第46屆等級獎?wù)撐?--掘進機機載臨時支護的研制與應(yīng)用
曉南礦??馮青林 田盛時
?
摘要 ?研制出架體可展開支撐頂板，能夠主動給空頂區(qū)較強的初撐力，支護省時省力，操作快捷的掘進機機載臨時支護裝置，在掘進工作面投入使用后，取得了較好的效果，宜向各礦山企業(yè)進行推廣。
關(guān)鍵詞機載支護掘進機空頂區(qū)域臨時支護
?
1 引言
曉南礦巷道掘進施工工藝循環(huán)為：截割→退機→敲幫問頂→臨時支護→永久支護→再截割。傳統(tǒng)的臨時支護流程如圖1所示：掘進機割出2m的空頂區(qū)域后，倒退至待機區(qū)。多名掘進人員協(xié)同作業(yè)，先接設(shè)錨網(wǎng)，再安裝挑頂環(huán)（用來將挑頂桿懸掛在頂板上），安裝挑頂架（用來固定挑頂桿后端），最后縱向安裝約3.5m長的挑頂桿探至空頂區(qū)。挑頂架前輕后重，依據(jù)杠桿原理，將鋼筋梯挑起，在鋼筋梯內(nèi)孔的預(yù)留位置上，用錨桿機打注錨桿，安錨桿托盤，完成對頂板的支護。
?
2提出問題
傳統(tǒng)的臨時支護，全過程均為人工操作，步驟較多，視頂板情況安設(shè)二套或三套挑頂架、挑頂桿、挑頂環(huán)，來挑起鋼筋梯。此流程以下問題：對頂板沒有初撐力，屬于被動支護，安全可靠性差；流程十分繁瑣，需前后人員配合嫻熟，且易出現(xiàn)人身磕碰情況；挑頂桿與頂板為點接觸，挑頂縱深范圍僅為2m，不能完全貼合頂板。
面對以上不足，如何結(jié)合掘進工作面實際情況，以掘進機為載體，研制機械液壓一體化裝置，使臨時支護更快速、可靠，有效解決臨時支護施工中，人力、物力高投入問題。
?
3分析問題
3.1機載支護設(shè)計方案
曉南礦自行研發(fā)機載臨時支護裝置，其結(jié)構(gòu)完全展開如圖2所示，折疊后如圖3所示。架體由前至后分別為接頂內(nèi)梁、接頂外梁、旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂×2、旋轉(zhuǎn)外臂×2，組成了支撐體，油缸由前至后分別為伸縮缸、調(diào)角缸×2、內(nèi)置缸×2、旋轉(zhuǎn)缸×2，提供了伸展、折疊的動力，各鉸接處銷軸共16根，以使架體、油缸、掘進機有機連接成為整體。
圖1 傳統(tǒng)的臨時支護形式
圖2 機載臨時支護的展開圖
圖3 機載臨時支護的折疊圖
液壓結(jié)構(gòu)如圖4所示，分別由五聯(lián)閥組×1、分流集流閥×2、雙向鎖×3、板式平衡閥×4及各種膠管、接頭等組成。從掘進機聯(lián)閥組件取油，通過五聯(lián)閥組控制各缸體：二個內(nèi)置油缸分別由2片閥控制，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂的不同步升降，以滿足頂板不平時的情況；旋轉(zhuǎn)油缸由1片閥控制，實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動，調(diào)角油缸由1片閥控制，實現(xiàn)接頂外梁的水平接頂，單伸縮油缸由1片閥控制，實現(xiàn)接頂內(nèi)梁的向前伸出。
圖4 機載臨時支護液壓系統(tǒng)原理圖
3.2分析因素
在設(shè)計該機載支護時，主要從以下6個方面分析考慮。
3.2.1功能性
傳統(tǒng)挑頂桿臨時支護的有效支護距離僅為2m，而機載支護的設(shè)計有效支護距離要達到3m以上。掘進機截割部上部空間能夠提供約2.4m的長度，以此確定了機載支護的接頂部位采用二級“抽屜”式抽拉模式，接頂外梁長約1.9m，接頂內(nèi)梁長約1.5m，接頂面積約3m×1.5m。
