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液压支架阀芯快捷拔取装置的设计及应用

2024-08-10 77 上传者：管理员

摘要：针对司马煤业公司所采用ZF8000/20/38D型电液控支架的阀芯难取的问题，在分析了阀芯对象的结构组成、拔取原理的基础上，通过结构设计，受力校核研发了阀芯拔取装置。装置主体为杆状，利用将阀芯丝扣旋入套筒和甩锤的冲击动能将阀芯取出。自该阀芯快捷拔取工具投入应用以来，因拆取阀芯造成阀芯损坏的现象得到了明显的改善，产生了较大的经济效益。

关键词：
拔取装置
液压支架
煤炭工业
电液控
阀芯
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随着现代科技的进步，社会生产水平得到了提高。作为能源主要支柱之一的煤炭工业对社会能源供应意义重大。液压支架是用于采煤工作面顶板支护的设备，在现代化采煤工作中起着极其重要的作用，该设备极大地提高了采矿业的工作效率和安全水平[1]。液压支架能可靠而有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入回采工作面和推进输送机[2-4],液压支架完好程度直接影响安全生产，但井下环境恶劣，液压支架操作台的电磁阀时常会磨损损坏导致液压油泄露，这样不仅影响设备的正常使用，造成油液的浪费，增加企业的生产成本，而且影响设备的稳定性和安全性，降低生产效率，对工作人员的安全构成威胁。因此解决液压支架操作台阀芯更换问题十分必要。

井下综采工作面采用的液压支架电液控制系统由以下几部分构成：井上地面主机(即中央控制主机)、井下主机(即中央控制分机)、稳压电源、隔离耦合器、通信网络、支架控制器和电液执行机构。电液执行机构包括电磁阀、液压缸、液压泵等结构，主要负责末端位置执行。液压支架在长时间使用下，支架操作台会出现串漏液、阀芯不弹、手把不起作用等问题，很多都是由于阀芯损坏或阀芯密封破损等造成的，在解决时都需要拆卸阀芯。然而由于支架在井下使用时间长，阀芯会不同程度地生锈、破损，若取阀芯方式不正确，容易损坏阀芯和阀套。另外由于阀芯密封存在，阀套内会有负压吸附，这些原因导致取阀芯的阻力较大。

1、工作面电液控支架阀芯概况

司马煤业1218工作面采用ZF8000/20/38D型电液控支架，电液控支架操作台中有内六方孔的为阀芯，如图1所示。阀芯端部有螺纹丝口，用手钳等工具拆卸时，螺纹丝口用力范围较小，容易损坏丝口，对阀芯、阀套造成不必要的损坏，且拔取阀芯速度慢。为此研发一种适用于ZF8000电液控支架的液压支架阀芯快捷拔取装置。

图1电液控支架操作台及阀芯

2、设计方案

2.1整体方案

ZF8000/20/38D型电液控支架的阀芯端部有内六方，外径为外螺纹。装置可采用套筒和杆体组合结构实现。一端设置外六方，其大小与阀芯端部内六方相匹配，外六方底部设计圆形片状底托，底托下端为带内螺纹套筒，套筒底部开孔，在垂直于套筒端面中心位置焊接套管，套管下为十字握把，底部为圆形片状底座，握把和底座之间设计有可移动甩锤。整体结构如图2所示。

煤矿井下潮湿，且要求装置具有较高的强度，可选用强度高、硬度高、韧性好和耐蚀性好的铬钒合金钢40CrV作为加工材料。

图2装置整体方案

2.2工作原理

拔取阀芯的过程可以划分为三个步骤。第一步，将装置的外六方套入阀芯内六方口，逆时针拧转十字形手把，使阀芯螺纹从阀套中拧出一部分，后将带内螺纹的套筒旋入到已拧出的阀芯部分上；第二步，用一只手把持套筒，另一只手继续拧转手把，使得阀芯带螺纹的部分继续脱离阀套，同时螺纹部分会不断进入套筒中，待阀芯螺纹完全脱离阀套时，阀芯已拧入套筒中；第三步，用手以一定速度带动甩锤在十字形手把和底座间做往复运动，利用甩锤撞击底座的冲击力就能带动阀芯整体外移，将阀芯拔出。

