□ 田盛時(shí) □ 馮青林 □ 王維威

鐵法能源(集團(tuán))有限責(zé)任公司曉南礦 遼寧調(diào)兵山 112700

1 研制背景

鐵法能源(集團(tuán))有限責(zé)任公司曉南礦位于鐵法煤田東南邊緣,礦井采用立井多水平上下山開拓方式,采煤工作面與掘進(jìn)工作面均采用機(jī)械化生產(chǎn)。近年來(lái),回采工作面以1.5 m以下煤層回采為主,由于工作面儲(chǔ)量少,推進(jìn)速度快,因此只有增大掘進(jìn)進(jìn)尺才能滿足需求。綜合自動(dòng)化掘進(jìn)作業(yè)的工藝循環(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。七個(gè)掘進(jìn)工作面均采用這一工藝,使用EBZ200型半煤巖綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)等設(shè)備同時(shí)作業(yè),滿足生產(chǎn)需要。

在施工中,發(fā)現(xiàn)臨時(shí)支護(hù)和永久支護(hù)作業(yè)存在作業(yè)人員參與度高、勞動(dòng)強(qiáng)度大、效率低下等問(wèn)題,主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。原臨時(shí)支護(hù)形式如圖1所示,全過(guò)程均為人工操作,步驟較多。首先安設(shè)兩套挑頂架和挑頂環(huán),然后通過(guò)挑頂桿用人力將金屬錨網(wǎng)和鋼筋梁挑起,與頂板接觸,實(shí)現(xiàn)超前頂板臨時(shí)支護(hù),最后用錨桿機(jī)打住頂、幫錨桿,安裝錨桿托盤,完成對(duì)頂板的支護(hù)。在永久支護(hù)中,需要對(duì)錨索進(jìn)行緊固。錨索的緊固壓力為36.5 MPa,而綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)壓力一般不超過(guò)20 MPa,因此不得不采用人工手壓泵預(yù)緊的方式,打壓5～6 min后才能使緊固壓力增大到36.5 MPa,費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

▲圖1 原臨時(shí)支護(hù)形式

鑒于上述原因,為提高掘進(jìn)施工效率,降低作業(yè)人員作業(yè)強(qiáng)度,確保安全生產(chǎn),筆者結(jié)合綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)工作面的實(shí)際情況,研制出綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)臨時(shí)支護(hù)裝置和錨索預(yù)緊增壓裝置。

2 原臨時(shí)支護(hù)流程

綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)截割出2 m高的空頂區(qū)后,倒退至待機(jī)區(qū)。多名掘進(jìn)作業(yè)人員協(xié)同作業(yè),先接設(shè)錨網(wǎng),再安裝挑頂環(huán),用于將挑頂桿懸掛在頂板上,并安裝挑頂架,用于固定挑頂桿的后端,最后縱向安裝約3.5 m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,安裝錨桿托盤,完成對(duì)頂板的臨時(shí)支護(hù)。

這一流程主要有三點(diǎn)不足:① 對(duì)頂板缺少初撐力,安全可靠性差;② 流程十分煩瑣,需前后工序操作人員配合嫻熟,而且易出現(xiàn)人身磕碰情況;③ 挑頂桿與頂板為點(diǎn)接觸,挑頂縱深范圍僅為2 m,不能完全貼合頂板,需用更快速、可靠的裝置來(lái)減少作業(yè)人員數(shù)量,降低作業(yè)人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 臨時(shí)支護(hù)裝置

筆者研制的臨時(shí)支護(hù)裝置結(jié)構(gòu)如圖2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、旋轉(zhuǎn)外臂,油缸由前至后分別為伸縮缸、調(diào)角缸、內(nèi)置缸、旋轉(zhuǎn)缸,提供伸展、折疊的動(dòng)力。各鉸接處的銷軸共有16根,使架體、油缸、綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)有機(jī)連接成為整體。臨時(shí)支護(hù)裝置液壓系統(tǒng)原理如圖3所示,液壓系統(tǒng)由五聯(lián)閥組、分流集流閥、雙向鎖、板式平衡閥等組成。從綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)聯(lián)閥組件取壓力油源,通過(guò)五聯(lián)閥組控制各缸體。兩個(gè)內(nèi)置缸分別由1號(hào)閥、2號(hào)閥控制,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂的不同步升降,以適應(yīng)頂板不平的情況。旋轉(zhuǎn)缸由4號(hào)閥控制,實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂的轉(zhuǎn)動(dòng)。調(diào)角缸由3號(hào)閥控制,實(shí)現(xiàn)接頂外梁的水平接頂。單伸縮缸由5號(hào)閥控制,實(shí)現(xiàn)接頂內(nèi)梁的向前伸出。

