第46屆等級(jí)獎(jiǎng)?wù)撐?--掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)的研制與應(yīng)用
曉南礦??馮青林 田盛時(shí)
?
摘要 ?研制出架體可展開支撐頂板，能夠主動(dòng)給空頂區(qū)較強(qiáng)的初撐力，支護(hù)省時(shí)省力，操作快捷的掘進(jìn)機(jī)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置，在掘進(jìn)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(jìn)行推廣。
關(guān)鍵詞機(jī)載支護(hù)掘進(jìn)機(jī)空頂區(qū)域臨時(shí)支護(hù)
?
1 引言
曉南礦巷道掘進(jìn)施工工藝循環(huán)為：截割→退機(jī)→敲幫問(wèn)頂→臨時(shí)支護(hù)→永久支護(hù)→再截割。傳統(tǒng)的臨時(shí)支護(hù)流程如圖1所示：掘進(jìn)機(jī)割出2m的空頂區(qū)域后，倒退至待機(jī)區(qū)。多名掘進(jìn)人員協(xié)同作業(yè)，先接設(shè)錨網(wǎng)，再安裝挑頂環(huán)（用來(lái)將挑頂桿懸掛在頂板上），安裝挑頂架（用來(lái)固定挑頂桿后端），最后縱向安裝約3.5m長(zhǎng)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(jī)打注錨桿，安錨桿托盤，完成對(duì)頂板的支護(hù)。
?
2提出問(wèn)題
傳統(tǒng)的臨時(shí)支護(hù)，全過(guò)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(lái)挑起鋼筋梯。此流程以下問(wèn)題：對(duì)頂板沒(méi)有初撐力，屬于被動(dòng)支護(hù)，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(diǎn)接觸，挑頂縱深范圍僅為2m，不能完全貼合頂板。
面對(duì)以上不足，如何結(jié)合掘進(jìn)工作面實(shí)際情況，以掘進(jìn)機(jī)為載體，研制機(jī)械液壓一體化裝置，使臨時(shí)支護(hù)更快速、可靠，有效解決臨時(shí)支護(hù)施工中，人力、物力高投入問(wèn)題。
?
3分析問(wèn)題
3.1機(jī)載支護(hù)設(shè)計(jì)方案
曉南礦自行研發(fā)機(jī)載臨時(shí)支護(hù)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(dòng)力，各鉸接處銷軸共16根，以使架體、油缸、掘進(jìn)機(jī)有機(jī)連接成為整體。
圖1 傳統(tǒng)的臨時(shí)支護(hù)形式
圖2 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)的展開圖
圖3 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)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(jìn)機(jī)聯(lián)閥組件取油，通過(guò)五聯(lián)閥組控制各缸體：二個(gè)內(nèi)置油缸分別由2片閥控制，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂的不同步升降，以滿足頂板不平時(shí)的情況；旋轉(zhuǎn)油缸由1片閥控制，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)，調(diào)角油缸由1片閥控制，實(shí)現(xiàn)接頂外梁的水平接頂，單伸縮油缸由1片閥控制，實(shí)現(xiàn)接頂內(nèi)梁的向前伸出。
圖4 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)液壓系統(tǒng)原理圖
3.2分析因素
在設(shè)計(jì)該機(jī)載支護(hù)時(shí)，主要從以下6個(gè)方面分析考慮。
3.2.1功能性
傳統(tǒng)挑頂桿臨時(shí)支護(hù)的有效支護(hù)距離僅為2m，而機(jī)載支護(hù)的設(shè)計(jì)有效支護(hù)距離要達(dá)到3m以上。掘進(jìn)機(jī)截割部上部空間能夠提供約2.4m的長(zhǎng)度，以此確定了機(jī)載支護(hù)的接頂部位采用二級(jí)“抽屜”式抽拉模式，接頂外梁長(zhǎng)約1.9m，接頂內(nèi)梁長(zhǎng)約1.5m，接頂面積約3m×1.5m。
接頂內(nèi)梁在伸出過(guò)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(huì)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(dòng)。
3.2.2強(qiáng)度及重量
