原長鎖

(國家能源集團神東煤炭集團有限責(zé)任公司 技術(shù)研究院，陜西 榆林 719315)

神東礦區(qū)主采煤層厚度一般為4～6m，最大厚度8～9m，全礦區(qū)采用大采高綜采工藝進行開采[1-5]。但神東煤炭集團現(xiàn)用中厚煤層大工作阻力液壓支架普遍存在超重現(xiàn)象，給設(shè)備運輸、搬家和使用帶來諸多不便。據(jù)統(tǒng)計，神東集團在設(shè)備吊裝、運輸、維修中投入較多，每年因支架超重浪費資金約為800萬元，在建設(shè)“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會的形勢下，在國家節(jié)能減排的要求下，神華煤炭集團率先開展輕型高可靠性支架的研制工作，有利于建設(shè)大型高產(chǎn)高效礦井、節(jié)約資源，有利于應(yīng)對我國煤炭行業(yè)經(jīng)濟整體面臨較大下行壓力的難題，為企業(yè)創(chuàng)造更高的經(jīng)濟效益和社會效益[6-15]。

以ZY12000/20/40D液壓支架為研究對象，將該支架的36.5t減為33.5t，即減重3t(含焊縫重量)。分為四個方面：①材料，大批量使用100kg級以上材料，減小板材厚度，實現(xiàn)減輕重量的目的；②結(jié)構(gòu)，總結(jié)原先的成功經(jīng)驗，優(yōu)化設(shè)計減小結(jié)構(gòu)件局部應(yīng)力集中；③虛擬樣機仿真分析，對樣機進行模擬壓架計算，計算支架的應(yīng)力及變形量；④樣機壓架試驗，根據(jù)國內(nèi)試驗設(shè)備的實際情況，依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)，制定試驗大綱，試驗次數(shù)4萬次。

1 ZY12000/20/40D液壓支架優(yōu)化方案

根據(jù)對原使用的ZY12000/20/40D液壓支架各主要部件的板厚分析，經(jīng)安全系數(shù)計算后，確定各部件的具體減重值和整架的板材比例，見表1。從表1可以看出，雖然支架各主要部件的重量減少，但是由于板材屈服強度的提高，各主要部件的安全系數(shù)不降反升，但是，由于板材厚度的降低，支架的整體剛性會有所減弱，為此，對支架的虛擬樣機進行應(yīng)力及變形量的計算也顯的尤為重要。

表1 ZY12000/20/40D液壓支架重量優(yōu)化后安全系數(shù)和板材比例對比表

2 液壓支架有限元分析對比

依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1：2000)對神東ZY12000/20/40D重量優(yōu)化后的支架進行計算分析，計算工況分支架正常采高(3400mm)和最低采高(2300mm)兩種支架姿態(tài)(以正常采高為主)，試驗類型選擇支架試驗最惡劣的三種工況：扭轉(zhuǎn)、彎曲、偏載，加載載荷為額定工作阻力的1.2倍即14400kN進行計算分析，液壓支架重量優(yōu)化前后位移量、應(yīng)力變化幅度見表2—表3。

從有限元計算結(jié)果可知，ZY12000/20/40D支架減重后剛度有所下降，同時支架扭轉(zhuǎn)工況時應(yīng)力變化明顯，所以支架在滿足強度安全系數(shù)的前提下，需進一步考慮支架的剛度滿足使用要求，同時應(yīng)進行嚴(yán)格的壓架試驗進行驗證。

表2 ZY12000/20/40D液壓支架重量優(yōu)化前后位移量變化幅度

表3 ZY12000/20/40D液壓支架重量優(yōu)化前后應(yīng)力變化幅度

3 減重支架鋼板焊接工藝特點

由于100kg級以上鋼板大部分的使用狀態(tài)是以焊接的方式連接，所面臨解決的問題：①防止冷熱裂紋的產(chǎn)生；②在保證滿足高強度要求的同時，提高焊縫金屬及焊接熱影響區(qū)的沖擊韌性。一般情況下冷裂紋是由鋼種的淬硬傾向，焊接接頭含氫量及其分布、焊接接頭拘束應(yīng)力三者共同作用的結(jié)果，而沖擊韌性受熱輸入條件和焊絲的種類影響較大。

