两柱掩护式液压支架顶梁平衡限位装置的分析

刘子奇

（晋能控股煤业集团机电管理部，山西 大同 037000）

引言

两柱掩护式液压支架与底座之间通过四连杆相连，与顶梁之间采用平衡千斤顶连接，能够较好地适应松散不稳定的顶板，具有架型简单的结构特点、便捷的操作形式、电液控制容易实现等优点，并逐渐发展成为国内外一次性采全高工作面设备的主导架型。然而两柱掩护式液压支架在应用过程中其平衡千斤顶容易损坏，安全事故频发，因此确保平衡千斤顶的安全可靠成为了两柱式液压支架的研究重点[1-2]。

1 平衡千斤顶的作用及破坏原因分析

1.1 平衡千斤顶的作用

针对一些中等稳定及不稳定的煤矿巷道顶板工况，为提高液压支架对其适应性，需根据现场情况调节支架顶梁与顶板之间的作用位置，以调节前者对后者的支撑合力。为保证支架支撑顶板的稳定性，掩护式液压支架平衡千斤顶、顶梁以及掩护梁之间组成的三脚架形式的稳定性显得尤为关键[3]。在卸载或半卸载工况下，可调整支架平衡千斤顶的拉伸范围，使顶梁控制在合适的角度，从而使支架达到理想的工作状态。

1.2 平衡千斤顶的损坏原因

作为只能机械地调整或调平顶梁的部件，平衡千斤顶有一定的工作局限性，在极恶劣的工况下，其工作阻力可能无法达到控制顶梁的状态，从而造成平衡千斤顶工作失效状况的发生。两柱掩护式支架平衡千斤顶损坏的情况大致分为以下几种：

1）顶板质量不好，出现破碎状态。顶梁前端与顶板之间无接触状态，故不受力。而顶梁后端与顶板接触，故受力。矸石充填在掩护梁上部，当顶板来压时，顶梁后端受力过大，导致平衡千斤顶伸出，当伸出长度大于其自身行程时，顶板压力继续增大，导致千斤顶自身被拉断或是与其铰接的平衡耳板断裂[4]。

2）支架在工作面采煤状态时，通过由于采煤机采割顶板不平造成的“阶梯”状顶板，仅顶梁后端与顶板接触，导致顶梁“抬头”，使平衡千斤顶伸出，当伸出长度大于其自身行程时，导致千斤顶自身被拉断。

3）供液压力不足时，导致支架初撑力偏低或没有接触顶板，采煤过程中使顶板断裂线前移，使顶板的断裂区域前移至煤壁前方或是顶板整体逐渐下沉。由于顶板自身重力过大，使顶梁“抬头”角度过大，甚至与掩护梁成一条直线，则平衡千斤顶受力过大超过自己行程，被拉断[5]。

4）人工误操作。操纵操纵阀时，立柱下腔供液使立柱上升时，千斤顶也处于拉伸状态，使支架顶梁一直处于“抬头”状态。若顶板周期来压，就会造成平衡千斤顶失效。

5）支架参数选择不对造成本身结构不合理。例如平衡千斤顶参数设计不合理，行程满足不了要求，拉力过大使活塞杆或导向套被拉出，使平衡千斤顶失效；掩护梁与顶梁间夹角设计过小，采煤时顶梁后端与掩护梁承受顶板压力过大，使顶梁处于“抬头”状态，平衡千斤顶被拉出过大，使其失效。

2 平衡千斤顶以往保护措施分析

为了克服平衡千斤顶的局限性，更好地保护平衡千斤顶，国内外很多厂家设置限位装置。所谓机械限位装置，就是为防止支架出现异常工作状态，或平衡千斤顶行程无法满足需求时，将限位块焊接在顶梁与掩护梁连接处，支架顶梁与掩护梁运动到极限状态时，机械限位块起作用，保护平衡千斤顶。根据GB 25974.1—2010《矿用液压支架通用技术条件》规定，支架设计时必须满足顶梁有一定的俯仰角，即支架在最大高度时，顶梁摆动俯角应不小于15°。在最低极限位置顶升300 mm 时，支架顶梁的最小摆动仰角应大于等于10°。因此，对于两柱掩护式液压支架必须设置平衡千斤顶的保护装置，提高设备工作的稳定性和可靠性。