架體采用Q345牌號(hào)鋼制作，其性能適宜切削加工和焊接加工。較高的機(jī)械強(qiáng)度能夠確保頂板有異常情況時(shí)，架體提供較大的支撐力。因其是以掘進(jìn)機(jī)的截割部為載體進(jìn)行安裝，掘進(jìn)機(jī)行走及作業(yè)時(shí)，機(jī)載支護(hù)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(guò)重而導(dǎo)致回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承、緊固螺栓、銷軸襯套等零部件因承受載荷過(guò)大而導(dǎo)致使用壽命的縮短，機(jī)載臨時(shí)支護(hù)的全部重量不能超過(guò)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(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí)，機(jī)載支護(hù)是處于收縮折疊狀態(tài)的。為了不影響司機(jī)的操作視線，使其能夠盡量直觀的觀察截割頭截割情況。機(jī)載支護(hù)的高度應(yīng)最大化的降低，避免司機(jī)因無(wú)法觀察到截割頭截割頂幫煤巖的情況，進(jìn)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(jìn)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(duì)司機(jī)視線的遮擋。
3.2.4防交叉干涉
機(jī)載支護(hù)在接頂?shù)倪^(guò)程中，已打注錨桿、錨索的突出部分會(huì)對(duì)接頂外梁的移動(dòng)、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(gè)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(hù)
首先是對(duì)人的保護(hù)，機(jī)載支護(hù)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(duì)人員提供保護(hù)。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(duì)液壓元件的保護(hù)，掘進(jìn)工作面存在掉落碎塊的風(fēng)險(xiǎn)，油缸桿、雙向鎖、閥、接頭被巖塊砸中會(huì)降低密封性，甚至?xí)プ饔谩Ｔ谒鼈兊恼戏骄O(shè)置有護(hù)板，以防碎塊砸壞。
3.2.6防震
在掘進(jìn)機(jī)截割時(shí)，機(jī)載支護(hù)會(huì)隨著截割部做劇烈的震動(dòng)。為防止銷軸的串出、丟失，各處銷軸均設(shè)計(jì)有卡板，個(gè)別處于震動(dòng)強(qiáng)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(dòng)，進(jìn)而影響調(diào)角缸的壽命，在截割作業(yè)時(shí)，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(gè)整體，防止震動(dòng)對(duì)其產(chǎn)生影響。
3.3受力計(jì)算
要在假定鉸接點(diǎn)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(duì)受力1.5t和0.75t二種情況進(jìn)行分析：
?
圖5 受力1.5t和0.75t時(shí)的分析
3.3.1接頂內(nèi)梁受力1.5t時(shí)
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(diǎn)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(qiáng)度為345MPa，抗拉強(qiáng)度為490～675MPa，抗剪強(qiáng)度為0.7～0.8抗拉強(qiáng)度。可知，在頂板掉落巖石質(zhì)量達(dá)到1.5t時(shí)，內(nèi)梁一定會(huì)出現(xiàn)變形，內(nèi)梁和外梁的最大應(yīng)力點(diǎn)存在破斷的可能。因?yàn)樗軕?yīng)力超過(guò)屈服，所以安全系數(shù)偏低，約為0.96。通過(guò)分析，機(jī)載支護(hù)無(wú)法獨(dú)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(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。
3.3.2接頂內(nèi)梁受力0.75t時(shí)
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(diǎn)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(shí)際進(jìn)行了加載試驗(yàn)，在最前端加載0.8t的重物，10min型變量約29mm。
經(jīng)分析，機(jī)載支護(hù)可獨(dú)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(gè)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(duì)油缸進(jìn)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(diǎn)3900mm，
自重對(duì)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(gè)浮動(dòng)值，會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)改變，約為424～520mm，選最小值計(jì)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(duì)油缸進(jìn)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(diǎn)3900mm，
自重對(duì)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(wèn)題 ????????????????????????????????????????????????