在設(shè)計(jì)臨時(shí)支護(hù)裝置時(shí),著重分析考慮六個(gè)方面的內(nèi)容。

(1) 功能性。原工藝中,挑頂桿臨時(shí)支護(hù)的有效支護(hù)距離僅為2 m,而臨時(shí)支護(hù)裝置設(shè)計(jì)時(shí),有效支護(hù)距離要達(dá)到3 m以上。綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)截割部上部空間能夠提供約2.4 m的高度,以此確定臨時(shí)支護(hù)裝置的接頂部位采用兩級(jí)抽屜式抽拉模式,接頂外梁長(zhǎng)約為1.9 m,接頂內(nèi)梁長(zhǎng)約為1.5 m,接頂面積約為3×1.5 m2。

▲圖2 臨時(shí)支護(hù)裝置結(jié)構(gòu)

接頂內(nèi)梁在伸出過(guò)程中,將豎直向下的錨網(wǎng)逐漸推向水平。為了防止棱角刮傷、損壞錨網(wǎng),接頂內(nèi)梁前部采用公稱直徑為63.5 mm的管整體彎曲成型,兩端的切角配合圓角,可與錨網(wǎng)平順接觸,不會(huì)刮傷錨網(wǎng)。接頂內(nèi)梁的梯形斜邊上,有三角形凸起,形成矩形槽。可利用槽固定鋼筋梯和接頂木方,防止縱向滑動(dòng)。

(2) 強(qiáng)度及質(zhì)量。架體采用Q345鋼制作,材料性能適宜切削加工和焊接。較高的機(jī)械強(qiáng)度確保頂板在有異常情況時(shí),架體能夠提供較大的支撐力。臨時(shí)支護(hù)裝置以綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的截割部為載體進(jìn)行安裝,綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)行走及作業(yè)時(shí),臨時(shí)支護(hù)裝置的主體折疊后伏在截割部上,因此要求整體質(zhì)量盡可能輕,避免因過(guò)重導(dǎo)致回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、回轉(zhuǎn)支承、緊固螺栓、銷軸襯套等零部件使用壽命縮短。臨時(shí)支護(hù)裝置的全部質(zhì)量不能重于0.7 t,大部分架體結(jié)構(gòu)采用70 mm×70 mm×5 mm方焊管、8 mm厚鋼板焊接成型。

(3) 操作視線。在綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)作業(yè)時(shí),臨時(shí)支護(hù)裝置處于收縮折疊狀態(tài)。為了不影響綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)操作人員的操作視線,使操作人員能夠盡量直觀地觀察截割頭截割情況,臨時(shí)支護(hù)裝置的高度應(yīng)盡可能降低,避免操作人員因無(wú)法觀察到截割頭截割頂幫煤巖情況而造成頂幫超挖和刮碰頂幫錨桿、錨網(wǎng)。兩側(cè)的調(diào)角缸布置在旋轉(zhuǎn)臂正上方靠?jī)?nèi),折疊后可讓出旋轉(zhuǎn)臂的空間,進(jìn)一步下降高度。接頂外梁兩側(cè)面方焊管布置在調(diào)角缸正上方靠?jī)?nèi)側(cè),折疊后可讓出調(diào)角缸的空間,有效降低收縮折疊后的整體高度。

▲圖3 臨時(shí)支護(hù)裝置液壓系統(tǒng)原理

接頂外梁中間的兩根連接橫梁在使用中不是主要承重部位,僅起連接兩側(cè)縱梁的作用。采用60 mm×30 mm×3 mm方焊管靠下布置,以減少對(duì)綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)操作人員視線的遮擋[5]。

(4) 防交叉干涉。臨時(shí)支護(hù)裝置在接頂?shù)倪^(guò)程中,已打注錨桿及錨索的突出部分會(huì)對(duì)接頂外梁的移動(dòng)、上升產(chǎn)生影響,為了避免刮碰,接頂外梁的俯視投影面積要盡可能小。因此,只在梁的中間設(shè)置一個(gè)伸縮缸,最后一道梁也盡可能靠前布置。

