煤矿用液压支架常见失效形式及其对策分析

张 伟

(阳泉煤业(集团)有限责任公司 机电设备管理中心，山西 阳泉 045000)

煤矿用液压支架常见失效形式及其对策分析

张 伟

(阳泉煤业(集团)有限责任公司 机电设备管理中心，山西 阳泉 045000)

根据阳煤集团液压支架使用情况及维修经验，分析了液压支架结构件、立柱、千斤顶等关键部件的主要失效形式及失效原因，提出了设计、制造、使用、维修等不同阶段如何减少和解决液压支架失效问题，可以更好地指导煤矿现场进行液压支架故障分析与维修。

液压支架；失效形式；原因；对策

液压支架是煤矿井下综采工作面主要装备之一，占综采工作面装备总投资的60%～70%。经过近50a的技术引进、消化吸收和自主研发，液压支架设计、制造水平均获得了较大突破，取得了较好的社会和经济效益。但由于国内基础制造业与国际先进水平存在一定差距，造成国产液压支架的可靠性较差，结构件母材及焊缝开裂、立柱、千斤顶漏液、窜液、变形、断裂等故障频繁发生，设备维修率较高，维修成本较高，影响工作面正常生产。笔者对阳煤集团近些年来液压支架损坏情况进行统计分析，总结出液压支架常见的失效形式，并初步分析了事故发生的原因，从使用者的角度提出了相应的应对措施。

1 液压支架结构件常见失效形式及对策

1.1 掩护梁失效

1.1.1 失效形式

掩护梁焊缝开裂一般发生在盖板与主筋板的连接处(图1(a)、(b))，绝大部分损坏是由于支架承受较大偏载时导致掩护梁受扭损坏，损坏过程由最初的焊缝裂纹逐渐扩展至焊缝开裂，更严重者掩护梁铰接部分直接断裂(图1(c))。

掩护梁焊缝开裂过程中常伴随平衡千斤顶铰接耳座开焊、平衡千斤顶活塞杆或缸底耳板拉断等情况出现(图1(d))。

图1 掩护梁结构及平衡千斤顶主要失效形式

1.1.2 失效原因

(1)顶梁承受的偏心载荷超出支架安全承载范围，导致掩护梁扭矩过大发生焊缝开裂。

(2)结构及焊接接头设计不合理、结构抗扭强度设计不足、主筋及焊缝不连续或过于集中造成结构局部应力集中。

(3)焊接工艺及热处理缺陷，导致结构局部应力集中。

1.1.3 对策

(1)优化掩护梁结构，主筋设计为通筋，中间不断开，增加焊缝连续性，保证焊缝连接强度，从设计阶段消除产生应力集中的因素。

(2)优化焊缝坡口形式，保证焊缝熔透。

(3)通过热处理、振动等多种方式消除结构焊接残余应力，避免因应力集中而导致焊缝开裂。

(3)掩护梁焊缝开裂后，一般采取补焊措施增强结构局部强度(图2(a)、(b))。

图2 掩护梁失效治理方案

1.2 柱帽、柱窝失效

1.2.1 失效形式

液压支架顶梁与底座通过立柱连接，使支架形成一个有机承载结构，支架外载正是通过顶梁柱帽、立柱、底座柱窝传递。柱帽、柱窝的设计、制造质量直接影响支架的受力及对顶板的支护效果。绝大多数损坏发生在：

