放頂煤液壓支架插板齒條設(shè)計與工藝改進及應(yīng)用

孫健霞

（河北天擇重型機械有限公司，河北邯鄲 056200）

0 引言

采煤綜合機械化是加速我國煤炭工業(yè)發(fā)展、大幅提高勞動生產(chǎn)率、實現(xiàn)煤炭工業(yè)現(xiàn)代化的一項戰(zhàn)略措施。液壓支架是綜合機械化采煤方法中最重要的設(shè)備之一[1]，其主要作用是用于煤礦井下工作面開采支護頂板[2]，保護作業(yè)人員和設(shè)備安全，與配套的采煤機、刮板輸送機相互配合和協(xié)調(diào)動作，實現(xiàn)落煤、裝煤、運輸和支護等生產(chǎn)工序的機械化，從而達到高產(chǎn)、高效、安全、低耗的效果。綜采放頂煤技術(shù)是將綜合機械化開采運用到放頂煤開采工作面[3]，近年來在我國得到迅速發(fā)展和廣泛運用，綜采放頂煤采煤法正在成為一種高產(chǎn)、高效的采煤方法[4]。目前，放頂煤液壓支架因具有支撐穩(wěn)定、放煤口連續(xù)、背脊損失少、放煤效果好、對厚煤層開采、設(shè)備投入小、性價比高等特點而得到廣泛應(yīng)用。

放煤機構(gòu)是設(shè)計放頂煤液壓支架的關(guān)鍵，其主要由尾梁、尾梁千斤頂、插板和插板千斤頂組成，它不但能自由地控制放煤，而且具有對放下的大塊煤破碎的功能[5]。我公司目前設(shè)計的放頂煤液壓支架的放煤機構(gòu)主要是插板式，有圖1和圖2兩種結(jié)構(gòu)型式。通過兩圖對比可以看出，兩種放煤機構(gòu)的相似之處是主要組成部件相同，都是通過插板千斤頂將尾梁和插板連接在一起，不同之處在于與尾梁和尾梁千斤頂鉸接的結(jié)構(gòu)件不同。

如圖1所示，放煤機構(gòu)的尾梁通過鉸接銷軸與頂梁連接，尾梁千斤頂活塞桿端與底座連接。這種結(jié)構(gòu)型式的液壓支架因尾梁直接鉸接于頂梁后部，為滿足井下使用要求，所設(shè)計的尾梁長度方向的尺寸相對較大，為此要求插板千斤頂要留有足夠大的行程，才能在底座后部形成一個較大的放煤空間，多用于采煤工作面過渡段支架。

圖1 放煤機構(gòu)示意圖

如圖2所示，放煤機構(gòu)的尾梁和尾梁千斤頂分別與掩護梁的不同部位連接，這種結(jié)構(gòu)型式的液壓支架因頂梁和尾梁之間增加了掩護梁部件，尾梁長度方向的尺寸相對要求可以小一些，與之配套的插板千斤頂預(yù)留行程也將變短，后部所形成的放煤空間相對圖1結(jié)構(gòu)型式也會小一些，多用于采煤工作面中間段支架。

圖2 放煤機構(gòu)示意圖

放煤機構(gòu)的主要部件尾梁是由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，其中間部分分為上下箱形斷面，體內(nèi)設(shè)有插板導(dǎo)向槽，主要作用是維護好后部輸送機的安全空間；放煤機構(gòu)的直接部件插板也是由鋼板焊接而成的箱形結(jié)構(gòu)，前端設(shè)有用于插煤的齒條，在尾梁導(dǎo)向槽內(nèi)移動，通過插板千斤頂和尾梁千斤頂協(xié)調(diào)動作控制放煤窗口的大小和放煤流量。當采空區(qū)頂板冒落時，插板伸出可阻擋矸石進入后部輸送機[5]，有大塊煤落下時，利用插板齒尖可將塊煤破碎。

