ZF6400_18_35放顶煤支架增加底调装置的研究.pdf

第 9 期 山 西 焦 煤 科 技 No.92023 年 9 月Shanxi Coking Coal Science&TechnologySep.2023试验研究收稿日期:2023-04-17作者简介:王翠芳(1986),女,山西乡宁人,2014 年毕业于太原理工大学,工程师,主要从事煤矿机械产品工艺编制与管理工作(E-mail)562147437 ZF6400/18/35 放顶煤支架增加底调装置的研究王翠芳(霍州煤电集团 鑫钜煤机装备制造有限责任公司,山西霍州031400)摘要为降低采煤成本,盘活资产,对闲置的 ZF6400/18/35 放顶煤支架进行改造,通过分析支架在大倾角工作面的受力情况,结合煤安标准以及支架结构,设计了两个底调千斤顶加底调梁的结构,经过样机试制验收和压架试验合格后,进行批量改制。关键词大倾角工作面;放顶煤支架;底调装置;强度校核中图分类号:TD355.4文献标识码:B文章编号:1672-0652(2023)09-0018-041概况晋北煤业三采区 5-302 综采放顶煤工作面平均煤层厚度 5.28 m,平均倾角 24,工作面沿走向布置,设计采高 2.7 m,放煤高度 2.58 m,采放比为 1 0.96,遇地质条件变化时,适当调整回采层位。采用倾斜长壁后退式综合机械化放顶煤采煤方法,全部垮落法管理顶板。为了节能减排,盘活闲置资产,在充分保证矿井安全的前提下,集团公司决定为该矿调拨 2010 年制造服役的 ZF6400/18/35 放顶煤支架。由于该支架原设计仅适用于近水平煤层,没有防倒防滑功能,而MT555-1996大倾角液压支架技术条件规定:工作面倾角大于 15必须采取防滑措施,为此,根据工作面的需求和煤安标准的要求,结合支架本身的特点,升级改造增加底调装置,以满足矿井的使用要求。2设计改造依据2.1支架工作阻力采用估算法确定支架工作阻力,综采放顶煤支架所需支护强度公式1为:q=k(1h1+2H)=k1(M-h)+2H(1)式中:q 为支护强度,kN/m2;k 为基本顶失稳时的动载系数,依据矿压监测取 1.5;1为顶煤的容重,kN/m3,取 14;h1为顶煤厚度,m;2为顶板岩石的容重,kN/m3,取 25;H 为对支架有直接影响的岩层厚度,一般为煤层厚的 1.2 2.3 倍,取 1.8M,m;M 为煤层厚度,m,取 5.28;h 为平均割煤厚度,m,取 2.58.计 算 可 得 该 放 顶 煤 支 架 的 支 护 强 度为 413.1 kN/m2.支架的工作阻力公式为:P=q(LK+LD+LJ)B(2)式中:P 为支架工作阻力,kN;q 为支架的支护强度,kN/m2;LK为端面距,m,取 0.34;LD为顶梁长度,m,取 4.4;LJ为采煤机截深,m,取 0.8;B 为支架宽度,m,取 1.5.计算可知支架的工作阻力为 3 432.86 kN,即可满足该工作面的要 求,现调拨 的 支 架 工 作 阻 力 为6400 kN,远大于 3 432.86 kN.所以 ZF6400/18/35 放顶煤支架的选型和工作阻力满足该工作面的使用要求。2.2大倾角放顶煤支架受力分析大倾角综放开采复杂矿压显现规律导致了工作面支架受力的复杂性。大倾角放顶煤支架在工作面的失稳及其趋势主要有整体向下倾倒、支架前部下滑、支架后部下滑、支架整体下滑、支架底部下滑导致支架向上倾斜、支架前端顶梁向下扭转、支架后部掩护梁向下扭转等 7 种情况2.这是因为:1)对于低位放顶煤支架,在大倾角综放工作面放煤过程中,煤流有向下的分力,会对支架掩护梁及尾梁施加侧向力,使支架产生摆动,从而带动支架扭斜。2)支架出现倒架,大多是支架上方冒空,顶板局部失去完整性,上部顶板有向下移动空间,当顶板垮落时,这个倒向力的显现使支架倾倒。当支架脱开顶板(降柱行走过程)时也会出现支架倾倒下滑现象。支架在工作面倾角受力情况见图 1.F1破碎煤矸下滑的作用力;F2破碎煤矸对支架的正压力;F尾梁上破碎煤矸施加给支架的垂直方向合力;煤层倾角图 1工作面液压支架受力情况图该支架所需的调架力3为:F3=F1-fF2=F cos-f sin(3)式中:为 煤 层 倾 角,(),取 24;f 为 摩 擦 系 数,取 0.2.在稳定状态下,F 等于支架自重力,支架自重为17 000 kg,自重力约为 170 kN,则 F 为 170 kN.计算可知,该支架所需的调架力为 38 kN.MT/T5561996液压支架设计规范 规定:调架千斤顶的规格缸径不能小于 10 mm、杆径不能小于70 mm,经计算 1 根千斤顶的推力为 247 kN,则 2 根千斤顶的推力为 494 kN,远大于该支架所需的调架力 38 kN,抗弯性能和强度满足要求。3改造方案1)首先将底座进行局部截割,观察底座结构,在合适位置割出两个导向套筒的定位孔,底座截割图见图 2.2)在活动侧护板一侧焊接加工新底调装置,即两根底调千斤顶和一根底调梁,见图 3.3)将新增加的底调千斤顶(100 mm/70 mm)和底调梁通过销轴与底座连接,见图 4.装配好的实物图见图 5.图 2底座截割图912023 年第 9 期王翠芳:ZF6400/18/35 放顶煤支架增加底调装置的研究图 3底调梁和底调千斤顶示意图4强度校核该次改造在底座一侧切割圆孔,圆孔内焊接底调油缸导向套筒,底座侧主筋结构发生变化,为验证底座结构强度,采用三维有限元分析软件对底座改造前、后受力状态进行分析。