煤礦用液壓支架常見失效形式及其對(duì)策分析

張 偉

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 045000)

煤礦用液壓支架常見失效形式及其對(duì)策分析

張 偉

(陽泉煤業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司 機(jī)電設(shè)備管理中心，山西 陽泉 045000)

根據(jù)陽煤集團(tuán)液壓支架使用情況及維修經(jīng)驗(yàn)，分析了液壓支架結(jié)構(gòu)件、立柱、千斤頂?shù)汝P(guān)鍵部件的主要失效形式及失效原因，提出了設(shè)計(jì)、制造、使用、維修等不同階段如何減少和解決液壓支架失效問題，可以更好地指導(dǎo)煤礦現(xiàn)場進(jìn)行液壓支架故障分析與維修。

液壓支架；失效形式；原因；對(duì)策

液壓支架是煤礦井下綜采工作面主要裝備之一，占綜采工作面裝備總投資的60%～70%。經(jīng)過近50a的技術(shù)引進(jìn)、消化吸收和自主研發(fā)，液壓支架設(shè)計(jì)、制造水平均獲得了較大突破，取得了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。但由于國內(nèi)基礎(chǔ)制造業(yè)與國際先進(jìn)水平存在一定差距，造成國產(chǎn)液壓支架的可靠性較差，結(jié)構(gòu)件母材及焊縫開裂、立柱、千斤頂漏液、竄液、變形、斷裂等故障頻繁發(fā)生，設(shè)備維修率較高，維修成本較高，影響工作面正常生產(chǎn)。筆者對(duì)陽煤集團(tuán)近些年來液壓支架損壞情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)出液壓支架常見的失效形式，并初步分析了事故發(fā)生的原因，從使用者的角度提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

1 液壓支架結(jié)構(gòu)件常見失效形式及對(duì)策

1.1 掩護(hù)梁失效

1.1.1 失效形式

掩護(hù)梁焊縫開裂一般發(fā)生在蓋板與主筋板的連接處(圖1(a)、(b))，絕大部分損壞是由于支架承受較大偏載時(shí)導(dǎo)致掩護(hù)梁受扭損壞，損壞過程由最初的焊縫裂紋逐漸擴(kuò)展至焊縫開裂，更嚴(yán)重者掩護(hù)梁鉸接部分直接斷裂(圖1(c))。

掩護(hù)梁焊縫開裂過程中常伴隨平衡千斤頂鉸接耳座開焊、平衡千斤頂活塞桿或缸底耳板拉斷等情況出現(xiàn)(圖1(d))。

圖1 掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)及平衡千斤頂主要失效形式

1.1.2 失效原因

(1)頂梁承受的偏心載荷超出支架安全承載范圍，導(dǎo)致掩護(hù)梁扭矩過大發(fā)生焊縫開裂。

(2)結(jié)構(gòu)及焊接接頭設(shè)計(jì)不合理、結(jié)構(gòu)抗扭強(qiáng)度設(shè)計(jì)不足、主筋及焊縫不連續(xù)或過于集中造成結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中。

(3)焊接工藝及熱處理缺陷，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)局部應(yīng)力集中。

1.1.3 對(duì)策

(1)優(yōu)化掩護(hù)梁結(jié)構(gòu)，主筋設(shè)計(jì)為通筋，中間不斷開，增加焊縫連續(xù)性，保證焊縫連接強(qiáng)度，從設(shè)計(jì)階段消除產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素。

(2)優(yōu)化焊縫坡口形式，保證焊縫熔透。

(3)通過熱處理、振動(dòng)等多種方式消除結(jié)構(gòu)焊接殘余應(yīng)力，避免因應(yīng)力集中而導(dǎo)致焊縫開裂。

(3)掩護(hù)梁焊縫開裂后，一般采取補(bǔ)焊措施增強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部強(qiáng)度(圖2(a)、(b))。

圖2 掩護(hù)梁失效治理方案

1.2 柱帽、柱窩失效

1.2.1 失效形式

液壓支架頂梁與底座通過立柱連接，使支架形成一個(gè)有機(jī)承載結(jié)構(gòu)，支架外載正是通過頂梁柱帽、立柱、底座柱窩傳遞。柱帽、柱窩的設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量直接影響支架的受力及對(duì)頂板的支護(hù)效果。絕大多數(shù)損壞發(fā)生在：