2.1 顶梁、掩护梁机械限位装置的设计

为防止支架出现异常工作状态，在平衡千斤顶行程无法满足需求时，将限位块焊接在顶梁与掩护梁铰接处，以此防止平衡千斤顶失效。该状况下，连接顶梁和掩护梁的铰接销轴所承受的弯矩和剪力较大，与其铰接的平衡耳板所受到的压力和弯矩也较大。根据GB25974，支架呈现两个极限状态设置限位装置。

支架在最大高度时，顶梁摆动俯角应不小于15°。为保证该角度，在顶梁或掩护梁上设置限位块（在此工况下，平衡千斤顶未达到最大行程）。当支架前端受压达到15°限位角度时，设置的机械限位发生作用，由此避免千斤顶因行程用完继续受力而被挤压损坏。应特别注意机械限位块要有足够的接触面积和抗挤压强度，防止限位块挤压变形，继而失去限位作用。在这种状态下，平衡千斤顶行程仍有余量，但是与其铰接的耳板承受较大的剪力和弯矩，设计时注意加强此部分的结构强度。因此，此种结构只是被动地保护了平衡千斤顶，不能从根本上解决平衡耳板和铰接销轴损坏的问题。

2.2 顶掩机械死点设计

当顶梁的后部顶板与掩护梁的前部发生交汇时，即达到所谓的“机械死点”工作状态。在此工作状态下，需保证平衡千斤顶的工作行程未达到极限。为达此目的，需在平衡千斤顶的设计过程中反复验证，使其在顶梁和掩护梁上处于最佳安装位置。此种措施目前被广泛使用。

2.3 液压控制系统保护装置的研发

塞洛斯公司研发出一种平衡补偿阀，这种装置的工作原理是通过特制胶管将立柱的下腔和控制口连接在起，以此检测其腔内压力。当检测到的压力处于10～20 MPa 范围时，平衡千斤顶下腔的乳化液通过打开的平衡补偿阀回到主回管路，这就绕开了平衡双向锁，以此调整下腔的供液压力并使平衡千斤顶的推力得到调整，这样在一定程度上，顶梁可适应顶板的起伏，保护了平衡千斤顶。但是由于技术不成熟，价格高等原因，此方法还没有得到推广。

3 一种新型平衡限位装置的设计

目前没有特别好的方案能有效保护平衡千斤顶。现有的保护平衡千斤顶的措施是机械限位，即通过在顶梁或掩护梁上设置限位块，使顶梁和掩护梁之间的夹角处于一定范围（在此工况下，平衡千斤顶未达到最大行程），以保证顶梁和底座尽量处于水平状态。但在该状况下，联接顶梁和掩护梁的铰接销轴所承受的弯矩和剪力较大，与平衡千斤顶铰接的平衡耳板所受到的压力和弯矩也较大，因此，该部位的设计需要加强。由此可见，该方法不能彻底使平衡千斤顶得到保护，只能在一定程度上使其被动得到保护，同时在设计上，又有新的问题需要解决。

所以，在现有结构顶梁与掩护梁上，研发出种新型平衡千斤顶限位装置。该结构由特制销轴平衡限位板、顶梁耳板、掩护梁耳板、安全保护链组成。平衡限位板是一个类似葫芦的形状，上面依次开两个孔，下面开一个槽。钻个特制销轴是在普通的销轴基础上车两道凹槽，如图1 所示。受到剪切力较大时，就会断裂。在平衡千斤顶工作时，与掩护梁耳板铰接的销轴，在限位装置槽中运动。当平衡千斤顶受力过大，未超过限位行程时，特制销轴到达限位板的极限位置，在机械上起一定限位作用，当平衡千斤顶继续持续受力，特制销轴受到的剪切力过大而断裂，此限位装置就会向立柱方向摆动。摆动时，由于有安全保护连着限位装置，并不会对人身造成伤害。操作人员看到限位装置受到破坏并向立柱摆动时，就知道平衡千斤顶受力过大，及时操作操纵阀，以保护平衡千斤顶。

图1 新型平衡限位装置示意图

该结构设计简单，安全有效。增加了此新型限位装置，有效地提高了两柱掩护式支架的可靠性，并且使其适应性更广。

4 结论

液压支架是一种井下常用的设备。平衡千斤顶是两柱掩护式液压支架的关键部件之一，它关系到整个支架的正常使用和操作人员的安全。因此，作为液压支架最关键的部件之一，平衡限位装置的设计就对设计者提出了更高要求，既要尊重传统，又要开拓创新；理论分析与实践相结合，采取特定的设计手段和方法，最终制作出低成本、高可靠、安全、环保、实用性强的液压支架。