(5) 安全保護(hù)。臨時(shí)支護(hù)裝置伸展后,操作人員要在其下方作業(yè)。為避免液壓系統(tǒng)突然失效,造成油缸收縮,架體下落傷及人員,液壓系統(tǒng)設(shè)置了三組雙向鎖和兩組平衡閥。雙向鎖和平衡閥布置時(shí)盡可能靠近油缸,從而對(duì)人員提供保護(hù)。雙向鎖、平衡閥布置越遠(yuǎn)離油缸,液壓系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)引起事故的概率越大。對(duì)液壓元件同樣需要保護(hù)。掘進(jìn)工作面存在掉落碎巖塊的風(fēng)險(xiǎn),油缸桿、雙向鎖、平衡閥、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,以防碎巖塊砸中。

(6) 防振。在綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)截割時(shí),臨時(shí)支護(hù)裝置會(huì)隨著截割部劇烈振動(dòng)。為防止銷軸滑出、丟失,裝置各處銷軸均設(shè)計(jì)有卡板,個(gè)別處于振動(dòng)強(qiáng)烈位置的銷軸,在另一端加工出螺紋,擰緊帶孔的螺母,孔內(nèi)穿入開口銷,防止滑出。為防止接頂外梁振動(dòng)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與左右旋轉(zhuǎn)外臂固定,進(jìn)而形成一個(gè)整體。

4 計(jì)算校核

在臨時(shí)支護(hù)裝置鉸接點(diǎn)穩(wěn)固不破壞的前提下,接頂內(nèi)梁完全伸出,對(duì)接頂內(nèi)梁受力15 kN和7.5 kN兩種情況進(jìn)行分析。

接頂內(nèi)梁受力15 kN時(shí),接頂內(nèi)梁與接頂外梁模型分析結(jié)果如圖4所示。最大變形出現(xiàn)在接頂內(nèi)梁最前端,為39.21 mm。最大應(yīng)力位于接頂內(nèi)梁根部與外梁的接觸位置,為383.6 MPa。Q345鋼的屈服強(qiáng)度為345 MPa,抗拉強(qiáng)度為490 MPa～675 MPa,抗剪強(qiáng)度為70%～80%抗拉強(qiáng)度。可見(jiàn),在頂板掉落巖石重力達(dá)到15 kN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。所受應(yīng)力超過(guò)屈服強(qiáng)度,安全因數(shù)偏低,約為0.96。

▲圖4 接頂內(nèi)梁受力15 kN時(shí)模型分析結(jié)果

通過(guò)分析確認(rèn),臨時(shí)支護(hù)裝置無(wú)法獨(dú)自承載15 kN掉落巖塊的能力, 在接頂外梁兩側(cè)70 mm×70 mm×5 mm方焊管的最前端,增焊80 mm×80 mm×8 mm方焊管,對(duì)薄弱點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。

接頂內(nèi)梁受力7.5 kN時(shí),接頂內(nèi)梁及接頂外梁模型分析結(jié)果如圖5所示。最大變形出現(xiàn)在接頂內(nèi)梁最前端,為26.14 mm。最大應(yīng)力位于接頂內(nèi)梁根部與外梁接觸位置,為191.8 MPa,安全因數(shù)為1.8。

臨時(shí)支護(hù)裝置在車間制作組裝后,實(shí)際進(jìn)行了加載試驗(yàn),在最前端加載8 kN重物,承載10 min變形量約為29 mm。

通過(guò)分析確認(rèn),臨時(shí)支護(hù)裝置可獨(dú)自承載7.5 kN掉落巖塊的能力,配合DW 31.5-30/100B型單體液壓支柱,安全因數(shù)大幅提升,可承載巖塊的重力也大幅增加。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)。

對(duì)旋轉(zhuǎn)缸進(jìn)行校核,受外力F為15 000 N,外力加載在伸縮內(nèi)梁的中心點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)缸推外臂時(shí)的支點(diǎn),即旋轉(zhuǎn)外臂與綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的鉸接點(diǎn)和伸縮內(nèi)梁中心點(diǎn)距離L為5 234 mm。旋轉(zhuǎn)缸的力臂l是個(gè)浮動(dòng)值,隨著運(yùn)動(dòng)而改變,浮動(dòng)范圍為424～520 mm,選取最小值424 mm參與計(jì)算。

