精品资料（2021-2022年收藏）论文双伸缩立柱液压支架存在的安全隐患及改进20110907

1、双伸缩立柱液压支架初撑力存在的安全隐患及改进国家煤矿支护设备质量监督检验中心 刘欣科一、前言 “双伸缩立柱液压支架”，因其伸缩比大、适应采高范围广而受到煤矿开采者的青睐。但由于受自身特点的限制，在支架升起进行主动初撑时，会因一级缸活塞触抵导向套产生内力导致二级缸压力不足，支架初撑力不足一半。通过本文的具体分析、查找原因、并设计遴选了最佳改进方案，完善地解决了“双伸缩立柱”潜在的安全隐患，可极大地提高双伸缩立柱液压支架的安全性，确保煤矿的安全生产。二、问题提出随着煤炭开采技术的发展，液压支架在采煤工作面上的作用日益巨大，方便、快捷、高强、高效的优势特色彰显着液压支架不可替代的首选地位，特别是“双

2、伸缩立柱液压支架”，因其超大行程、超大伸缩比、过强的顶底板适应性而受到煤矿开采者的欢迎。但某煤矿一次顶板大面积提前垮落事故使得“双伸缩立柱液压支架”的初撑效果受到了质疑：是由于岩石顶板偶然的不规律“冲击地压”造成的，还是因为“双伸缩立柱液压支架” 固有的自身特点必然造成了其在初始阶段的 “初撑力量”不足，“双伸缩立柱液压支架”是否存在着潜在的安全隐患？相同大缸、相同泵站压力的“双伸缩立柱液压支架”与“单伸缩立柱液压支架”其初撑力上是相同吗？三、原因剖析众所周知，双伸缩立柱液压支架因其操作方便、伸缩比大、适应采高范围大而备受欢迎，较之单伸缩立柱支架有着明显的优势。但在初始阶段的支撑方面却存在严重

3、的、潜在的安全隐患。具体分析如下：1工作原理及操作流程： “双伸缩立柱液压支架”在煤矿井下安装完毕后，会通过换向阀机构向立柱下腔（一级缸）供液，使得一级活塞杆（又称中缸）伸出，托住支架顶梁向上升起。当中缸全部伸出接触缸筒缸口处的导向套时，中缸因被导向套限位无法继续外伸，此时一级缸腔内压力会继续升高。当压力升至57MPa时，高压介质（乳化液）会打开底阀进入中缸腔内，推动二级活塞及活塞杆向上伸出，从而带动支架顶梁继续升起，直至顶梁接触岩石顶板，持续供液，直到一级缸腔内压力达到额定泵压95%以上为止。此即所谓支架初撑力。其动作顺序可概括为中缸先伸出，至导向套限位后二级活塞杆才能接着伸出。简要理解初撑

4、力即为：支架顶梁对岩石地板的力，是由立柱传递上来的，是主动力。2结构受力剖析对一级活塞进行受力分析，可发现一级活塞共受到三个力的作用F1=F2+F3：一个向上的力F1=P1*A，两个向下的力F2=P2*B、以及环形导向套对活塞的反作用力F3。此时的初撑力大小仅与二级活塞面积B面积及压力P2有关，与一级活塞A及压力P1无关。整体来看可以认为双伸缩立柱是以一级缸为基础、为底座，通过二级缸向上传递支撑力量。其支撑力量大小与“底座”无关。比对两个活塞的受力情况可知，二级活塞面积A2仅为一级活塞面积A1的一半左右，且压力P2比P1低57MPa（底阀开启的压力损失），故二级活塞传给二级杆的力即真正传给顶梁

5、向上支撑岩石顶板的力（P2*B），尚不到一级活塞向上产生的力（P1*A）的一半，即至少有一半以上的力传给导向套进行了内耗作了无用功，这才是真正的原因。此意相当于“单伸缩立柱液压支架”在泵站压力为31.4MPa时仅仅进行了不到一半压力的支撑，尚不足15.7MPa。这种支撑方式显然是带有非常严重的安全隐患。继续分析双伸缩立柱的初撑方式可知：当一级缸初撑力至31.4MPa时，二级油缸内实际压力为24.4MPa（底阀开启7MPa），随着顶板的破碎、倾斜、来压冲击等情况的出现，岩石顶板会下沉压缩支架，支架状态由主动加载变为被动受压，一级缸压力不变仍为31.4MPa，二级油缸压力开始升高，至62.8MPa

6、时才与一级油缸力量平衡，此时一级活塞才刚刚脱离导向套。可以看出，当二级缸活塞腔压力由24.4MPa升至62.8MPa时，才达到真正的初撑力量。但显而易见顶板已经下沉了一定距离（等于二级活塞杆位移变化量）。说明顶板已经破碎、断裂、或倾斜（顶板岩石可视为刚性体），并且可能开始加速下沉了。不难看出此时的初撑已经为时已晚。继续来压下沉，一级缸活塞腔压力开始上升，至42MPa时，安全阀开启溢流进行保护。在此过程中，二级缸活塞压腔压力则以2倍速度的增加，至84MPa为止。此时的下沉量等于一级活塞杆的下沉量与二级活塞杆的下沉量之和。以300/250的双伸缩立柱行程-压力变化为例：顶板下沉量即立柱压缩量与压力

7、之间的对应关系一级活塞杆长度（mm）二级活塞杆长度（mm）总下沉量（mm）一级活塞腔压力（MPa）二级活塞腔压力（MPa）主动初撑力31.4主动初撑力24.4被动初撑力31.4被动初撑力62.8额定工作阻力42额定工作阻力84 MPa1.5倍额定工作阻力631.5倍额定工作阻力1262倍额定工作阻力842倍额定工作阻力168行程-压力变化的柱状图通过比较可见，原先的初始支撑的确不足，从原始的初撑状态到真正达到的“初撑力”状态，顶板已经有了较大距离的下沉，已经引起了顶板的破坏，使得顶板来压提前加速到来，严重影响支护效果与安全生产，改进已迫在眉睫。四、改进及建议 针对初撑力低的真正原因（中缸接触导