2.3结构设计

杆的一端是外六方，与阀芯内六方尺寸一致，边长为10 mm;外六方底部为圆形片状底托，设计底托直径小于套筒内径大于套管直径，用来限制套筒位移；底托右端为有内螺纹的套筒，其内径与阀芯外径相匹配，套筒内螺纹与阀芯外螺纹相匹配，规格为M38×1.5,可将套筒旋入阀芯端部，套筒底部开孔；在套筒底部焊接套管，杆体穿过套管，套管直径略大于杆体直径，使得套筒可绕杆体转动和沿杆体移动；十字握把为维修人员施加扭矩拧转阀芯的结构，其长度可以在拧转时使手部舒适，且容易发力；中部设计为甩锤，底部为圆形片状底座，其直径不小于甩锤直径，甩锤可在十字形手把和圆形片状底座间往复运动。对阀芯快捷拔取装置进行机械制图，如图3所示。

图3阀芯快捷拔取装置(单位：mm)

2.4受力分析与强度校核

在阀芯拔取时，将装置的外六方插入阀芯的内六方孔中，逆时针拧转握把，装置的外六方受到大小相同、方向相反的扭矩，受力示意图如图4所示。对外六方和握把之间的杆体的某一横截面进行扭转强度校核。

图4受力示意

拔取装置外六方受到的力矩，设为M1;手把处由操作人员施加的一个方向相反的力偶，设为M2,力的大小为F,力臂长为L,并且有M1=M2=FL.拧转过程中手把与外六方之间的杆体承受扭矩为T,杆体直径为d.

设定拧转阀芯需要的最大力矩M1为10 N·m, 40CrV材料的设计许用剪切应力[τ]=450 MPa.

由公式(1)和公式(2)校核扭转强度。代入数据，T=M1,d=1 cm,得τmax=51 MPa,满足τmax≤[τ],符合扭转强度要求。

2.5功能和优点

1)由于甩锤和套杆轴线方向与阀芯轴线相一致，使得阀芯受力均匀，解决了受力不均而使阀芯卡在阀套内的问题，提高了拔取阀芯的速度和阀芯完好性。

2)提高了阀芯拔取的效率，降低了阀芯损坏率，具有良好的经济效益。

3)采用操作简便的机械装置，代替了纯手工拔取，有利于煤矿生产设备的自动化、智能化发展。

3、阀芯拔取装置在司马煤业中的应用

将产品用于司马煤业ZF8000/20/38D型电液控支架实际电控阀维修阀芯拔取过程中，操作简便，实现了阀芯的快速拔取，提高了维修的效率，同时减少了拔取造成的损坏，现场应用如图5所示。

图5支架阀芯快捷拔取装置现场应用图

通过对两个月阀芯维修情况的统计对比，因检修不当造成阀芯损坏的数量减少了23个，更换阀芯时间从每个20 min缩短到了5 min,电磁先导阀消耗减少了5个，乳化油泄漏减少了0.15 m3,总计减少材料消耗3万元；综采队平均人工成本每天为905元，1个月节约人工成本6万元。该装置的成功运用，实现了阀芯快捷换取的功能，提高了更换的效率，达到了“小装置，大作用”的效果。同时针对不同型号液压支架操作台不同规格的阀芯，对装置套筒内螺纹规格和杆体的尺寸做适当调整，在满足强度要求后即可使用，可推广至煤矿井下类似结构的液压支架检修维护。

4、结语

为解决电液控支架阀芯难取的问题，研发了一种阀芯快捷拔取装置，并且于司马煤业有限公司综采工作面成功运用，取得了良好的效果。阀芯快捷拔取装置使阀芯在维修更换时不受到损坏，降低了阀芯拔取的难度，方便了液压支架操作台的维修。装置结构精巧，易于加工制造，减少了阀芯和乳化液泄漏的材料消耗，降低了维修的人工成本，可推广至类似结构的阀芯维修更换，具有广阔的应用前景。

参考文献:

[1]宋单阳,宋建成,田慕琴,等.煤矿综采工作面液压支架电液控制技术的发展及应用[J].太原理工大学学报,2018,49(2):240-251.

[2]郝莹.几种联动控制功能在液压支架中的应用[J].煤矿机械,2022,43(3):143-145.

[3]梁凯.煤矿综采面液压支架电液控制系统设计[J].机械工程与自动化,2022(3):179-180,183.

[4]王国法.工作面支护与液压支架技术理论体系[J].煤炭学报,2014,39(8):1 593-1 601.

文章来源:吴连勇,李宇统,程亮.液压支架阀芯快捷拔取装置的设计及应用[J].煤,2024,33(08):60-62.