▲圖5 接頂內(nèi)梁受力7.5 kN時(shí)模型分析結(jié)果

旋轉(zhuǎn)缸所受拉力T為:

T=FL/l=185 165.1 N

伸縮內(nèi)梁質(zhì)量m為185 kg,伸縮外梁質(zhì)量m′為320 kg,重力G為:

G=(m+m′)g=4 150 N

伸縮外梁質(zhì)心距離鉸接點(diǎn)L′為3 900 mm,自重對(duì)旋轉(zhuǎn)缸的拉力T′為:

T′=GL/l=46 450.5 N

等效總力Tt為:

Tt=T+T′=231 615.6 N

旋轉(zhuǎn)缸額定工作壓強(qiáng)P為16 MPa,旋轉(zhuǎn)外臂縮回時(shí),旋轉(zhuǎn)缸活塞受力面積S為5 030 mm,額定拉力F′為:

F′=PS=80 480 N

F′小于Tt,校核結(jié)論為不安全。

受外力F為7 500 N,外力加載在伸縮內(nèi)梁的中心點(diǎn),再對(duì)旋轉(zhuǎn)缸進(jìn)行校核。旋轉(zhuǎn)缸推外臂時(shí)的支點(diǎn),即旋轉(zhuǎn)外臂與綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的鉸接點(diǎn)和伸縮內(nèi)梁中心點(diǎn)距離L為5 234 mm。旋轉(zhuǎn)缸的力臂l是個(gè)浮動(dòng)值,隨著運(yùn)動(dòng)而改變,浮動(dòng)范圍為424～520 mm,選取最小值424 mm參與計(jì)算。

旋轉(zhuǎn)缸所受拉力T為92 582.5 N,其余參數(shù)不變,等效總力Tt為139 033 N。

旋轉(zhuǎn)缸調(diào)整至125 mm缸徑,額定工作壓強(qiáng)P為16 MPa不變,旋轉(zhuǎn)外臂縮回時(shí)旋轉(zhuǎn)缸活塞受力面積S為7 245.3 mm2,額定拉力F′為115 924.8 N。

F′小于Tt,校核結(jié)論為不安全。

旋轉(zhuǎn)缸倒裝,旋轉(zhuǎn)缸額定工作壓強(qiáng)P為16 MPa,旋轉(zhuǎn)外臂縮回時(shí)旋轉(zhuǎn)缸活塞受力面積S為12 271.8 mm2,額定拉力F′為196 348.8 N。

此時(shí)F′大于Tt,校核結(jié)論為旋轉(zhuǎn)缸倒裝滿足使用要求。

5 安裝與試運(yùn)轉(zhuǎn)

臨時(shí)支護(hù)裝置在車間試驗(yàn)合格后,拆解、入井組裝,并進(jìn)行試運(yùn)轉(zhuǎn)。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)量增加。接頂內(nèi)梁插接進(jìn)接頂外梁,并與伸縮缸連接為一組。用內(nèi)置缸將旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂和旋轉(zhuǎn)外臂連接為左右兩組。其它油缸、銷軸、液壓元件等采取保護(hù)、固定措施后,運(yùn)往工作面綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)旁。

將綜合自動(dòng)化掘進(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,安裝臨時(shí)支護(hù)裝置的特制懸臂銷軸,旋轉(zhuǎn)缸倒裝,缸桿朝向銷軸并固定在銷軸上。將截割減速機(jī)與截割升降缸的連接銷拆除,安裝臨時(shí)支護(hù)裝置的特制懸臂銷軸,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,并穿入銷軸。將接頂內(nèi)梁、伸縮缸、接頂外梁整體起重吊裝,將接頂外梁末端的兩個(gè)鉸接孔分別對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)旋轉(zhuǎn)內(nèi)臂上的鉸接孔,并穿入銷軸。吊起接頂內(nèi)梁最前端,使接頂外梁前端仰起,設(shè)置兩側(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,將三個(gè)雙向鎖、四個(gè)分流集流閥、兩個(gè)平衡閥分別固定在預(yù)留位置,用KJR10-32膠管、接頭、三通等將平衡閥、雙向鎖、油缸連接起來(lái),液壓系統(tǒng)接管圖如圖6所示。對(duì)臨時(shí)支護(hù)裝置進(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。

