波 1，2 ， 杨建新 1，2 ， 李 哲 1，2
（1. 煤炭科学技术研究院有限公司 检测研究分院， 北京 100013； 2. 国家煤矿支护设备质量监督检验中心， 北京 100013）
摘 要： 通过对近 5 a 矿用单体液压支柱（以下简称单体支柱）型式检验不合格率的统计分 析，发现了产品不合格率较高的测试项目及现象，结合各测试项目与实际工况的对应关系，进行了 产生不合格现象的原因分析，在生产工艺、电镀、热处理、原材料采购等环节上提出了改进措施，对 企业提高单体支柱的工作品质有较大帮助。
关键词： 单体支柱； 耐久性能； 强度； 漏液； 活柱变形
0 引言
单体支柱与各种金属铰接顶梁和长梁配套使 用，可用于采煤工作面支护顶板，或用于端头支护及 其他临时性支护，具有支护方便，初撑力大，支撑力 均匀，支撤速度快，恒阻等优点；随着支护技术水平 的提高，各工作面上涌出现多种类型的单体支柱产 品，如：双伸缩式、双向伸缩式、玻璃钢轻型式、悬浮 式、注液口可调式、压力监测式等；工作阻力不断提 高， 缸径 准100 mm 的工作阻力由最高 300 kN 升至 400 kN，缸径 准110 mm 的工作阻力由最高 250 kN 升至 350 kN；最大支撑高度也由原来的 4.5 m 升至 5 m，而且 已通过型式检验。
由于生产企业众多，产品质量参差不齐，不仅增 加了采煤成本， 也带来了安全事故的隐患， 本文通 过分析产品不合格的原因，提出的改进措施，确保产 品质量，减少安全事故的发生。
1 单体支柱的安标检验现状
煤矿井下地质条件复杂、多变，顶板下沉或断 裂，由于产品的支护性能达不到技术要求，导致安全 事故频发。 为了加强产品质量的管控，单体支护采 用安标准入制度，下井前必须经过国家支护设备监 督检验中心的检测，产品合格后，才进行批量生产和 下井，目前，全国已纳入安标管理的单体支柱生产企 业已达 200 余家，生产厂家以中小企业为主，产品的 实际质量状况仍不稳定，技术和管理状况仍有完善 和提高的空间。 本文对近 5 a 产品的不合格率进行 了统计分析，如表 1 所示，发现产品质量有所改善和 提高，不合格率有所下降，但产品不合格率仍有10% 左右。
表 1 近 5 a 安标检验不合率统计
根据标准 MT112.1-2006 《矿用单体液压支柱 第 1 部分：通用要求 》，安标型式检验需要进行操作、 让压、耐久、密封、强度等 5 个项目的考核。统计了近 5 a 各检验项目的不合格率，如表 2 所示，通过表 2 可以看出产品不合格率最高的项目是耐久和强度。
表 2 近 5 a 各检验项目不合率统计
2 安标检验与实际工况的联系
安标型式检验是通过外加载试验台及工装对单 体支柱的施压，以模拟顶板来压的实际工况，对其进 行让压性能、密封性能、偏载性能、强度和寿命性能等项目的全面考核。
（1）操作性能 主要考核单体支柱的升柱和降 柱工况，升柱是否灵活，有无别卡现象，降柱速度是 否满足要求。 若降柱速度过慢，严重影响其采煤效 率，影响因素主要有复位弹簧和三用阀的产品质量、 活塞密封与缸体内壁的配合情况等；
（2）让压性能 模拟顶板缓慢来压时，考核单体 支柱的抗压及屈服能力，同时也考核三用阀的启溢 闭特性，若让压不及时，单体支柱内压力急剧上升， 造成设备损坏，引发安全事故；或者，让压后三用阀 没有及时关闭，顶板失去有效支撑，严重时，会出现 压死柱现象；