加载方式:4 个柱窝共加载 6000 kN 垂直向下的压力,每个柱窝 1500 kN.图 4底座装配图图 5装配好的实物图固定方式:在底座前、后部设置垫板,中部柱窝下方悬空。该模拟固定方式为底座承载极限状态,如果该状态下底座满足设计要求,则松软底板情况下,底座满足使用要求。加载、固定示意图见图 6.图 6加载、固定示意图改造前后的底座应力云图见图 7,8.由图 7,8 可知,底座最大应力为 380 MPa 左右,出现在底座垫板附近,改造后底座原有应力分布保持不变,在改造处新增应力呈现区域,最大应力为 400 MPa 左右,均在底座材质 Q550 可承受范围内,所以底座采用局部补强的方法进行加固是可行的。图 7原底座应力云图图 8改造后底座应力云图改造后的支架出厂检验按 GB 25974.12010煤矿用 液压支架第 1 部分:通用技术 条 件、Q/HM0022018 ZF6400/18/35 放 顶 煤 支 架 技 术 条件、矿用产品安全标志审核发放实施规则液压支架进行压架试验。各项要求均达到标准要求,可以运用到工作面。对顶梁两端加载,底座对角、侧边内、外对称加02山 西 焦 煤 科 技2023 年第 9 期载,顶 梁 对 角 加 载+底 座 四 点 加 载。加 载 压 力43.1 MPa,加载次数 1000 次。经试验,主体结构件没有焊缝和母材开裂;顶梁和底座相对残余变形量为0.09%,不大于 0.4%;顶梁中心线相对底座中心线偏移角度变化量为 0.04,不大于 3,其它部件没有损坏,没有影响使用的变形。对顶梁纵向、前后扭转加载+底座两端加载,顶梁左、右两侧偏心加载,底座前、后扭转加载。加载压力 43.1 MPa,加载次数 1000 次。顶梁可活动侧护板全部伸出,顶梁两侧各加长度为 18002000 mm 的垫块,立柱的试验压力为支架额定工作压力的 1.2 倍,主要受力部件没有损坏和焊缝开裂,残余变形不影响活动侧护板自由伸出。对柱窝进行加载试验。加载压力 43.1 MPa,加载次数 1000 次。支架进行水平加载,支点置于正确合适位置,立柱试验压力为额定工作压力的 1.2 倍,试验后支架没有损坏和残余变形。对推移机构偏载(推、拉),推移机构垂直进行加载试验。加载压力 43.1 MPa,加载次数 1000 次。支架在试验台内撑紧,推杆退出,使抬底千斤顶处于推杆中部,对抬底千斤顶加载,试验压力为抬底力的1.5 倍,试验后其机构没有损坏和残余变形。对立柱、立柱连接件进行加载试验。加载压力43.1 MPa,加载次数 1000 次。支架在试验台内撑紧,以 1.2 倍额定供液压力收缩单根立柱后,各连接销轴没有残余变形;以 1.5 倍额定供液压力收缩立柱后,立柱底销没有断裂,其余连接 件 没 有 影 响 拆 装 的变形。5现场使用效果改造后的支架于 2023 年 3 月在晋北煤业投入使用,截至 2023 年 7 月该支架使用良好。底调梁+双底调千斤顶底调装置的调整范围大,作用力大,不需要多次操作,即可把支架的姿态调整好,省时省力,很大程度减少了支架的倾倒,便于支架管理,提高了劳动效率。改造后的底座采用了局部补强的加固方法,通过有限元受力分析和实践的检验,完全满足工作面的使用要求。6结语通过分析矿井的具体地质资料并实地考察,分析了支架在大倾角工作面的受力,结合煤安标准要求和支架本身结构,在原底座上合适的位置增加了两个平行安装的底调千斤顶的导向筒,并借助先进的有限元软件对改造后的底座进行强度校核。底调梁+双底调千斤顶的底调装置适应性好,使用时调架梁接触面大,两个底调千斤顶共同作用调架力大,经过样机试制验收和压架试验合格后,进行批量改制。该支架的改造升级是对煤机设备的再制造,节约了资源,降低了煤机设备的投入,该工作面使用 107 架支架,可创造利润 12.84 万元。参考文献1王国法.放顶煤液压支架与综采放顶煤技术M.北京:煤炭工业出版社,2010.2吕红伟.大倾角综放液压支架稳定性动态分析和防倒防滑措施探究J.机械管理开发,2022,37(11):346-347,350.3丁绍南.液压支架设计M.北京:世界图书出版社,1995.(上接第 8 页)10Bo Hao,Minqiang Fan,Haipeng Li,Adsorption process and mechanisms of AEO-3/dodecane mixed collector on low-rank coal surface driven by wa-ter flow:A non-equilibrium molecular dynamics simulation studyJ.Journal of Molecular Liquids,2022,364.11Bao Li,Jianying Guo,Shengyu Liu,et al,Molecular insight into the mechanism of benzene ring in nonionic surfactants on low-rank coal floatabilityJ.Journal of Molecular Liquids,2020,302(C)112563.122023 年第 9 期王翠芳:ZF6400/18/35 放顶煤支架增加底调装置的研究