤层使用,目的在于克服现有技术中的不足之处,提供一种结构合理、加工工艺简单、维修方便的新柱型。DWF型支柱由顶盖、底座、油缸、活塞、活柱、手把体、复位弹簧、封堵、中心管等部件组成,其对传统柱型的改进主要表现为以下几点:
1.油缸安装注液手把体改变了传统焊接注液阀座的方式,大大增加支柱的抗弯强度。
2.封堵中心设有中心管,在支柱偏载支护时,可以使支柱的密封不受侧向力,保证支柱密封效果,增加了支柱的安全系数。
3.油缸内表面为镶嵌不锈钢套,防腐能力大大提高,可直接使用井下水,可达到环保目的。且维修方便,大大降低了维修成本。
4.支柱的高压密封面设在了油缸内部,活柱受磕碰、划伤不影响密封。
5.改变了原支柱的受力状况,即活柱内的液压力直接作用在顶点上,增强了支柱的总负荷。
6.工作阻力因充分利用了液压力和无焊接的原因比传统支柱大50～70KN。
7.改传统Y密封为鼓形密封,在顶板来压时能更好的保持密封状态,最大程度的保证矿工生命安全。
8.油缸安装注液手把体降低了三用阀的位置,便于操作。
9.取消油缸外套,减轻支柱总重量,便于井下搬运。
图中:底座1,底托2,注液手把体3,油缸4,中心管5,封堵6活塞7,复位弹簧8,手把体9,顶盖10,压盖11,活柱12,。不锈钢衬套13。
结合图6对DWF型支柱作进一步说明:
DWF型支柱是一种整体大行程矿用单体液压支柱,由底座1,底托2,注液手把体3,油缸4,中心管5,封堵6,活塞7,复位弹簧8,手把体9,顶盖10,压盖11,活柱12,不锈钢衬套13构成。注液手把提3安装在油缸4中下部,与底托2相通,底托2通过中心管5与封堵6相连与活柱12底部活塞7相通,完成注液通道。
泵站内的乳化液经过注液手把体三用阀孔中安装的三用阀过中心管进入活柱内,改变传统支柱的注液方式,从而加大了支柱的工作行程。
由于油缸安装注液手把体,改变了传统支柱在活柱上焊接三用阀座的工艺,使支柱的整体强度大大提高。
DWF型支柱在使用过程中有以下特点:
1.技术原理采用活塞式,高压密封面镶嵌一奥氏体0.6mm厚的钢套,达到防腐的目的。
2.钢管结构无焊接、无铆接。活柱与油缸不需断开是一整体。0.6～2.5m支柱的三用阀座是从活柱外侧横穿结构,,2.8～3.5m的三用阀是安装在油缸管内也不需焊接。保持了钢管原结构的强度。
3.工作行程2.8m是800～900mm,3.15m是800～1000mm,3.5mm是800～1100mm,其余规格的支柱(0.6～2.2mm)和DW型支柱一样。也根据用户要求增大工作行程.
4.工作阻力因充分利用了液压力和无焊接的原因比DW型和DWX型的支柱大50～70KN。
5.支柱的高压密封面设在了油缸内部,活柱受磕碰、划伤不影响密封。
6.油缸内表面为镶嵌不锈钢套,防腐能力大大提高,可直接使用井下水,可达到环保目的。且维修方便,大大降低了维修成本。
7.维修方便,解体一根支柱大约需要2～3分钟,大修非常方便。
8.改变了原支柱的受力状况,即活柱内的液压力直接作用在顶点上,增强了支柱的总负荷。
9.2.5米以下支柱三用阀座孔在活柱侧面横穿通过,支柱受压时,三用阀孔不受力,避免了三用阀孔受压变形漏液;2.8米以上支柱将注液阀安装在油缸内部呈悬浮状态,受力合理三用阀孔不易变形。
10.110缸径支柱采用高钛合金钢,承载能力强,重量轻,在支柱型号中采用"Q"表示。
4小结
上述分析表明,DWF型单体液压支柱是一种结构合理,加工工艺简单,操作简单,维修方便,经济实用的新柱型,解决了传统柱型防腐性能差以及在长期使用过程中在焊缝处受压折断等难题,对于中、厚煤层中具有极大的推广价值。
参考文献:
[1]张立丽,赵波. 单体液压支柱研究的现状与进展,机械加工工艺与装备,2007(1).
[2]中煤物产集团公司支护装备部.煤矿支护产品实用手册[M].北京:煤炭工业出版社,2004.
[3]中华人民共和国煤炭行业标准.MT112-93《矿用单体液压支柱》[S].煤炭科学研究总院.
[4]黄启富,胡中华.对我国矿井支护设备的分析与探讨[J].黄金,2003.(3).