（3）密封性能 考核产品的整体密封效果，密封 性能分为高压密封和低压密封，两者的考核目的是 不同的，低压密封考核的是活塞密封沟槽与缸体内 壁的间隙配合、密封圈本身的尺寸公差、密封沟槽的 尺寸公差和表面光洁度以及内壁的尺寸公差和表面 光洁度；而高压密封考核密活塞外圆与缸体内壁的 尺寸公差配合情况、活塞外圆尺寸公差及内壁的尺 寸公差和表面粗糙度；
（4）耐久性能 模拟采煤工作面顶板周期来压， 考核单体支柱的承压能力、各元部件的疲劳性能、密 封圈材质及内壁光洁度等，由于密封损坏，在耐久试 验过程中经常出现漏液情况，发生在底座和手把体处；
（5）强度 模拟顶板突然来压，考核产品的安全 系数及抗偏载能力。 按照标准要求，安全系数不小 于 2；由于井下工作条件复杂、恶劣，煤矸石经常散 落在单体支柱的底座下面，造成其偏心受力，致使密 封圈受力不均，产生严重变形，功能失效。
3 产品不合格现象及原因分析
（1）产品漏夜，密封失效 由于单体支柱产品要经过试验压力为 1.1 倍额 定压力、 屈服距离为 30~40 mm 的 2 000 次耐久寿 命，这就对各种密封（O 形圈、Y 形圈和复合密封）及 焊接工艺均提出极高的质量要求。 试验过程中主要 漏液部位、产生原因及改进措施如表 3 所示。
表 3 产品漏液部位、产生原因及改进
（2）由于材质过软或壁的厚度不够，导致活柱或 缸体弯曲变形 缸筒和缸体的材料采用的是 27SiMn 无缝 钢 管，力学性能参数：
抗拉强度 σb/MPa 980
屈服极限 σs/MPa 835
伸长率 δs/% 12
断面收缩率 ψ/% 40
冲击吸收功 Aku2/J 39
以某企业申办的 DW45-300/110X 为例，额定工 作压力 pn=34 MPa，缸体壁厚 δ=7 mm。 根据《新编液 压工程手册》可以得知安全系数 n=1.5～2.5，根据油 缸的重要程度和工作压力大小等因素选取，单体的安 全系数一般选取 n=1.5。
缸筒壁厚
式中 D———缸体外径，m；
pmax———缸体内最大压力，MPa；
［σ］———材料的许用应力，MPa。
由式（1）可以得出［σ］≥602 MPa，由屈服极限 与许用应力的关系计算出该型号单体的屈服极限
σs′=n［σ］=903 MPa>835 MPa。
所以型号为 DW45-300/110X 的单体支柱发生 活柱及油缸弯曲变形。 欲取得高工作阻力的产品合 格证，在保证材料性能的同时，只有对缸体和活柱的 壁厚加厚处理。
（3）由于热处理不过关，导致油缸爆裂或折断 根据单体液压支柱的实际工况环境， 其材料既 要有足够的韧性和抗冲击能力，还要有一定的硬度， 所以对缸体和活柱进行调质工艺， 改变材料的力学 性能，使其更容易进行车、镗、磨等工艺的加工。发生 爆裂或折断的主要原因是企业热处理工艺水平不过 关，热处理后没有获得正常的回火索氏体组织，致使 缸体和活柱局部不能保证强度要求。
4 结语
通过对单体液压支柱质量现状的分析，得出了产 品不合格率较高的测试项目及现象，阐述了煤矿井下 实际工况与各测试项目之间的关系，对不合格现象的 原因进行了分析和计算验证，提出了在生产工艺、热 处理、原材料采购等环节上改进意见，对企业提高产 品质量有指导意义。
参考文献：
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［2］杨建新,姚玉维. 新型矿用单体液压支柱出厂检验装置的研究［J］. 煤矿机械,2015,36(6):113-116.