▲圖6 臨時(shí)支護(hù)裝置液壓系統(tǒng)接管圖

6 錨索預(yù)緊增壓裝置

掘進(jìn)巷道采用錨桿、鋼筋梯、錨網(wǎng)、錨索聯(lián)合使用的支護(hù)工藝,在5.6 m×3 m的斷面內(nèi)打兩根錨索,縱向間隔0.9 m,再打兩根錨索,依次類推。錨索以預(yù)應(yīng)力鋼絞線為原料,成段切割后,根據(jù)頂板的情況,直徑選擇21.8 mm或28.6 mm。在打進(jìn)錨索后,末端露出頂板100～200 mm。為增強(qiáng)支護(hù)效果,采用YCD29-360型或YCD22-290型預(yù)應(yīng)力張拉千斤頂向下拉拔, 向已打錨索施加預(yù)應(yīng)力。直徑21.8 mm錨索規(guī)定張拉壓力為36.5 MPa,直徑28.6 mm錨索規(guī)定張拉壓力為27.5 MPa。綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)壓力為18 MPa左右,一般不超過(guò)20 MPa,不能滿足張拉千斤頂?shù)脑O(shè)計(jì)要求。掘進(jìn)人員只能采用手壓泵提供高壓油,操作手壓泵5～6 min,才能將壓力升至36.5 MPa,費(fèi)時(shí)又費(fèi)力。

錨索預(yù)緊增壓裝置液壓系統(tǒng)原理如圖7所示,綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)聯(lián)閥組件出口油壓為16 MPa～18 MPa,經(jīng)減壓閥螺旋微調(diào)至14.6 MPa。液壓油流經(jīng)增壓器,根據(jù)內(nèi)部活塞面積的不同,產(chǎn)生2.5倍增壓,為36.5 MPa,形成局部高壓,可使直徑21.8 mm錨索達(dá)到預(yù)緊。安全閥的整定壓力調(diào)整至36.5 MPa,為整個(gè)高壓部分提供保護(hù)。扳動(dòng)操作閥,使高壓油進(jìn)入千斤頂,千斤頂張拉錨索,將其緊固。緊固完成后,扳動(dòng)操作閥,千斤頂縮回,沿回油管道卸掉壓力。當(dāng)張拉直徑28.6 mm錨索時(shí),規(guī)定壓力為27.5 MPa。此時(shí),螺旋微調(diào)減壓閥至11 MPa,經(jīng)過(guò)2.5倍增壓達(dá)到27.5 MPa,可使直徑28.6 mm錨索達(dá)到預(yù)緊。

巷道內(nèi)待預(yù)緊的錨索距離綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)閥組2～10 m不等,為方便人員作業(yè),除千斤頂外,不必舉起過(guò)重的設(shè)備。錨索預(yù)緊增壓裝置將截割急停按鈕、減壓閥、增壓器、壓力表、安全閥集成布置在一塊500 mm×250 mm鋼板上,液壓元件布置如圖8所示。錨索預(yù)緊增壓裝置固定在綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)左側(cè)操作臺(tái)前的位置,將原截割急停架拆除,自制加工架體及迎面防護(hù)。從綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)左側(cè)操作臺(tái)內(nèi)取壓力油源,通過(guò)錨索預(yù)緊增壓裝置,提供千斤頂所需的壓力。

7 液壓元件選擇

7.1 增壓器

從增壓倍數(shù)、流量、固定形式等方面考慮,決定采用BST-TY2.5G型增壓器。增壓倍數(shù)有1.8、2.5、3.4、4、5等多種可供選擇。綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)上為錨桿機(jī)提供的兩個(gè)備用接口,其壓力可以在16 MPa～20 MPa之間進(jìn)行調(diào)節(jié),若選用1.8倍增壓,則必須將綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的壓力調(diào)整到20.28 MPa,這樣才能滿足直徑21.8 mm錨索所需的壓力值。此時(shí),綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的液壓系統(tǒng)和增壓器都屬于滿負(fù)荷作業(yè),對(duì)液壓元件的可靠工作不利,所以選用2.5倍增壓系統(tǒng),將綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的壓力通過(guò)外接減壓閥降至14.6 MPa,再增壓至36.5 MPa。法蘭形式有助于用螺栓將增壓器固定在鋼板預(yù)留孔上,便于集成。

