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高安全性能6.2m大采高支架的研制

文档作者：赵光明文档来源：山西晋城煤业集团金鼎公司		点击数：	更新时间： 2021年05月21日
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第５ 期（总第２０４ 期）
２０１７ 年１０ 月
机械工程与自动化
MECHANICAL _ ENGINEERING _ &amp;amp; _ AUTOMATION
No ．５
Oct ．
文章编号：１６７２‐６４１３（２０１７）０５‐０２１２‐０２
高安全性能６. ２ m 大采高支架的研制
赵光明
（山西晋城煤业集团金鼎公司，山西_ 晋城_ ０４８００６）
摘要： 简单介绍了６.２ m 大采高支架的使用条件和工作面配套设备，重点介绍了液压支架的主体结构设计、
其他结构的设计特点以及液压支架的制造工艺，为大采高支架的研制和推广使用提供参考。
关键词： 液压支架； 大采高支架； 高安全性；研制
中图分类号： TD３５５ ＋ .４ _ _ _ 文献标识码： B
收稿日期： ２０１７‐０２‐１７ ； 修订日期： ２０１７‐０７‐０４
作者简介： 赵光明（１９７４‐） ， 男， 山西平遥人， 高级工程师， 本科， 现从事支架设计与制造。
0 _ 引言
晋煤集团主采３ 号煤层平均厚度在５ ．８ m 左右，
煤层结构稳定在倾角１０°以内。晋煤集团在３ 号煤层
于２００９ 年在国内最早成功进行了高瓦斯条件下３００ m 加长大采高综采工作面试验，并开发制造了高安全性
能６ ．２ m 大采高支架，达到了高质量、高可靠性的生
产目标，目前已制造使用１ ５００ 余架。
1 _ 综采工作面设备配套
工作面支架（包括排头架、过渡架和基本架）均为
两柱掩护式电液控制支架。根据支架所在位置，过渡
架和基本架顶梁为整体顶梁、带８００ mm 行程的内伸
缩梁、伸缩梁前端带可折叠二级护帮的结构型式；排
头、排尾架顶梁采用整体顶梁带一级护帮的结构型式，
并带有底调装置；其余支架的底座一侧预留有底调装
置的连接耳座。所有支架的工作阻力均为１２ ０００ kN 。
过渡架数量按配套需要以保证人行道畅通。排头架和
过渡架的顶梁尺寸按配套确定，并保证支架侧护板高
度使支架在降架过程中避免干涉。全面布置了中间架
１１０ 架、过渡架４ 架、排头和排尾架６ 架，共１２０ 台支架。
支架支撑高度从工作面中部６ ．２ m 过渡到两端
的３ ．８ m ，相邻支架间的高度差３００ mm（侧护板高度
为７６５ mm） ，邻架间侧护板搭接量为４６５ mm ，以避免
降架过程中出现相互脱开咬架的情况。过渡段长度约
１５ ．７５ m ，顶板角度１０ ．９° 。机头和机尾各３ 台排头架，
采用加长的顶梁，能满足刮板输送机传动部的支护要
求。采煤机为SL５００ 型，刮板输送机为SGZ１０００／２ *
８５５ 型运输机，架前通道为３６８ mm ，中间通道为６０２ mm 。
2 _ 支架总体设计指标
按MT３１２ — ２０００ 标准和欧洲EN 标准进行复合
加载型式试验４０ ０００ 次，其主要结构件寿命大于６
年，立柱千斤顶寿命大于３ 年，控制系统、阀寿命大于
４ 年。为确保满足单面年产８００ 万吨～ １ ０００ 万吨以上
的设计能力，支架大修期过煤量指标超过１ ５００ 万吨。
支架总体技术参数如下：支架高度２ ．８ m ～ ６ ．２ m ；
支架宽度１ ６６０ mm ～ １ ８６０ mm ；中心距１ ７５０ mm ；支护
强度１ ．３６ MPa～ １ ．４ MPa ；支护工作阻力１２ ０００ kN ；支
架对底板比压为２ ．８ MPa ～ ２ ．８６ MPa 。
3 _ 支架的设计特点
３ ．１ _ 主体结构设计
基本架在２ ．８ m ～ ６ ．２ m 时的梁端距变化范围为
５４２ mm ～ ５９６ mm ，总变化量为５４ mm ，支架高５ ．５ m 时梁端距为５４７ mm 。在支架的顶梁和掩护梁一侧带
有与梁体一体的固定侧护板，另外一侧配活动侧护板，
使支架结构简单、强度好。伸缩梁带有铰接式两级护
帮机构，护帮机构均采用小四连杆机构控制，在一级护
帮收回时、二级护帮能完全折叠在一级护帮内，护帮机
构的回转半径小，能适应煤层厚度大的变化。支架前
连杆为两个单体连杆，后连杆为整体箱型结构，以提高
支架的侧向抗扭性能。支架的底座采用整体半刚性结
构，底座两边箱体通过前部过桥和后部箱体连接成整
体，底板完全开档，以确保底座排煤通畅；底座过桥厚
度为１２０ mm ，采用钢板拼焊结构，过桥下面距底板高
３８０ mm 。运输机推出后，铰接点处可以上摆４００ mm ，
底座前端可以下摆３２０ mm ，适应性强。支架底座前
