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單體液壓支柱的生產(chǎn)安全可靠性研究

文檔作者：尚慧嶺1 王晨明1 趙恒2 孫亞鵬2 程松1 文檔來源： 1．中平能化集團(tuán)設(shè)備租賃分公司 2．中平能化集團(tuán)天工機(jī)械制造有限公司		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年07月21日
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2010年第6期煤礦機(jī)電·19·
單體液壓支柱的生產(chǎn)安全可靠性研究
尚慧嶺1，王晨明1，趙恒2，孫亞鵬2，程松1
(1．中平能化集團(tuán)設(shè)備租賃分公司，河南平頂山467021；2．中平能化集團(tuán)天工機(jī)械制造有限公司，河南平頂山467021)
摘要： 針對單體液壓支柱在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的變形損壞及失效現(xiàn)象，分析了額定工作壓力對單
體支柱穩(wěn)定性的影響、支柱高度與額定工作壓力之間的變化趨勢，采用試驗室實驗和鐵譜分析等技
術(shù)方法，找出了三用閥失效產(chǎn)生的深層次原因。并對升降柱背壓對單體液壓支柱工作性能的危害
性及作用機(jī)理作出分析。據(jù)此提出了改善、加強(qiáng)、提高單體液壓支柱的生產(chǎn)安全可靠性的對策措
施，在生產(chǎn)中應(yīng)用后，取得了明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。
關(guān)鍵詞： 單體液壓支柱；變形損壞；研究‘
中圖分類號：TD355+．3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1001—0874(2010)06—0019—03
Research on the Safety and Reliability in Process for Hydraulic Prop
SHANG Hui—lin91，WANG Chen—min91，ZHAO tten92，SUN Ya-pen92，CHENG Son91
(1．Equipment Le夠ing Co．，Zhongping Ener舒Chemical(Group)Co．，Ltd．，Pingdingshan 467021，China；
2．Tiangong Machine Manufacture Co。，Lid．，Zhongping Energy Chemical(Group)Co．，Ltd．，Pingdingshan 467021，China)
Abstract： For the hydraulic prop with the phenomena of deformation damage and failure in the production
process，the impacts of rated working pressure Oil the stability of single prop ale analyzed and the charge trends
between the leg’S height and the rated working pressure are statistically analyzed，the deep-seated reasons of three
way valve failure are analyzed by using the technical methods such as laboratory experiments and iron spectral
analysis．The danger and mechanism of action from the back pressure of lifting colulnn to hydraulic prop are
demonstrated and analyzed． Accordingly，the countermeasures to improve，enhance and advance the safety and
reliability of hydraulic prop in working process are proposed，are achieve significant economic results in practical
application．
Keywords：hydraulic prop；deformation damage；study
1概述主竺器高豸萎輦飄戔善翥滕罷
目前，高檔普采工作面和綜采面端頭支護(hù)中使果表明：其失效比例達(dá)80％以上，這在一定程度上
用的單體液壓支柱在生產(chǎn)過程中發(fā)現(xiàn)的主要問題： 降低了單體液壓支柱的支護(hù)能力，也對井下的安全
一是缸體脹缸串流，出現(xiàn)自降現(xiàn)象；二是達(dá)不到額定生產(chǎn)造成了影響。
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萬方數(shù)據(jù)
·20· 煤礦機(jī)電2010年第6期
2單體支柱的穩(wěn)定性
生產(chǎn)制造廠，一般把單體液壓支柱、三用閥作為
獨立的產(chǎn)品分別組織生產(chǎn)，供貨。而在生產(chǎn)現(xiàn)場，單
體支柱用的三用閥一般都沒有嚴(yán)格按照相應(yīng)的規(guī)格
型號配套選用。
生產(chǎn)現(xiàn)場使用的三用閥，其額定工作壓力調(diào)定
值通常為40 MPa。以DW35型單體液壓支柱(圖
1)為例，結(jié)構(gòu)尺寸Z1=1．608 m、12=0．304／／1、13=
1．588 m、d1=O．084 Ill、以=0．096 m、Dl=0．10 m、
D2=0．144 m。
在計算單體液壓支柱的穩(wěn)定性時，以相關(guān)參數(shù)
來分析其穩(wěn)定性，采用的三種臨界壓力公式分別為：
r p 1一!蘭!!!
。1
1‘。一[p(厶+z2+z3)]2
=2．93×102 kN(取肛=1) (1)
r p、一!：墨!塑互二簍!