▲圖7 錨索預(yù)緊增壓裝置液壓系統(tǒng)原理

▲圖8 錨索預(yù)緊增壓裝置液壓元件布置

7.2 減壓閥

從連接形式、最高工作壓力、調(diào)節(jié)范圍、流量等因素考慮,決定采用RCT-03-H-22型單向減壓閥。這一減壓閥為螺紋連接,方便固定在鋼板上,最高工作壓力為21 MPa,大于系統(tǒng)初始?jí)毫?流量為50 L/min,大于系統(tǒng)閥組的流量(47 L/min),壓力調(diào)節(jié)范圍為7 MPa～21 MPa,滿足增壓系統(tǒng)對(duì)增壓器前一級(jí)壓力的調(diào)節(jié)需要。

7.3 壓力表

通過(guò)對(duì)壓力表準(zhǔn)確度等級(jí)、靈敏度、穩(wěn)定度、量程等指標(biāo)進(jìn)行分析,決定采用P1453-60(M14×1.5)型耐振壓力表,量程為60 MPa,直徑為60 mm,精度等級(jí)為1.6,采用軸向安裝形式,以便壓力表嵌入基礎(chǔ)板內(nèi),方便固定和接管。

7.4 安全閥

為了對(duì)高壓區(qū)域提供保護(hù),以防減壓器誤調(diào)節(jié)或液壓元件失靈時(shí)因壓力過(guò)載而發(fā)生事故,壓力表2的前一級(jí)增設(shè)DAF120型開放式安全閥。安全閥最大工作壓力為42 MPa,用內(nèi)六角扳手調(diào)整其整定壓力至36.5 MPa,超過(guò)這一壓力值自動(dòng)卸載。

7.5 高壓膠管

從千斤頂、增壓器、減壓閥等液壓元件的接頭形式,系統(tǒng)承受壓力,操作便捷性方面等綜合分析,膠管按最高壓力來(lái)進(jìn)行選配。錨索預(yù)緊增壓裝置液壓系統(tǒng)接管圖如圖9所示。系統(tǒng)采用2-8-40H1101(M16×1.5)型高壓膠管連接,兩層鋼絲繩編織,通徑8 mm,公制螺紋接頭連接,工作壓力為40 MPa,爆破壓力為100 MPa,對(duì)于36.5 MPa的系統(tǒng)壓力而言,安全因數(shù)滿足要求。

▲圖9 錨索預(yù)緊增壓裝置液壓系統(tǒng)接管圖

8 增壓關(guān)鍵技術(shù)

作為錨索預(yù)緊增壓裝置液壓系統(tǒng)的核心元件,增壓器的本質(zhì)是一個(gè)高頻動(dòng)作的自動(dòng)化增壓缸。錨索預(yù)緊增壓裝置各階段動(dòng)作如圖10所示,缸內(nèi)低壓活塞的面積大于高壓活塞的面積,低壓壓力推動(dòng)低壓活塞向上活動(dòng),并壓縮高壓活塞端的液柱,產(chǎn)生高壓。高壓壓力與低壓壓力的比值等于低壓活塞面積與高壓活塞面積的比值,即增壓比。具體動(dòng)作分為五個(gè)階段。

(1) 低壓充液階段。液壓油從P口進(jìn)入增壓器,大部分通過(guò)液控單向閥直接到達(dá)千斤頂?shù)臒o(wú)桿腔,其余通過(guò)進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y、出液?jiǎn)蜗蜷y到達(dá)千斤頂?shù)臒o(wú)桿腔,實(shí)現(xiàn)快速供油。

(2) 增壓階段。液控單向閥因壓力平衡自動(dòng)關(guān)閉,液壓油通過(guò)進(jìn)液?jiǎn)蜗蜷y到達(dá)高壓活塞頂端,推動(dòng)低壓活塞一起下移到底部。高壓活塞到達(dá)底部后,高壓油與增壓器內(nèi)控?fù)Q向閥上部接通,推動(dòng)內(nèi)控?fù)Q向閥向下運(yùn)動(dòng)。換向后,液壓油通過(guò)增壓器內(nèi)控?fù)Q向閥到達(dá)低壓活塞底部,推動(dòng)高壓活塞向上運(yùn)動(dòng),低壓轉(zhuǎn)換為高壓,輸出高壓油,通過(guò)出液?jiǎn)蜗蜷y到達(dá)千斤頂活塞的無(wú)桿腔。