接頂內(nèi)梁在伸出過程中，是將垂直向下的錨網(wǎng)逐漸推向水平，為了防止棱角刮傷、損壞錨網(wǎng)，接頂內(nèi)梁前部采用整體彎曲成型，兩端的切角配合圓角，可平順的與錨網(wǎng)接觸，不會刮傷錨網(wǎng)。接頂內(nèi)梁的梯形斜邊上，有三角形的凸起，形成矩形槽，可利用槽固定鋼筋梯和接頂木拌，防止其縱向滑動。
3.2.2強度及重量
架體采用Q345牌號鋼制作，其性能適宜切削加工和焊接加工。較高的機械強度能夠確保頂板有異常情況時，架體提供較大的支撐力。因其是以掘進機的截割部為載體進行安裝，掘進機行走及作業(yè)時，機載支護的主體是折疊后伏在截割部上，所以要求其整體重量盡可能的輕，避免因過重而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)工作臺、回轉(zhuǎn)支承、緊固螺栓、銷軸襯套等零部件因承受載荷過大而導(dǎo)致使用壽命的縮短，機載臨時支護的全部重量不能超過0.7t，大部分架體結(jié)構(gòu)決定采用70×70×5mm方焊管、δ8mm鋼板焊接成型。
3.2.3操作視線
在掘進機作業(yè)時，機載支護是處于收縮折疊狀態(tài)的。為了不影響司機的操作視線，使其能夠盡量直觀的觀察截割頭截割情況。機載支護的高度應(yīng)最大化的降低，避免司機因無法觀察到截割頭截割頂幫煤巖的情況，進而造成頂幫超挖和刮碰頂幫錨桿及錨網(wǎng)。兩側(cè)的調(diào)角缸位置是在旋轉(zhuǎn)臂正上方靠里側(cè)布置，折疊后，可讓出旋轉(zhuǎn)臂的空間，進一步下降高度；接頂外梁二側(cè)面方焊管的位置，是在調(diào)角缸正上方靠里側(cè)布置，折疊后，可讓出調(diào)角缸的空間，這樣可以有效的降低收縮折疊后的整體高度。
接頂外梁中間的二根連接橫梁，在使用中不是主要承重部位，僅起連接二側(cè)縱梁的作用。所以，采用扁形60×30×3mm方焊管靠下布置，以減少對司機視線的遮擋。
3.2.4防交叉干涉
機載支護在接頂?shù)倪^程中，已打注錨桿、錨索的突出部分會對接頂外梁的移動、上升產(chǎn)生影響，為了避免、減少刮碰。接頂外梁的俯視投影面積要盡可能的小。所以，只在梁的中間設(shè)置了一個伸縮缸。最后一道梁的位置也盡可能的靠前布置。
3.2.5保護
首先是對人的保護，機載支護伸展后，人員要在其下方作業(yè)，為避免液壓系統(tǒng)突然失效，油缸收縮，架體下落而傷及人員，裝置上設(shè)置了3組雙向鎖和2組平衡閥。鎖和閥的布置盡可能靠近油缸，在伸展后發(fā)揮作用，對人員提供保護。鎖和閥布置的越遠(yuǎn)離油缸，發(fā)生液壓事故的概率越大。
其次是對液壓元件的保護，掘進工作面存在掉落碎塊的風(fēng)險，油缸桿、雙向鎖、閥、接頭被巖塊砸中會降低密封性，甚至?xí)プ饔?。在它們的正上方均設(shè)置有護板，以防碎塊砸壞。
3.2.6防震
在掘進機截割時，機載支護會隨著截割部做劇烈的震動。為防止銷軸的串出、丟失，各處銷軸均設(shè)計有卡板，個別處于震動強烈位置的銷軸，在其另一端加工出螺紋，擰緊帶孔的螺母，孔內(nèi)穿入開口銷，防止串出。為防止接頂外梁的震動，進而影響調(diào)角缸的壽命，在截割作業(yè)時，用夾子將接頂外梁分別同左右旋轉(zhuǎn)外臂固定，使其形成一個整體，防止震動對其產(chǎn)生影響。
3.3受力計算
要在假定鉸接點穩(wěn)固不破壞的前提下，接頂內(nèi)梁完全伸出的狀態(tài)下，對受力1.5t和0.75t二種情況進行分析：
?