¨．u／一“(∥。)2(D；一d：)
=4．7×103 kN (2)
[P3^]=7I訂d22p=2．44×103 kN (3)
通過比較3種臨界壓力的計算結(jié)果，式(3)認(rèn)
定為設(shè)計確定的臨界壓力，但由于在生產(chǎn)現(xiàn)場末使
用與設(shè)計匹配的三用閥、而是使用的額定工作壓力
為P；40 MPa的三用閥，經(jīng)計算：
P3I=2．89×103 kN
顯然，P3。>[P，。]致使單體液壓支柱在使用中
會降低其穩(wěn)定性從而降低對頂板的支撐能力。
． 圈1 DWX型單體液壓支柱受力狀況
經(jīng)對缸徑100 mm和110 mm兩種規(guī)格的DWX
型單體液壓支柱的額定工作壓力統(tǒng)計分析，結(jié)果如
圖2所示。縱坐標(biāo)表示支柱高度用H(dm)標(biāo)示，橫
坐標(biāo)表示支柱的額定工作壓力用P。(MPa)標(biāo)示，實
線和虛線分別是DW06-300／100X—DW35-250／
100X、DW06-300／1 10X—DW35-25：0／1 10X單體支柱
的高度與額定工作壓力值關(guān)系示性線，其共同特征
是設(shè)定的額定工作壓力值P。(即三用閥的安全閥工
作壓力)與單體支柱的高度日成反比，即P。隨日增
加而降低，隨日降低而增大。
圖2單體支柱的只講關(guān)系
可見，單體支柱與三用閥有設(shè)定的匹配關(guān)系，在
使用中應(yīng)按規(guī)定配套使用，不能代用、混用、通用。
因此，正確使用三用閥對于減少單體支柱彎曲變形、
脹缸，維持其強(qiáng)度、剛度，改善、提高使用效果具有重
要作用。生產(chǎn)制造或大修后的三用閥應(yīng)明確標(biāo)注出
其主要技術(shù)特征及適配的單體支柱品種，以便于生
產(chǎn)現(xiàn)場正確使用。
3三用閥的安全閥失效
三用閥是外注式單體支柱的心臟，它由三部分
組成：單向閥、安全閥、卸載閥，在回采工作面實現(xiàn)支
柱的升柱、卸載、回柱等動作。
實驗結(jié)果表明，造成三用閥的安全閥失效的主
要原因是受污染物污染。采用鐵譜技術(shù)分析發(fā)現(xiàn)三
用閥在工作過程中失效，主要是安全閥失效，失效的
根本原因是由于煤巖粉塵、氧化物、金屬顆粒等混合
造成的污染澀滯。當(dāng)回采工作面頂板壓力顯現(xiàn)比較
明顯時，因安全閥被污物堵塞不能開啟溢流，致使載
荷超過支柱設(shè)定的支撐能力而引起支柱脹缸串流、
失穩(wěn)、彎曲變形等故障。
這些污染物的來源途徑較多，比如：生產(chǎn)制造
時，液壓元件尖棱倒鈍，去飛邊毛刺等；組裝時零件
清洗不干凈；使用過程中，控制煤巖粉塵等措施不到
位，這些混合污染物造成的污染都會引起安全閥被
萬方數(shù)據(jù)
2010年第6期煤礦機(jī)電·2l·
堵塞。為此，使用中三用閥必須按規(guī)定周期，按期進(jìn)
行標(biāo)定、更換，以保證工作性能完好。
4缸體脹缸變形
單體液壓支柱就像一種單作用油缸，上腔沒有
進(jìn)、回油口，不進(jìn)工作介質(zhì)。從這個意義上，裝在手
把上面的防塵圈、導(dǎo)向環(huán)只起防塵及導(dǎo)向作用，上也
到密封作用。尤其當(dāng)支柱以O(shè)．27 m／s或0．4 affs
(流量125 L／min或200 L／min)的速度升柱時，上腔
的壓縮氣體不能夠從手把與缸體結(jié)合處、防塵圈及
導(dǎo)向環(huán)部位釋放、尤其在產(chǎn)生銹蝕之后其密封性能
還會得到加強(qiáng)。當(dāng)注液槍連續(xù)供液時，支柱上腔氣
體被壓縮產(chǎn)生增壓，上腔壓力大于下腔充液壓力時，
即從活塞密封處進(jìn)入下腔。因此，上腔的封閉壓力
能否高于下腔取決于活塞Y形密封小端(大端喇叭
口朝向下腔)與缸孔之間的密封效果。