8、向套有部分内力消耗：一级活塞产生的力量并未全部传递给二级活塞），改进的关键技术点即为：“避免中缸接触导向套”。但目前的结构设计显然无法做到的、是相互矛盾的：不接触导向套进行限位二级杆是无法伸出的。因此必须进行立柱的设计改进。1机械拦阻法用一机械装置（如圆环链）在一级活塞杆接近全部伸出时，强行阻止其伸出，迫使腔内压力升高打开底阀使得二级缸伸出。待支架顶梁接近岩石顶板后再去除，升柱后便可实现真正的初撑力。此法需要的拦阻装置强度必须足够大，且极易发生危险，有安全隐患。2一级杆腔截止的方法即在中缸伸出大部行程后，关闭一级活塞杆腔，使得活塞杆腔液体无法流出。一级活塞无法向上运动后其活塞腔内液体压力会升高

9、，至57MPa后打开底阀进入二级活塞腔内，达到推动二级活塞杆伸出的目的。在顶梁即将接触顶板时再打开一级杆腔刚才关闭的截止阀，此时因与导向套有了一定距离而实现了“避免接触导向套”，一级活塞会将31.4MPa的额定泵站压力产生的力量全部向上传递给二级活塞腔内液体，并继续向上传递给支架顶梁，此时才真正实现了额定的“支架初撑力”，消除了安全隐患。因面积比差，此时二级活塞腔内压力增压至62.8MPa。但此法绝不可行：因杆腔关闭，活塞腔与杆腔实际具有了增压之效，且面积比约为10:1，即当活塞腔压力达到7MPa（打开底阀）时，封闭的杆腔压力已经达到了70MPa，且极易疏忽忘记打卡截止阀形成增压效果产生超高压

10、力，缸筒、导向套、限位机构、密封等可能因变形而无法承受，甚至有爆炸的危险可能性，具有严重的安全隐患，应予以严令禁止。3立柱双底阀、二级缸单独升柱的方法为避免在一定高度空间内“中缸接触导向套”，只有保证一级活塞杆少伸出一段距离，二级活塞杆多伸出一段距离。可以通过一二级油缸供液分离即单独给二级缸供液的方式实现。在二级活塞上加装一个反向底阀，通过杆腔内连接管路向上至二级活塞杆的头部引出，经高压软管连接至新增设的一片独立供液换向阀进行即可。且此阀对多根二级油缸均可同时并联供液。当支架由最低状态供液升起时，观察一级活塞杆不要全部伸出预留一定距离如100mm，即停止升架。此时操作独立供液换向阀对二级缸单独

11、供液。当二级活塞杆接触顶板达到泵压后停止供液。再通过其余换向阀继续对一级油缸供液至额定泵站压力即可。此时因一级活塞未接触导向套，保证了一级活塞产生的向上力量通过二级油缸全部传递给了支架顶梁，实现了真正的支架初撑力，达到了顶板防护的目的。此法简单可行，变动不大，仅增一底阀、一腔内连接管路、一高压软管及一片换向阀而已。4机械加长段的方法及操作工艺改进（1）现状：单伸缩立柱采用机械加长段的方法同样能够很好地实现与双伸缩立柱一样大伸缩比、适应大范围的采高区间。并且“机械加长段的单伸缩立柱”有着“双伸缩立柱”所无法比拟的综合优势，主要体现在以下两点：加工成本：机械加长段的加工简单，粗加工即可，要求的精度

12、低，加工成本低；而二级缸加工复杂，要求精度高，还要求有电镀、外圆磨等，工序繁复，成本较高；维护保养：机械加长段不怕磕、碰、砸、撞、锈，基本无需维护、保养；而“双伸缩立柱”裸露在外的电镀层表面，要精心维护，防止磕碰、锈蚀，若有一点点的表面损伤、损害则因密封不住而整体报废。造成极大的浪费。其呵护、保护、维修成本较高。但据调查，单伸缩机械加长段的立柱在煤矿井下并不是很受欢迎。主要原因就是操作复杂，增加了煤矿工人的劳动强度，降低了劳动效率：在井下操作时，煤矿工人要首先进行支架液压管路的调换：以四柱式支架为例，共有2片换向阀分别对前排2根立柱和后排2根立柱进行升降柱动作。方法就是将4根立柱中的对角2根立

13、柱的升降柱管路对换。如此当对支架进行升柱动作时，对角的2根立柱就变成了降柱，只要将卡环、销轴去除，油缸就会向下收缩露出加长段的其它卡槽，到达需要的位置后停止升柱动作，将卡环安装好后再反向进行降柱动作，此时立柱就会上升顶进卡环固定装置。如此类似，可对其余2根立柱进行加长段位置调整。可见此法的确过于繁复，对其进行改进的必要性极高。（2）针对此问题可进行如下工艺性改进改进方法很简单：再增加2片升降柱换向阀。如此，各立柱均由独立一片换向阀控制，不需调换管路，可对任一根立柱随意升降，进行快速地加长段卡环位置变换。此法最佳，成本低，简单易行，工人操作简便，可极大提高生产效率。5改进复合型加长段的方法此法另有文章详述，此处简略。6改进底阀：将底阀进行改进，使其不仅具有单向进液功能，而且具备卸荷降柱的功能，改变为一个液控单向阀。如此可去掉一级活塞的底阀，仅在二级活塞上加装此底阀即可。可实现二级缸的单独升或降。五、结论 通过以上分析可知