圖5 受力1.5t和0.75t時的分析
3.3.1接頂內(nèi)梁受力1.5t時
接頂內(nèi)梁及接頂外梁模型分析如圖5所示，最大位移出現(xiàn)在接頂內(nèi)梁最前端，形變量約為56mm。
最大應(yīng)力點為接頂內(nèi)梁根部與外梁接觸位置，最大應(yīng)力為383MPa，Q345剛屈服強度為345MPa，抗拉強度為490～675MPa，抗剪強度為0.7～0.8抗拉強度?？芍?，在頂板掉落巖石質(zhì)量達到1.5t時，內(nèi)梁一定會出現(xiàn)變形，內(nèi)梁和外梁的最大應(yīng)力點存在破斷的可能。因為所受應(yīng)力超過屈服，所以安全系數(shù)偏低，約為0.96。通過分析，機載支護無法獨自承載1.5t掉落巖塊的能力，在接頂外梁兩側(cè)方焊管70×70×5mm的最前端，增焊80×80×8mm方焊管，在該處薄弱點進行補強。
3.3.2接頂內(nèi)梁受力0.75t時
接頂內(nèi)梁及接頂外梁模型分析如圖5所示，最大位移出現(xiàn)在接頂內(nèi)梁最前端，形變量約為26mm。
最大應(yīng)力點為接頂內(nèi)梁根部與外梁接觸位置，最大應(yīng)力為191.8MPa，安全系數(shù)1.8。
在車間制作組裝后，實際進行了加載試驗，在最前端加載0.8t的重物，10min型變量約29mm。
經(jīng)分析，機載支護可獨自承載0.75t掉落巖塊的能力，配合DW31.5-30/100B型單體液壓支柱，安全系數(shù)大幅提升，可承載巖塊的重量也大幅增加。
在接頂外梁兩側(cè)及接頂內(nèi)梁的中間，共焊接三個能夠固定單體支柱的卡位圓環(huán)。
3.3.3受力1.5t（忽略自重）
對油缸進行校核，旋轉(zhuǎn)油缸所受拉力：15000N×5234=424×T ?
T=185165.1N
自重：伸縮內(nèi)梁185kg，伸縮外梁320kg，伸縮外梁重心距離鉸接點3900mm，
自重對旋轉(zhuǎn)油缸的拉力為：
（185+320）×10×3900=424×T′ ??
T′=46450.5N
T總=185165.1+46450.5=231615.6N ????約為23.2t等效力
旋轉(zhuǎn)油缸的力臂是個浮動值，會隨著運動改變，約為424～520mm，選最小值計算。
旋轉(zhuǎn)油缸額定拉力為16MPa×S=16MPa×5030mm2=80480N，約為8t等效力。
結(jié)論：不安全
3.3.4受力0.75t（忽略自重）
對油缸進行校核，旋轉(zhuǎn)油缸所受拉力：7500N×5234=424×T ?
?T=92582.5N
自重：伸縮內(nèi)梁185kg，伸縮外梁320kg，伸縮外梁重心距離鉸接點3900mm，
自重對旋轉(zhuǎn)油缸的拉力為：
（185+320）×10×3900=424×T′ ??
T′=46450.5N
T總=92582.5+46450.5=139033N ????約為13.9t等效力
旋轉(zhuǎn)油缸調(diào)整至125mm缸徑，正向安裝額定拉力為
16MPa×S=16MPa×7245.3mm2=115924.8N ???約為11.6t等效力
結(jié)論：不安全
3.2.5旋轉(zhuǎn)油缸倒裝的情況
額定拉力為：16MPa×S=16MPa×12271.8mm2=196348.8N ???約為19.6t等效力
經(jīng)校核，旋轉(zhuǎn)油缸倒裝，滿足使用要求。
?
4解決問題 ????????????????????????????????????????????????