為防止大塊煤堵塞放煤口，放煤機構(gòu)必須有強有力、可靠的二次破煤能力，因此插板齒條的設(shè)計就顯得尤為重要。齒條常規(guī)設(shè)計為鑄件，材質(zhì)選用ZG270-500，鑄造過程中因存在質(zhì)量不易控制、工期難以保證等問題，對生產(chǎn)制作造成了很大的制約。為了解決這些問題，在對齒條作用和結(jié)構(gòu)進行分析論證后，對齒條進行了設(shè)計及工藝上的改進。

1 常規(guī)設(shè)計和加工工藝

放頂煤液壓支架插板齒條（如圖3）形狀為一條形板上凸起幾個大小一致的圓錐體，錐體數(shù)量和外形尺寸依據(jù)齒條長度L和寬度W尺寸確定，常規(guī)設(shè)計是鑄件，材質(zhì)選用ZG270-500，屈服強度為270 MPa，抗拉強度為500 MPa[6]，加工工藝為毛坯直接鑄造成型、銑底面澆鑄冒口，尺寸和粗糙度符合圖樣要求，檢驗合格后焊接在插板箱體上。

圖3 插板齒條

2 原設(shè)計存在的問題及成本計算

2.1 存在的問題

毛坯齒條鑄造工藝流程：制作木?！焐啊煨汀刍鷿沧ⅰ迳啊谐凉裁翱凇鸁崽幚怼鷻z驗→入庫。

受本單位生產(chǎn)條件制約，齒條毛坯需外委制作。因鑄造過程不易控制，鑄造后的毛坯經(jīng)常出現(xiàn)氣孔、砂眼、縮松、粘砂等影響強度和外觀質(zhì)量的缺陷，需進行返工、返修處理，導(dǎo)致齒條毛坯制作周期較長，嚴重影響插板結(jié)構(gòu)件的整體性能和生產(chǎn)進度的安排。

2.2 成本計算

因液壓支架工作阻力和井下使用條件不同，所設(shè)計的插板齒條外形尺寸及質(zhì)量也不盡相同，以我公司設(shè)計制作的ZF5200/16/28放頂煤液壓支架插板齒條為例，根據(jù)我公司現(xiàn)有的加工工藝條件，每件齒條的制作成本如下：1）鑄造齒條質(zhì)量為47.5 kg；2）鑄造工序市場價格為7.66 元/kg(含稅)；3）加工制作費用為10 元。

制作一件齒條成本約為47.5×7.66 +10 =373.85 元。

3 改進方案及成本對比情況

3.1 第一次改進

3.1.1 改進方案

1）在認真分析ZF5200/16/28放頂煤液壓支架插板齒條結(jié)構(gòu)和外形尺寸后，將齒條分為條形板（如圖4）和齒尖（如圖5）兩部分。

圖4 條形板

2）為保證條形板的強度能滿足使用要求，材質(zhì)選用牌號Q460、厚度δ為30的低合金高強度鋼。Q460鋼材在保證低碳當量的基礎(chǔ)上，適當增加了合金元素的含量，具有良好的焊接性能。條形板上設(shè)計有5-φ50圓孔，由數(shù)控切割機直接切割而成，單件成活質(zhì)量為37.3 kg。

3）齒尖（如如圖5）材質(zhì)選用45圓鋼，具有強度較高，切削性良好的特點[6]，鋸切后車削加工成活，單件質(zhì)量為1.64 kg，數(shù)量為5件。

圖5 齒尖

4）齒尖與條形板配合部分長度為18 mm，與條形板拼接后用型號ER50-2、直徑為φ1.2 mm碳鋼焊絲，CO2氣體保護焊焊接為齒條組件（如圖6）。

圖6 齒條組件

牌號Q460、厚度為30 mm的高強度鋼板屈服強度為440 MPa，抗拉強度為550～720 MPa，材質(zhì)為45鋼、直徑為φ80 mm的圓鋼屈服強度為295 MPa，抗拉強度為590 MPa[6]，采用上述方法焊接后熔敷金屬抗拉強度最低值為500 MPa[7]，完全能滿足齒條的使用性能要求。