(1)當(dāng)缸徑與活塞Y形密封小端間隙為零，意
即單體支柱升柱時上腔產(chǎn)生的壓縮空氣被切斷了向
下腔泄壓的可能性，而只有手把與缸體結(jié)合處、防塵
圈及導(dǎo)向環(huán)部位的一個釋放路徑，如若此路不通或
流量不敷，則上腔空氣即被壓縮，記作P，，下腔供液
壓力記作P。，那么上下腔壓力的關(guān)系為：P。／P，=
10／1(下腔與上腔面積之比)，下腔供液壓力P。取
決于配套乳化液泵站的壓力，一般為31．9 MPa，那
么上腔的壓力將會達(dá)到319 MPa，在此壓力下必然
會產(chǎn)生缸體脹缸變形現(xiàn)象。
在工作過程中，只要注液槍注液就存在升柱動
作，即使缸體產(chǎn)生了脹缸。缸體出現(xiàn)脹缸后，由于活
塞Y形密封的預(yù)壓縮量(預(yù)緊力)較大，支柱的支撐
能力在額定工作阻力下不會出現(xiàn)明顯變化，所以，單
體液壓支柱的升柱背壓現(xiàn)象容易被忽視。
(2)當(dāng)缸徑與活塞Y形密封小端存在間隙或
間隙較大，或升柱時上腔產(chǎn)生的氣壓大于下腔充液
‘壓力時，則上腔存有的煤巖粉塵等污物會進(jìn)入下腔，
以煤巖粉塵混合的污染物，不但造成三用閥失效，而
且加劇活塞密封件及缸孔的磨損，降低其使用壽命。
對單體液壓支柱可靠性造成的影響，目前，主要
是通過加強(qiáng)供液系統(tǒng)清潔度監(jiān)管，如：確保泵站過濾
系統(tǒng)性能完好、一旦工作介質(zhì)污染變質(zhì)及時更換、定
期標(biāo)定更換三用閥等措施來改善。
在生產(chǎn)中，安裝在回采工作面風(fēng)巷的乳化液泵
站，通過管路系統(tǒng)將工作液輸送到在工作面的注液
槍，由注液槍把高壓液經(jīng)三用閥注入單體液壓支柱
的下腔，完成升柱動作；當(dāng)操作者用卸載手把打開三
用閥中的卸載閥時，支柱內(nèi)腔工作液經(jīng)閥筒噴入采
空區(qū)，活柱在其自重和復(fù)位彈簧作用下回縮，實現(xiàn)單
體液壓支柱的降柱；當(dāng)工作面受到采動影響，頂板來
壓時，支柱下腔壓力大于三用閥的額定工作壓力后，
三用閥中的安全閥開啟溢流，卸壓至封閉壓力時關(guān)
閉，如此循環(huán)，保證單體液壓支柱具有恒阻工作特
性。
在操作使用過程中，有行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《單體液壓支
柱使用規(guī)范》(MT／T 548m1996)、以及企業(yè)制訂的
規(guī)章制度和一些成熟的管理辦法可循。這里著重討
論兩點：
一是升柱背壓。單體支柱升柱時，上腔存在壓
縮空氣是客觀存在，如不采取措施消除，雖然可以保
證達(dá)到初撐力，但當(dāng)頂板來壓時，由于氣體的可壓縮
性，必然會影響支護(hù)效果。所以，在支柱撐緊頂板
后，要操作卸荷閥排出支柱下腔的空氣，而后重新充
液直至其達(dá)到初撐力。
二是避免注液污染。即注液槍未套入三用閥的
單向閥之前，先用注液槍沖洗單向閥口部可能存在
的污染物，而后方可注液。
4結(jié)語
針對單體液壓支柱使用中存在的問題，分析出
額定工作壓力、三用閥、升降柱背壓負(fù)壓、工作面使
用操作等方面對單體液壓支柱的生產(chǎn)安全可靠性產(chǎn)
生的影響，簡述了提高單體液壓支柱可靠性的措施，
在生產(chǎn)中應(yīng)用，已取得較明顯的效果。
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作者簡介：尚慧I嶺(1953一)，男，高級工程師。現(xiàn)在中平能化集團(tuán)
設(shè)備租賃分公司工作，發(fā)表文章20余篇。
(收稿日期：2010—06一07；責(zé)任編輯：陳錫強(qiáng))

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