▲圖10 錨索預(yù)緊增壓裝置各階段動(dòng)作

(3) 換向階段。高壓活塞到達(dá)頂部后,內(nèi)控?fù)Q向閥頂部與增壓器T口連接,壓力降為零,換向閥受下部壓力驅(qū)動(dòng)上行。

(4) 增壓缸回位階段。內(nèi)控?fù)Q向閥上升至頂部,增壓缸底部與回油路連通,壓力降為零,進(jìn)液口進(jìn)液至高壓活塞處,高壓活塞下行。

(5) 增壓器回向階段。內(nèi)控?fù)Q向閥頂部與底部壓強(qiáng)相等,但換向閥上部面積大于下部面積,因此換向閥下行,回到增壓階段開始時(shí)的位置。

以上各階段自動(dòng)循環(huán),增壓器可以實(shí)現(xiàn)高頻動(dòng)作,并連續(xù)輸出高壓油。

卸荷時(shí),換向閥換向,增壓器T口的進(jìn)油打開液控單向閥,油缸無(wú)桿腔的液壓油通過(guò)液控單向閥流回增壓器P口,再通過(guò)換向閥回到綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)油箱。

錨索預(yù)緊增壓裝置可提供17.5 MPa～52.5 MPa的最終壓力,減壓閥是調(diào)壓裝置,更換錨索種類時(shí),需進(jìn)行壓力調(diào)節(jié),先擰松鎖緊螺母,增壓時(shí)為順時(shí)針?lè)较?降壓時(shí)為逆時(shí)針?lè)较?緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)手柄。調(diào)壓后,擰緊鎖緊螺母即可。

9 實(shí)施效果

9.1 臨時(shí)支護(hù)裝置

臨時(shí)支護(hù)裝置以綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)截割部為載體進(jìn)行安裝,能夠自由隨綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)行走,由綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)系統(tǒng)自身的雙聯(lián)柱塞泵提供動(dòng)力,以多路控制閥控制動(dòng)作,實(shí)現(xiàn)液壓機(jī)械一體化,使綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)截割與支護(hù)交替作業(yè)。臨時(shí)支護(hù)裝置從根本上改變了原有臨時(shí)支護(hù)的功能和形式,通過(guò)向頂板主動(dòng)施加初撐力,避免操作人員在空頂區(qū)作業(yè),提高錨護(hù)作業(yè)時(shí)人員的安全性,實(shí)現(xiàn)錨網(wǎng)、鋼筋梯的機(jī)械化敷設(shè),降低操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。臨時(shí)支護(hù)裝置用時(shí)展開,不用時(shí)折疊,由液壓缸驅(qū)動(dòng),操作簡(jiǎn)易、方便,減少了支護(hù)輔助時(shí)間,提高了工作效率。對(duì)臨時(shí)支護(hù)裝置進(jìn)行拓展后,可與不同品牌、型號(hào)綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)有機(jī)結(jié)合,不會(huì)影響綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)的性能。

臨時(shí)支護(hù)裝置投入使用后,提高了工作效率和安全性。員工在熟練掌握使用臨時(shí)支護(hù)裝置后,有效縮短了臨時(shí)支護(hù)的時(shí)間,比原工藝中人工使用挑頂桿臨時(shí)支護(hù)更快捷,同時(shí)提高了空頂區(qū)域的安全可控性。

9.2 錨索預(yù)緊增壓裝置

錨索預(yù)緊增壓裝置在綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)原有液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)充,就近直取聯(lián)閥組件油路,對(duì)調(diào)壓、增壓、示壓、保護(hù)四種元件集成設(shè)置,通過(guò)減壓閥調(diào)壓,通過(guò)增壓器產(chǎn)生預(yù)緊錨索所需的壓力,達(dá)到高效、安全、省力的目的。

原工藝中使用的手壓泵升壓緩慢,需操作5～6 min,在25 MPa以上高壓區(qū)域停留時(shí)間長(zhǎng),高壓傷人的概率較高,對(duì)操作人員的安全不利。錨索預(yù)緊增壓裝置在使用中可迅速將壓力升高至預(yù)緊錨索所需的壓力,作用時(shí)間短,在高壓區(qū)域停留時(shí)間短,對(duì)操作人員較為安全。

10 結(jié)束語(yǔ)

綜合自動(dòng)化掘進(jìn)機(jī)臨時(shí)支護(hù)裝置與錨索預(yù)緊增壓裝置以“機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人”為理念研制,很好地解決了掘進(jìn)生產(chǎn)中遇到的實(shí)際問(wèn)題,可向各礦山企業(yè)推廣。