3.1.2 成本計算

改進后每件齒條生產(chǎn)成本計算如下。

條形板：材料費（質(zhì)量×價格）+工時費=37.3×4.5+1.2=169.05 元。齒尖：材料費（質(zhì)量×價格）+工時費=1.64×4.3+2.1=9.15 元。組焊費用（包含工時費、材料消耗等）約20 元?？傎M用：169.05+9.15×5+20=234.8 元。

設(shè)計與加工工藝改進后，每制作一件齒條可節(jié)約成本約139.05 元。

3.1.3 不足之處

1）因齒尖原材料為45圓鋼且用量相對較少，給原材料采購帶來了一定的困難。

2）齒尖加工工序為圓鋼鋸切后車削加工成活，經(jīng)試驗，加工1件成品約需10 min，效率較低。

3.2 第二次改進

3.2.1 改進方案

結(jié)合插板齒條第一次改進經(jīng)驗及車間現(xiàn)有生產(chǎn)加工能力，經(jīng)討論，提出第二次改進方案如下。

1）將齒尖材質(zhì)（如圖7）改為材質(zhì)為Q460、厚度為50 mm的高強度鋼，與條形板連接部位由直徑為φ50 mm柱狀結(jié)構(gòu)改為50 mm×60 mm方形結(jié)構(gòu)，直接用數(shù)控切割機切割成活，每件成品質(zhì)量為2.3 kg。

圖7 齒尖

2）條形板（如圖8）外形尺寸不變，板上原φ52 mm 圓 孔 改 為52 mm×62 mm方孔，每件成品質(zhì)量35.1 kg，焊接效果如圖9所示。

圖8 條形板

圖9 齒條組件

3.2.2 成本計算

插板齒條第二次改進后，條形板切割、組焊費用差可忽略不計，每件齒條生產(chǎn)成本計算如下。

條形板：材料費（質(zhì)量×價格）+工時費=35.1×4.5+1.2=159.15 元；齒尖：材料費（質(zhì)重量×價格）+工時費=2.3×4.5+0.6=10.95 元；組焊費用（包含工時費、材料消耗等）約20元；總費用：159.15+10.95×5+20=233.9 元。

3.3 成本及加工工藝對比情況

1）插板齒條兩次改進后與原設(shè)計相比，每件齒條生產(chǎn)成本均節(jié)約了約140元。

2）第一次改進設(shè)計后，齒條從原材料到成品加工工藝涉及數(shù)控切割、鋸切、車削、組焊4道工序。

3）第二次改進設(shè)計后，加工工藝僅涉及數(shù)控切割和組焊兩道工序，成本雖與第一次改進相比僅節(jié)約了0.9元，但齒尖采用數(shù)控切割工藝每件僅需4 min，且減少了活件內(nèi)部周轉(zhuǎn)次數(shù)，可提高生產(chǎn)效率2倍以上。

4 結(jié)語

放頂煤液壓支架插板齒條設(shè)計及工藝優(yōu)化后，首先在冀中能源峰峰集團羊東礦ZF5200/16/28放頂煤液壓支架上試用，生產(chǎn)過程中既保證了產(chǎn)品質(zhì)量、降低了生產(chǎn)成本，又縮短了周轉(zhuǎn)時間，提高了生產(chǎn)效率。經(jīng)礦方使用，完全能滿足井下使用要求和破煤需要，使用效果良好。

我公司已累計生產(chǎn)ZF5200/16/28放頂煤液壓支架586 臺，共計節(jié)約生產(chǎn)成本82040 元。目前已推廣應(yīng)用到冀中能源峰峰集團新屯礦ZFB3200/16/24、峰峰集團大社礦ZFG5400/18/29、河南濟源煤業(yè)有限公司ZF2800/16/24、河南鞏義邢村煤業(yè)有限公司ZFY3200/14/26、ZFG4600/16/26等多批放頂煤、放頂煤掩護式及放頂煤過渡液壓支架上，取得了良好的經(jīng)濟效益。