4.1機(jī)載支護(hù)的安裝及聯(lián)動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)
在車間試驗(yàn)合格后，拆解、入井組裝并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。首先，確定分解程度，避免因過(guò)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(jìn)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(hù)、固定措施后，運(yùn)往工作面掘進(jìn)機(jī)旁。
將掘進(jìn)機(jī)截割部降至底板，拆下截割部蓋板，停機(jī)閉鎖。將截割部與回轉(zhuǎn)工作臺(tái)連接的銷軸拆除，安設(shè)機(jī)載支護(hù)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(jī)與截割升降油缸的連接銷拆除，安設(shè)機(jī)載支護(hù)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(jī)調(diào)整旋轉(zhuǎn)臂，將旋轉(zhuǎn)缸末端的鉸接孔對(duì)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(gè)鉸接孔分別對(duì)正二個(gè)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(jìn)入液壓系統(tǒng)安裝階段。
將六聯(lián)操作閥固定在操作臺(tái)上蓋板處，將3個(gè)雙向鎖、4個(gè)分流集流閥、2個(gè)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(lái)，如圖6所示，形成液壓系統(tǒng)。隨后，對(duì)其進(jìn)行聯(lián)動(dòng)試運(yùn)轉(zhuǎn)，觀察架體結(jié)構(gòu)動(dòng)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(jī)載臨時(shí)支護(hù)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(hù)作業(yè)的效率和安全性，員工在熟練掌握使用機(jī)載支護(hù)后，有效縮短了臨時(shí)支護(hù)所使用的時(shí)間，比傳統(tǒng)的人工使用挑頂桿臨時(shí)支護(hù)更快捷，也提高了對(duì)空頂區(qū)域的安全可控性。
?
圖6 機(jī)載臨時(shí)支護(hù)液壓系統(tǒng)接管圖
4.2機(jī)載臨時(shí)支護(hù)創(chuàng)新點(diǎn)
機(jī)載支護(hù)以掘進(jìn)機(jī)截割部為平臺(tái)進(jìn)行安裝，能夠自由隨掘進(jìn)機(jī)行走，以掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)本身的雙聯(lián)柱塞泵提供動(dòng)力，以多路控制閥控制各部的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械一體化，使掘進(jìn)機(jī)截割與支護(hù)交替作業(yè)。它從根本上改變了傳統(tǒng)臨時(shí)支護(hù)的功能和形式，通過(guò)有效的給頂板主動(dòng)施加初撐力，避免了工人在空頂區(qū)作業(yè)，增加了錨護(hù)作業(yè)時(shí)工作人員的安全性，實(shí)現(xiàn)了錨網(wǎng)、鋼筋梯的機(jī)械化敷設(shè)，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置用時(shí)展開，不用時(shí)折疊，液壓缸驅(qū)動(dòng)，操作簡(jiǎn)易、方便，減少了支護(hù)輔助時(shí)間，提高了效率。進(jìn)行拓展后，可與不同品牌、型號(hào)掘進(jìn)機(jī)有機(jī)結(jié)合，亦不影響掘進(jìn)機(jī)自身性能。
4.3經(jīng)濟(jì)效益
機(jī)載支護(hù)在曉南礦投入使用后，為井下各掘進(jìn)隊(duì)提高了支護(hù)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(wàn)元。
?
5 結(jié) ?語(yǔ)
機(jī)載臨時(shí)支護(hù)裝置解決了掘進(jìn)生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題，取得了較好的安全和經(jīng)濟(jì)效益。
?
參考文獻(xiàn)
[1]?成大先.?機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)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(jì)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2017.
?
作者簡(jiǎn)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(cè)量專業(yè)，現(xiàn)在鐵法能源公司曉南礦擔(dān)任掘進(jìn)礦長(zhǎng)職務(wù)。聯(lián)系電話：15941050987。
打印本文
關(guān)閉窗口