(1)柱窩、柱帽自身結(jié)構(gòu)開裂(圖3(a)、(b))。

(2)柱窩、柱帽與主筋及蓋板的連接焊縫開裂(圖3(c)、(d))。

圖3 柱窩、柱帽主要失效形式

1.2.2 失效原因

(1)鑄造柱帽、柱窩綜合機(jī)械性能較差，強(qiáng)度低，沖擊韌性差，當(dāng)頂板來壓承受沖擊載荷時(shí)造成鑄件發(fā)生裂紋、破碎。

(2)柱帽、柱窩與主筋、頂?shù)装褰佑|面的平面度較差造成接觸不均勻，導(dǎo)致焊縫受力過大。

(3)底座外主筋與底板間的焊縫采用角焊縫，焊縫設(shè)計(jì)不合理，強(qiáng)度差，底板受力后將與外側(cè)主筋板的連接焊縫撕裂。

1.2.3 對(duì)策

(1)條件允許的情況下采用鍛造柱窩，選擇綜合力學(xué)性能更好的柱窩材料。

(2)柱窩底面及貼板與柱窩接觸面需進(jìn)行加工，保證平面度。

(3)優(yōu)化焊縫及坡口設(shè)計(jì)。

1.3 底座失效

1.3.1 失效形式

底座是液壓支架的主要承載結(jié)構(gòu)，其設(shè)計(jì)、制造質(zhì)量的好壞關(guān)系到支架能否正常使用、拉移以及輸送機(jī)的正常推移，從而影響工作面推進(jìn)及正常生產(chǎn)。底座常見損壞形式主要有：

(1)底座主筋與底板焊縫開裂、母材撕裂(圖4(a))。

(2)主筋斷面突變處，母材撕裂(圖4(b)、(c))。

(3)過橋特別是薄煤層支架過橋處焊縫開裂(圖4(d))。

(4)底座柱窩附近與柱窩有連接關(guān)系的主筋、底板、蓋板等板件處焊縫開裂或撕裂(圖3(c))。

1.3.2失效原因

(1)母材質(zhì)量存在問題，達(dá)不到材料標(biāo)稱的屈服及抗拉強(qiáng)度。

(2)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，斷面突變或焊縫過于集中導(dǎo)致局部應(yīng)力集中，從而使焊縫開裂或母材撕裂。

(3)焊接及熱處理缺陷。

1.3.3 對(duì)策

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段盡可能考慮應(yīng)力集中，避免截面突變及焊縫過于集中，截面突變處采用大圓弧過渡；優(yōu)化焊縫及坡口設(shè)計(jì)，從而減少應(yīng)力集中造成的結(jié)構(gòu)焊縫開裂與母材撕裂。

1.4 頂梁失效

1.4.1失效形式

頂梁與頂板直接接觸，其性能優(yōu)劣直接影響頂板支護(hù)效果。頂梁常見損壞形式主要有：

(1)側(cè)護(hù)板變形，造成支架架間漏矸，嚴(yán)重時(shí)影響支架移動(dòng)。

(2)蓋板處局部焊縫開裂(圖5(a))。

(3)帶伸縮梁結(jié)構(gòu)的頂梁前端包板母材或焊縫開裂(圖5(b))。

圖5 頂梁結(jié)構(gòu)主要失效形式

1.4.2 失效原因

(1)側(cè)護(hù)板無支撐高度大，剛度差，支架降、移、升時(shí)相鄰支架外力造成側(cè)護(hù)板變形。

(2)頂梁設(shè)計(jì)時(shí)局部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理或施焊質(zhì)量較差，支架反復(fù)承載時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力集中造成局部焊縫開裂。

1.4.3 對(duì)策

(1)側(cè)護(hù)板設(shè)計(jì)時(shí)，盡量設(shè)置支撐筋，避免使用過程中發(fā)生大變形。

(2)優(yōu)化頂梁結(jié)構(gòu)，增加焊縫連續(xù)性，保證焊縫連接強(qiáng)度，從設(shè)計(jì)階段消除產(chǎn)生應(yīng)力集中的因素。

(3)優(yōu)化焊縫坡口形式，保證焊縫熔透。

1.5 其他失效形式

銷軸彎曲、斷裂，擋銷座斷裂，護(hù)幫板、側(cè)護(hù)板外觀變形，側(cè)推導(dǎo)桿變形失效，護(hù)幫板耳座焊縫開裂，推桿變形、斷裂，結(jié)構(gòu)件銹蝕、起吊環(huán)斷裂等。可根據(jù)具體失效原因，采取上述1.1～1.4中的對(duì)策。

2 立柱、千斤頂常見失效形式及對(duì)策

2.1 常見失效形式

(1)鍍層剝落(圖6(a))。

(2)缸口導(dǎo)向套、活塞及缸筒銹蝕，造成密封失效(圖6(b)、(c)、(d))。

(3)活柱、中缸缸底斷裂(圖6(e)、(f))。

(4)接頭座、配液管銹蝕、漏液。

圖6 立柱、千斤頂常見失效形式

2.2 失效原因及對(duì)策分析

(1)采煤過程中遇構(gòu)造或過斷層放炮過程中，對(duì)支架保護(hù)不夠，造成崩落的巖石損壞鍍層。

(2)井下液壓支架用乳化液和水質(zhì)管理不到位。

(3)立柱、千斤頂制造過程中加工及安裝工藝控制不到位。

(4)坡口設(shè)計(jì)不合理，焊縫熔深不足，國外一般選用對(duì)稱的U或V型坡口，我國大部分設(shè)計(jì)選用15°和45°的非對(duì)稱坡口。