(1)柱窝、柱帽自身结构开裂(图3(a)、(b))。

(2)柱窝、柱帽与主筋及盖板的连接焊缝开裂(图3(c)、(d))。

图3 柱窝、柱帽主要失效形式

1.2.2 失效原因

(1)铸造柱帽、柱窝综合机械性能较差，强度低，冲击韧性差，当顶板来压承受冲击载荷时造成铸件发生裂纹、破碎。

(2)柱帽、柱窝与主筋、顶底板接触面的平面度较差造成接触不均匀，导致焊缝受力过大。

(3)底座外主筋与底板间的焊缝采用角焊缝，焊缝设计不合理，强度差，底板受力后将与外侧主筋板的连接焊缝撕裂。

1.2.3 对策

(1)条件允许的情况下采用锻造柱窝，选择综合力学性能更好的柱窝材料。

(2)柱窝底面及贴板与柱窝接触面需进行加工，保证平面度。

(3)优化焊缝及坡口设计。

1.3 底座失效

1.3.1 失效形式

底座是液压支架的主要承载结构，其设计、制造质量的好坏关系到支架能否正常使用、拉移以及输送机的正常推移，从而影响工作面推进及正常生产。底座常见损坏形式主要有：

(1)底座主筋与底板焊缝开裂、母材撕裂(图4(a))。

(2)主筋断面突变处，母材撕裂(图4(b)、(c))。

(3)过桥特别是薄煤层支架过桥处焊缝开裂(图4(d))。

(4)底座柱窝附近与柱窝有连接关系的主筋、底板、盖板等板件处焊缝开裂或撕裂(图3(c))。

1.3.2失效原因

(1)母材质量存在问题，达不到材料标称的屈服及抗拉强度。

(2)结构设计不合理，断面突变或焊缝过于集中导致局部应力集中，从而使焊缝开裂或母材撕裂。

(3)焊接及热处理缺陷。

1.3.3 对策

结构设计阶段尽可能考虑应力集中，避免截面突变及焊缝过于集中，截面突变处采用大圆弧过渡；优化焊缝及坡口设计，从而减少应力集中造成的结构焊缝开裂与母材撕裂。

1.4 顶梁失效

1.4.1失效形式

顶梁与顶板直接接触，其性能优劣直接影响顶板支护效果。顶梁常见损坏形式主要有：

(1)侧护板变形，造成支架架间漏矸，严重时影响支架移动。

(2)盖板处局部焊缝开裂(图5(a))。

(3)带伸缩梁结构的顶梁前端包板母材或焊缝开裂(图5(b))。

图5 顶梁结构主要失效形式

1.4.2 失效原因

(1)侧护板无支撑高度大，刚度差，支架降、移、升时相邻支架外力造成侧护板变形。

(2)顶梁设计时局部结构设计不合理或施焊质量较差，支架反复承载时，产生的应力集中造成局部焊缝开裂。

1.4.3 对策

(1)侧护板设计时，尽量设置支撑筋，避免使用过程中发生大变形。

(2)优化顶梁结构，增加焊缝连续性，保证焊缝连接强度，从设计阶段消除产生应力集中的因素。

(3)优化焊缝坡口形式，保证焊缝熔透。

1.5 其他失效形式

销轴弯曲、断裂，挡销座断裂，护帮板、侧护板外观变形，侧推导杆变形失效，护帮板耳座焊缝开裂，推杆变形、断裂，结构件锈蚀、起吊环断裂等。可根据具体失效原因，采取上述1.1～1.4中的对策。

2 立柱、千斤顶常见失效形式及对策

2.1 常见失效形式

(1)镀层剥落(图6(a))。

(2)缸口导向套、活塞及缸筒锈蚀，造成密封失效(图6(b)、(c)、(d))。

(3)活柱、中缸缸底断裂(图6(e)、(f))。

(4)接头座、配液管锈蚀、漏液。

图6 立柱、千斤顶常见失效形式

2.2 失效原因及对策分析

(1)采煤过程中遇构造或过断层放炮过程中，对支架保护不够，造成崩落的岩石损坏镀层。

(2)井下液压支架用乳化液和水质管理不到位。

(3)立柱、千斤顶制造过程中加工及安装工艺控制不到位。

(4)坡口设计不合理，焊缝熔深不足，国外一般选用对称的U或V型坡口，我国大部分设计选用15°和45°的非对称坡口。

(5)由于尺寸链设计不合理，导致极限位置时导向带进入进液口沟槽内，使活塞杆导向环发生密封损坏(图7)。

图7 立柱活塞杆导向环密封破坏

(6)接头设计不合理，焊接工艺性差，焊缝强度低，轻微碰撞焊缝开裂，容易漏液。

(7)立柱、千斤顶加工制造时，严格按设计图纸选材，制定合理经济的机械加工及电镀工艺，出厂试验时严格执行油缸出厂检验标准。

3 结 论

液压支架的恶劣工作环境，决定了其结构件及立柱、千斤顶失效是不可避免的，设计、制造、使用三方都应高度重视产品质量及安全问题，确保设备安全、可靠。

(1)井下采煤过程中严格按照液压支架操作规程操作设备，放炮时需采取防护措施，支架损坏后不应带病作业，及时维修，减少安全隐患，避免更大损失。

(2)液压支架制造厂商应下大力气解决焊接质量、机加工及热处理等问题，提高设备制造质量。

(3)随着人们对焊缝失效认识的不断增加，设计者更应在设计阶段就采取足够的措施，使结构设计、焊缝布置更加合理化，最大程度降低设计阶段的应力集中，避免设备失效。

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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

国家重点研发计划项目(2017YFC0804308)

张 伟(1982-)，男，河北鹿泉人，工程师，主要研究方向为煤矿综采设备管理。

张 伟.煤矿用液压支架常见失效形式及其对策分析[J].煤矿开采，2017，22(6)：22-25.

TD355.47

A

1006-6225(2017)06-0022-04

徐亚军]