4.1機載支護的安裝及聯(lián)動試運轉(zhuǎn)
在車間試驗合格后，拆解、入井組裝并進行試運轉(zhuǎn)。首先，確定分解程度，避免因過度分解而導(dǎo)致井下組裝任務(wù)量的增加。接頂內(nèi)梁插接進接頂外梁，并用伸縮油缸連接為1組；用內(nèi)置缸將旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂和旋轉(zhuǎn)外臂連接為左右2組；其他油缸、銷軸、液壓元件等，采取保護、固定措施后，運往工作面掘進機旁。
將掘進機截割部降至底板，拆下截割部蓋板，停機閉鎖。將截割部與回轉(zhuǎn)工作臺連接的銷軸拆除，安設(shè)機載支護的特制懸臂銷軸，旋轉(zhuǎn)油缸倒裝，缸桿朝向銷軸并固定在銷軸上。將截割減速機與截割升降油缸的連接銷拆除，安設(shè)機載支護的特制懸臂銷軸，旋轉(zhuǎn)臂最前端固定在銷軸上，借助起重機調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂，將旋轉(zhuǎn)缸末端的鉸接孔對準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)外臂上的預(yù)留鉸接孔，并穿銷軸。將接頂內(nèi)梁—伸縮缸—接頂外梁整體起重吊裝，將接頂外梁末端的二個鉸接孔分別對正二個旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂上的鉸接孔，并穿銷軸。吊起接頂內(nèi)梁最前端，使接頂外梁隨之前端仰起，安設(shè)兩側(cè)的調(diào)角缸并穿銷軸固定。至此，架體部分、油缸部分安裝完畢，進入液壓系統(tǒng)安裝階段。
將六聯(lián)操作閥固定在操作臺上蓋板處，將3個雙向鎖、4個分流集流閥、2個平衡閥分別固定在預(yù)留位置，用KJR10-32膠管、接頭、三通等將閥、鎖、缸連接起來，如圖6所示，形成液壓系統(tǒng)。隨后，對其進行聯(lián)動試運轉(zhuǎn)，觀察架體結(jié)構(gòu)動作的準(zhǔn)確、順暢性，調(diào)整液壓系統(tǒng)的壓力，布置管線。完畢后，投入使用。
機載臨時支護率先在曉南礦二水平北一15層軌道中巷及北一1506回風(fēng)順槽投入使用，它提高了支護作業(yè)的效率和安全性，員工在熟練掌握使用機載支護后，有效縮短了臨時支護所使用的時間，比傳統(tǒng)的人工使用挑頂桿臨時支護更快捷，也提高了對空頂區(qū)域的安全可控性。
?
圖6 機載臨時支護液壓系統(tǒng)接管圖
4.2機載臨時支護創(chuàng)新點
機載支護以掘進機截割部為平臺進行安裝，能夠自由隨掘進機行走，以掘進機系統(tǒng)本身的雙聯(lián)柱塞泵提供動力，以多路控制閥控制各部的動作，實現(xiàn)液壓機械一體化，使掘進機截割與支護交替作業(yè)。它從根本上改變了傳統(tǒng)臨時支護的功能和形式，通過有效的給頂板主動施加初撐力，避免了工人在空頂區(qū)作業(yè)，增加了錨護作業(yè)時工作人員的安全性，實現(xiàn)了錨網(wǎng)、鋼筋梯的機械化敷設(shè)，降低了工人的勞動強度。機載臨時支護裝置用時展開，不用時折疊，液壓缸驅(qū)動，操作簡易、方便，減少了支護輔助時間，提高了效率。進行拓展后，可與不同品牌、型號掘進機有機結(jié)合，亦不影響掘進機自身性能。
4.3經(jīng)濟效益
機載支護在曉南礦投入使用后，為井下各掘進隊提高了支護作業(yè)效率，節(jié)約了人工，每年為礦節(jié)約生產(chǎn)成本91.36萬元。
?
5 結(jié) ?語
機載臨時支護裝置解決了掘進生產(chǎn)中遇到的實際問題，取得了較好的安全和經(jīng)濟效益。
?
參考文獻
[1]?成大先.?機械設(shè)計手冊第六版[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016.
[2] 楊培元.?液壓系統(tǒng)設(shè)計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2017.
?
作者簡介?馮青林（1974—）男，工程師，1995年畢業(yè)于阜新煤炭工業(yè)學(xué)校測量專業(yè)，現(xiàn)在鐵法能源公司曉南礦擔(dān)任掘進礦長職務(wù)。聯(lián)系電話：15941050987。
打印本文
關(guān)閉窗口