端设计为R１５０ 圆弧过渡，底座过桥后设有抬底千斤
顶，利于支架在软底板上前移。四连杆机构和顶梁与
掩护梁间的连接轴采用基孔制间隙配合，保证四连杆
机构的销孔间隙在０ ．４ mm ～ ０ ．７５ mm 之间，最大不超
过０ ．７５ mm ；四连杆机构连接处的横向间隙在４ mm ～
８ mm 范围内变化，最大不超过８ mm 。通过间隙控
制，提高了支架的稳定性。
３ ．２ _ 其他结构设计
在运输机中心线附近的支架顶梁上设有两个起吊
重量不低于５ t 的吊环，方便输送机的安装。在其余
结构件和立柱、千斤顶等液压元件上，也相应设有起吊
环或起吊孔，方便安装和维护。所有起吊环均按圆环
链的标准制造。
当顶梁和掩护梁间夹角在１７５°时才有机械限位
装置，此时平衡千斤顶尚有一定的富裕液压行程，使平
衡千斤顶不会受到过度机械力的拉伸，保护了平衡千
斤顶及其连接耳板；支架升到最高、顶梁下摆１５°时，
顶梁和掩护梁间有机械限位装置；当支架降到最低时，
万方数据
底座和前连杆之间有机械限位装置。
支架顶梁后部和掩护梁铰接处采用“屋檐式”设
计，从而保证支架顶梁与掩护梁之间连接处不漏煤；并
确保活动侧护板伸出时的侧向密封，顶梁和掩护梁侧
护板上的安装工艺孔均有挡板封闭。支架的顶梁端板
前端上面焊有Φ３０ mm 的通长圆钢，伸缩梁前端有
R５０ mm 的圆弧，掩护梁背面的压板等有倒角，以确保
支架前移时不刮顶网。在底座前端上部的人行通道设
为水平，其上部设有防滑花纹钢板，以利于人员行走，
立柱后部的脚踏板上设有防滑花纹钢板和防滑胶垫。
支架立柱中间设有伸缩护网，防止碎煤伤人。
推移装置中，在连接头与推移杆的垂直连接销轴
上带应力槽，实现对整个推移装置中各部分的机械保
护作用；在设计抬底装置与底座连接销轴时，要确保抬
底油缸损坏前提前切断并便于现场安装和更换。推移
千斤顶与底座的连接采用挡块加横销的结构型式，使
得抬底装置安装和拆卸空间加大，使立柱、推移千斤顶
和抬底装置等均能独立安装拆卸、互不影响，方便井下
设备的检修和维护。为了井下方便更换推移千斤顶位
移传感器，将推移千斤顶的缸底上抬而其余连接部位
不拆，即可直接更换有故障的位移传感器；推移千斤顶
收回后，千斤顶与推杆之间的固定销轴与压块均暴露
在箱体外面，拆卸方便。
在支架顶梁的前部腹板上设有向下的架内喷雾装
置，可实现自动喷雾；在支架掩护梁和后连杆上各设有
两个朝向老塘的喷雾装置，可实现手动喷雾，增加了老
塘矸石的湿度，减小了移架后矸石粉尘。
4 _ 支架的制造工艺
支架在加工时严格按照原材料的相关加工工艺进
行，特别是要采用通过焊接工艺评定以及井下验证过
的焊接工艺方法，合理确定焊接工艺参数、选择焊材。
针对支架高工作阻力的要求，选择了Q８９０ 、Q６９０ 等高
强度合金钢板，对钢材进行相应的抗裂性能试验、焊接
性能试验及与焊接工艺规范相关的试验，并进行了相
关焊接材料的研究，确定了预热温度、层间温度、回火
温度、保护气体的种类。采用了零件预镗孔、组焊并时
效处理后整体加工孔、焊后对结构件进行探伤和去应
力以及整体喷砂的工艺方案。
5 _ 支架使用情况
该大采高支架在地质特征为顶板有淋头水、底板
有渗水、煤质松软、工作面断层、陷落柱出现较多、巷道
底板松软的条件下保证满足大采高工艺的使用要求。
支架能够实现对顶板主动有效的支撑管理，保证了沿
顶沿底的全煤厚开采，实现了矿井效益最大化。
Development of ６ ．２ m Large Mining Height Support with High Safety Performance
ZHAO Guang‐ming
（Shanxi Jincheng Anthracite Mining （Group） Kingding Mining and Machinery Co ．，Ltd ．，Jincheng ０４８００６ ，China）
Abstract ：This paper introduces the support condition and corollary equipment of ６ ．２ m large mining height hydraulic supports ， well as the design and manufacturing of the major structure and other structrues ．This work may provide a reference for the developmenats and promotion of large mining height supports ．
Key words ：hydraulic support ；large mining height ；high safety performance ；development