通過試驗研究與工藝研制，該批支架仍采用具有能耗低、效率高、焊后變形小、抗氫致裂、成本低、便于實現(xiàn)自動化的CO2氣體保護焊。采取的工藝保障措施主要有：

1)鋼板在淬火前要經(jīng)過噴丸處理和無氧化氣氛控制等措施，使鋼板具有良好的表面質(zhì)量，控制預(yù)熱溫度為100～150℃，以抑制焊接淬硬傾向的產(chǎn)生；

2)在相同熱輸入下，對多種焊絲試驗發(fā)現(xiàn)，不同焊絲造成焊縫焊后沖擊韌性不同，體現(xiàn)了不同焊接材料的工藝適應(yīng)性，在選擇焊絲時，使用ER76-G焊絲焊接，以在合理的焊接規(guī)范下能得到綜合性能良好、組織穩(wěn)定的焊接接頭。

3)由于焊接接頭的組織都為馬氏體和貝氏體的混合組織，焊接線能量較大或道間溫度較高時的組織較為粗大，造成接頭強度降低、韌性減小，所以在焊接過程中應(yīng)重點控制焊接線能量、層間和道間溫度。

4)支架結(jié)構(gòu)件焊后在200～350℃下保溫3～4h，且隨爐冷卻，以增加塑性、韌性，并減小淬硬傾向。

4 試驗研究

ZY12000/20/40D減重支架依據(jù)歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)進行了壓架試驗，根據(jù)測試要求完成40000次加載試驗后，結(jié)構(gòu)件共出現(xiàn)兩處開裂現(xiàn)象，如圖1所示，依據(jù)試驗要求，第一次壓架試驗檢測結(jié)果為不合格。

圖1 ZY12000/20/40D減重支架第一次壓架開裂情況

針對出現(xiàn)的開裂現(xiàn)象，結(jié)合有限元分析及其它方面原因進行了結(jié)構(gòu)件開焊原因分析，見表4。

表4 ZY12000/20/40D液壓支架結(jié)構(gòu)件開焊原因分析

根據(jù)以上原因，對開焊的兩處改進措施如下：

1)掩護梁尾部改為端板結(jié)構(gòu)，將內(nèi)主筋的尾部受力方向由板材Z向改為軸向，同時減少拐角焊縫，如圖2所示；

圖2 ZY12000/20/40D減重支架掩護梁后端改進措施

2)底座前過橋處焊縫坡口加大至25mm，同時改進坡口型式，將單邊坡口改為雙邊V型坡口。

根據(jù)以上改進措施，重新投制了新的掩護梁，底座按要求整改坡口大小及型式，并按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)(PrEN1804-1∶2000)進行了第二次壓架試驗，完成40000次加載試驗后，結(jié)構(gòu)件的鋼材沒有裂紋，也未發(fā)現(xiàn)影響到支架性能的焊縫裂紋和永久變形，依據(jù)試驗要求，第二次壓架試驗檢測結(jié)果為合格。

5 結(jié) 語

37臺ZY12000/20/40D減重支架于2014年4月開始分別在神東寸草塔二礦、布爾臺礦、榆家梁礦使用，工作面布置208臺支架，減重支架布置在第168—204架，累計推進1200m，過煤量512萬t。支架在使用期間整體運行良好，未發(fā)生開裂、開焊現(xiàn)象，達到了設(shè)計承載要求。本研究對于100kg高強板在支架上的應(yīng)用積累了寶貴數(shù)據(jù)，對于神東繼續(xù)領(lǐng)跑世界煤炭綜采技術(shù)、建設(shè)“兩型”社會具有重要經(jīng)濟效益和社會效益。