液压支架推移千斤顶窜液原因分析及解决措施*

2022-05-20杨洋

机械研究与应用 2022年2期

杨洋

(晋能控股煤业集团盖州煤矿，山西晋城 048400)

0 引言

液压支架推移结构在采煤作业中主要起到对采煤工作面所有设备进行推移的作用，作为煤矿综采设备的重要部件，保障其工作可靠性至关重要。推移杆、推移千斤顶和推移连接头等部件构成了液压支架推移结构，之前很多学者也对液压支架推移千斤顶进行了研究，如彭帅[1]研究了矿用液压支架立柱千斤顶的拆解检修问题。冯红雨，叶进[2]研究了液压支架推移千斤顶的具体加工工艺。马星辰[3]分析了液压支架泄漏故障的检测与维护技术。但针对液压支架推移千斤顶窜液问题具体研究较少。笔者重点针对液压支架推移千斤顶窜液问题进行了研究，分析了窜液原因，并提出了具体解决措施，达到了有效防治液压支架推移千斤顶窜液问题的目的。

1 千斤顶窜液原因分析

图1所示为推移千斤顶的结构图。ZY7800/22/45D型掩护式液压支架推移千斤顶为倒装式结构，规格为Φ160/105，在煤矿井下作业时常出现窜液问题，当综采工作面仰采到13°时推移千斤顶批量窜液；发现推移千斤顶上腔安全阀存在开启现象，拆下后的活塞导向环和密封挡圈均有单边磨损和划伤故障，密封弹性体破损且有浮锈和杂质存在于缸筒内壁；而同工作面端头支架应用的Φ180缸径的推移千斤顶无窜液问题发生[1]。

图1 推移千斤顶1.缸体 2.外卡键 3.活塞导向环 4.活塞 5.活塞密封 6.O型圈 7.挡圈 8.外卡键 9.活塞杆

活塞密封失效通常会造成推移千斤顶的窜液问题，活塞密封失效的情况有以下四种：

(1)密封件及导向环损坏造成的活塞密封失效。

(2)胀缸、内孔锈蚀成坑或严重划伤等缸体内孔损伤，造成密封失效。

(3)缸筒由于其油缸内部压力升高产生的瞬时弹性变形较大，一旦其变形量大于密封的密封量，则造成反复性窜液发生。

(4)推移千斤顶受到了较大偏载力的影响，造成活塞密封两侧失衡，一侧压紧另一侧间隙变大，使得其密封压缩量明显减少，仅可密封住压力较小的情况，一旦压力超标则产生窜液现象，初期时密封和缸筒不会损坏，密封件在长时间的高压力作用影响下造成损坏，从而导致活塞密封失效。

推移千斤顶拆解后可看到，虽然有部分表面浮锈存在于缸筒内孔内，但锈蚀成坑或严重划伤状况并未发生，其表面粗糙度较好，且尺寸未发生胀缸超差，故排除第二种可能。图2所示为液压系统原理图。本套支架推移千斤顶的上腔设置有35 MPa的安全阀，下腔与操纵阀直接连接，泵站压力为31.5 MPa，该推移千斤顶的内部压力低于35 MPa，在安全范围内，故第三种可能基本排除。

图2 液压原理图

因此，通过以上推移千斤顶窜液问题原因分析可知，其主要是由第1和第4种情况造成的，即最终都是由密封件导向环、挡圈损坏造成的活塞密封功能失效。

2 密封件损伤原因分析

2.1 使用环境

推移千斤顶的仰采角度很大，约为13°，这使支架的推溜力和拉架力增大，其作业时采用倒装结构，如图3所示，该状况下拉架力比推溜力大得多，水平采量时，拉架力的计算公式:

F1=mgun

式中：μ为摩擦系数，n为阻力系数。

当仰采角度时，拉架力的计算公式:

F2=mguncosα+mgsinα

式中：μ为摩擦系数，n为阻力系数，a为仰采角度。

根据设计规范，μ取为0.6，n取2.5，本支架的质量为26 787 kg，计算得F2=519.5 kN。

该支架使用的推移千斤顶为倒装结构，该结构下，无杆腔进液为拉架，有杆腔进液为推溜。

工作面端头支架用规格为Φ160 mm的推移千斤顶，正常拉架时所需的下腔压力P1为:

同工作面的端头支架用规格为Φ180 mm的推移千斤顶，其正常拉架时所需的下腔压力应为:

即Φ180 mm缸径的推移千斤顶移架工作压力为Φ160 mm缸径的推移千斤顶工作压力的79%。

在受偏载产生的同样局部间隙情况下，Φ160 mm缸径的油缸在高压下可能会产生窜液，但Φ180 mm缸径的油缸因其压力较小几乎不会产生窜液；考虑到采用密封的密封量随缸径的增大也会加大，加之油缸大刚性强等因素，在受力情况相同及外部环境条件影响下，Φ180 mm缸径油缸比Φ160 mm缸径油缸发生窜液几率小2]。

图3 倒装推移结构图

2.2 油缸结构

该液压支架推移千斤顶的行程较长为960 mm，其推移千斤顶本身就会受一定偏载力影响，作业时采用仰采的方式导致其偏载程度更大，从而引发油缸导向单侧摩擦，受力较小时不会对导向环的造成明显影响，但在受力增大的情况下，极大的侧载力和摩擦力便会共同作用于导向环上，加之往复运动的频繁进行以及乳化液浓度造成的润滑不良状况，会导致导向环(图4中的导向环1)快速磨损，使偏载角度变得更大，造成高压液体从图4中的区域2开始窜液。

图4 偏载受力结构图1.导向环 2.推移缸体

文中的推移千斤顶是参考波兰塔高公司的结构设计的。从图1中可看出，推移千斤顶的活塞结构并不是整体结构，主要由主密封和两侧的导向环三部分构成，这三部分它们分别安装在各自的件上，分别为件2，件4以及件8。这种活塞结构的优点在于不仅加工方便，而且发生沟槽损坏时只需对相应部件进行更换即可，不用整体更换活塞，减少了后期的维修成本。但该活塞结构的不足之处是非整体结构的两侧导向环对主密封的承载保护减弱，其导向对密封的保护效果受许多因素影响，如工件磨损、加工精度及工件间配合公差等。当在侧载力较大的大角度仰采工作面上使用时，则导向环对主密封保护效果较差[3]。

3 解决措施

图5所示为活塞结构改良结构图。

图5 改良后结构图

将活塞设计成整体结构，通过螺纹连接活塞与活塞杆，为防止活塞松动并采用紧定螺钉对其进行固定；同时将活塞导向环与活塞密封装配在同一零件上，从而有效防止推移千斤顶因受偏载力影响而造成的活塞密封失效问题。经过一年多的实践检验证明，该措施效果明显，活塞结构改良后窜液问题一次也没有再发生[4]，为矿井节约液压支架推移千斤顶窜液维修费用约10万元，取得了较好的经济效益。