（上接第２１１ 页）
３ ．３ _ 定义物理矛盾
（１） 分析：在这个问题中，对于一轴的要求是轴的
强度要高，轴的表面既要硬又要软。
（２） 物理矛盾：轴既要硬又要软，这显然是违反物
理规律的。
（３） 详细的矛盾：考虑到轴本身也会产生磨损，所
以轴硬度要高，但这会导致旋转密封的磨损也加大，故
要求轴在整体面上是硬的，但在接触的局部可以是软的。
可以考虑利用系统分离产生解决方案：在整体上
保证轴本身及表面的硬度，同时在微观上可在轴表面
形成一个个微小的贮油坑，以便能形成稳定的油膜，减
小对旋转密封的磨损。
4 _ 最终解决方案
结合由物场模型、技术矛盾与物理矛盾的分析得
出的解决方案，得出最终解决方案如下：
在选择渗碳淬火工艺保证轴硬度的前提下不完全
磨掉渗碳层，并对其进行镀铬处理从而达到减缓一轴
磨损、延长寿命的作用，同时增加喷丸处理，在强化材料
的同时形成贮油的微洞，从而形成微型动压油膜结构，
在密封间隙中形成稳定的油膜，减小油封唇口的磨损。
为此我们对采煤机一轴的工艺加工路线改进为：
粗车— 探伤— 调质— 车工（齿顶车成） — 滚齿— 渗碳—
车工（装密封处碳层留合适） — 淬火— 车工— 磨工— 镀
铬（装密封处镀铬） — 磨工— 磨齿— 车工（切掉加长部
分） — 插齿— 检验— 喷丸— 钳工。
5 _ 总结
通过新工艺方案的实施，改善了驱动轴系统的密
封性能，同时通过数据分析发现，随着油封线速度的增
加，对轴表面的光洁度要求也提高，但并不是越高越
好，太光滑的表面存不住润滑油膜，将会使橡胶体与轴
直接产生干摩擦，反而会缩短油封使用寿命；增加喷丸
处理不仅可强化材料而且还可形成微型动压油膜结
构，对维持密封间隙中稳定的油膜、减小油封唇口的
磨损是有利的。
一般来讲，轴的表面粗糙度不要超过Ra０ ．２ μm ，
否则会使密封效果变差。为了安装油封时不损坏油封
唇口，应对轴进行合理的倒角，并且还要保证无毛刺和
划痕。轴的倒角一般为１５° ～ ３０° 。轴的尺寸精度对密
封性能影响不大，但一般不超过h１１（GB１３０１） 。国外
对于无压油封一般为h９ ～ h１１ ，但对于有压油封大都
采用h８ 。
6 _ 改进产生的经济效益
通过利用TRIZ 创新方法对此次采煤机驱动轴系
统进行了优化及工艺改进，有效提高了驱动轴系统的
密封性能，解决了系统的漏油问题，延长了系统的使用
寿命，提高了采煤机的整机质量，保障了采煤机连续生
产，并为后续生产加工提供了新的思路和方案。
Improvement of Seal Reliability of Coal Winning Machine Drive Shaft
LIU Chun‐jiang
（Technology Center of Taiyuan Heavy Mining Machinery Co ．，Ltd ．，Taiyuan ０３００３２ ，China）
Abstract ：To the problem of vibration and oil leakage caused by bad wear in working process of the first drive shaft system of coal winning machine ，we apply TRIZ innovative method to the innovation design of the coal winning machine ．Based on the field model ，
sthhraoftugshysttheme daenfidniptiroonceosfs pimhypsriocvaelmcoennttra，dwicetieofnfescttoivefilnydiminpnroovvaetitvheemseeatlhaobdilsity，soufcthheasdrthiveeosphtaifmtiszyatsitoenmof，acnodalswolivnenitnhge mpraocbhlienme odfrioviel leakage ，prolong the service life of the system ，improve the quality of the coal winning machine ．
Key words ：drive shaft ；seal ；coal winning machine
２０１７ 年第５期_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 机械工程与自动化_ · ２１３ ·

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