(5)由于尺寸鏈設(shè)計(jì)不合理，導(dǎo)致極限位置時(shí)導(dǎo)向帶進(jìn)入進(jìn)液口溝槽內(nèi)，使活塞桿導(dǎo)向環(huán)發(fā)生密封損壞(圖7)。

圖7 立柱活塞桿導(dǎo)向環(huán)密封破壞

(6)接頭設(shè)計(jì)不合理，焊接工藝性差，焊縫強(qiáng)度低，輕微碰撞焊縫開裂，容易漏液。

(7)立柱、千斤頂加工制造時(shí)，嚴(yán)格按設(shè)計(jì)圖紙選材，制定合理經(jīng)濟(jì)的機(jī)械加工及電鍍工藝，出廠試驗(yàn)時(shí)嚴(yán)格執(zhí)行油缸出廠檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié) 論

液壓支架的惡劣工作環(huán)境，決定了其結(jié)構(gòu)件及立柱、千斤頂失效是不可避免的，設(shè)計(jì)、制造、使用三方都應(yīng)高度重視產(chǎn)品質(zhì)量及安全問題，確保設(shè)備安全、可靠。

(1)井下采煤過程中嚴(yán)格按照液壓支架操作規(guī)程操作設(shè)備，放炮時(shí)需采取防護(hù)措施，支架損壞后不應(yīng)帶病作業(yè)，及時(shí)維修，減少安全隱患，避免更大損失。

(2)液壓支架制造廠商應(yīng)下大力氣解決焊接質(zhì)量、機(jī)加工及熱處理等問題，提高設(shè)備制造質(zhì)量。

(3)隨著人們對(duì)焊縫失效認(rèn)識(shí)的不斷增加，設(shè)計(jì)者更應(yīng)在設(shè)計(jì)階段就采取足夠的措施，使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、焊縫布置更加合理化，最大程度降低設(shè)計(jì)階段的應(yīng)力集中，避免設(shè)備失效。

[1]王國法.液壓支架技術(shù)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，1999.

[2]任懷偉.液壓支架關(guān)鍵零部件材料性能分析及工藝研究[J].煤礦開采，2015，20(4)：1-4.

[3]劉混田.液壓支架立柱維修與再制造技術(shù)[J].礦山機(jī)械，2017(4)：10-14.

[4]樊哲亮，等.液壓支架零部件失效及工藝研究[J].煤炭技術(shù)，2014，33(11)：210-212.

[5]孫桂英.液壓支架立柱千斤頂密封泄漏研究及解決措施[J].煤礦開采，2009，14(6)：57-58.

[6]劉欣科，等.國產(chǎn)液壓支架現(xiàn)狀及質(zhì)量分析[J].煤礦開采，2007，12(3)：92-94.

[7]村岡虎雄.油缸 [M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1974.

[8]王永東，等.大采高液壓支架使用中存在的問題與對(duì)策[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2002(S1)：47-49.

[9]孟凡龍，等.液壓支架柱帽和柱窩設(shè)計(jì)制造的研究[J].煤礦開采，2005，10(2)：85-86.

[10]孟凡龍，等.液壓支架中底座過橋強(qiáng)度計(jì)算的新探討[J].煤礦機(jī)電，1998(5)：16-18.

[11]梁醒培，等.液壓支架底座結(jié)構(gòu)強(qiáng)度優(yōu)化[J].礦山機(jī)械，1997(9)：4-6.

AnalysisofFailureModeandCountermeasureofHydraulicSupportinCoalMine

ZHANG Wei

(Electromechanical Device Management Center，Yangquan Coal(Group) Co.，Ltd.，Yangquan 045000，China)

According service condition and maintenance experiences of Yang coal group，and the main failure mode and reasons of some key components as structural component，column and jack were analyzed，and reducing and solving hydraulic support failure in different phases，which include designing，manufacture，service and maintenance phase were put forward，it could be guide for hydraulic support failure analysis and maintenance in field.

hydraulic support；failure mode；reasons；countermeasure

2017-08-09

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2017.06.006

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2017YFC0804308)

張 偉(1982-)，男，河北鹿泉人，工程師，主要研究方向?yàn)槊旱V綜采設(shè)備管理。

張 偉.煤礦用液壓支架常見失效形式及其對(duì)策分析[J].煤礦開采，2017，22(6)：22-25.

TD355.47

A

1006-6225(2017)06-0022-04

徐亞軍]