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱介绍
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乾坤矿装的便携式螺旋支柱是一款矿井临时支护设备，是矿井适用的金属单体支柱。
便携式螺旋支柱由五部分组成：上承压板、上支柱、螺杆、下支柱、下承压板。
具有轻便、结构简单、价格实惠、可回收反复使用、可远距离拆除等特点。
上承压板：
尺寸：63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
上承压板主要用于增大支柱与顶板的接触面积，从而加大支柱承压重量。四个触角有利于加大支柱在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
下承压板：
下承压板尺寸与上承压板尺寸相同：
63型号的为175mm x 175mm;
48型号的为150mm x 150mm
下承压板主要用于增大支柱与底板的接触面积，从而加大支柱承压重量。中心的回环有利于加大支柱下承压板与下支柱的契合，加大在支护时的抓取力度，防止滑动，确保支柱持久支护和稳固。
上支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于下支柱，上支柱稍长。
下支柱：
由无缝钢管制造而成，钢管壁厚4mm。支柱有63和48两种型号，63和48指的是钢管的直径，直径越大，支柱的承重能力越大；直径越小，支柱承压能力越小。
相对于上支柱，下支柱稍短。
支柱常用的规格型号有：1.5米，1.8米，2.米，2.5米，3米，3.5米。
便携式螺旋支柱的含义：以1.5米为例，金属钢管直径有48和63两款，最高支撑高度为1.5米。该款支柱可支撑1-1.5米范围内的任意高度，其他以此类推。
钢管直径越大，支柱承重越大，可支撑高度越高；支柱高度越高，支柱承重越小。
螺杆：
支柱的螺杆由螺纹钢特制而成。
特制螺杆，尺寸为80厘米，安装在支柱上以后主要用来保证支护的升缩，一般升缩在50厘米之间。我们确认的型号为拉升后可支撑的高度，比喻63-3.5.就是这根支柱最高可支撑3.5米的高度，最低可支撑3米的高度，之间可以拧动螺杆拉升，可以支撑3-3.5米之间的任意高度。
在螺杆的中间有4个齿状设计，主要是方便员工使用时升缩方便。
乾坤矿装的这款便携式螺旋支柱，参数经过多次试验和客户使用数据验证的，正是因为这个原因，乾坤矿装的这款支柱不能超高度超承载能力使用，超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故；也正因为这个原因，本着客户至以上，一切从客户的利益出发的原则，乾坤矿装不提供定制和特殊规格的制作。为此，很多客户不理解，指责我们不满足客户需求。
其实，这款支柱自从研发十年来，我们的客户遍布全国各地，得到了客户的一致好评，虽然我们拒绝过不少的客户，但十年来，我们从没有因为质量和使用问题接到客户投诉，是一款轻便、简单、实用、实惠的好产品。
便携式螺旋支柱适用范围：
1、所有采场风爆工、出渣工、支护工作业时；
2、顶板破碎、倒三角节理发育、岩石不稳固的掘进工程作业时；
3、巷道破碎进行永久支护前。
便携式螺旋支柱使用方法和要求：
1、作业人员经过通风 、洒水、处理完松石后方可进行螺旋支柱支护；对上盘不稳固的采场要用锚杆和螺旋支柱结合支护。
2、支护时首先要根据矿体倾角或岩石破碎情况选择好支柱使用地点，在支柱的上下端均垫加长度适宜的木板，沿进入作业面的方向向前逐根支护，调整支柱顶住顶底板，用套管将丝杠拧紧确认无误后，方可进行作业。对当场用两根撬棍也无法撬下、需动炮处理的松石，对顶板破碎及上下盘围岩滑帮比较明显的采场，对上部有采空区的地点，必须进行加密支护。
3、便携式螺旋支柱支护时必须根据作业面的采幅宽度和顶板压力来确定使用支柱的数量，每个矿房不少于15根螺旋支柱。2米以上采幅采用双排支柱支护，1.5米以下的采幅采用单排支护，但不论是单排还是双排支柱支护，顶部都必须加承压板、木板等护住顶板，以加大接触面积。
4、便携式螺旋支柱不能超高度超承载能力使用（具体要求见附表），超高和超载使用将影响支柱的稳定性，甚至发生安全事故。
5、作业过程中，作业人员要经常检查丝杠松紧和顶板变化情况，及时将支柱拧紧，确保作业安全。
6、风爆工装药结束后，要按顺序由前向后依次拆卸支柱并清点数量；拆卸支柱时要及时观察顶板变化情况，发现异常立即停止拆卸，迅速撤离。
7、出渣工和支护工作业完毕后，须对丝杠重新紧固确认无误方可离开作业现场。撤下来的支柱须将螺母调至最低点，将丝杠置于套管内进行防护。
便携式螺旋支柱使用规定
1、无论作业现场的岩石结构是否存在危险，出渣工、风爆工在进行采矿或掘进作业时必须使用、支护工在顺路支护时必须使用、使用时必须按照上述方法规范支护。
2、把螺旋支柱的使用作为作业现场安全确认的重要内容，带班长或跟班领导必须在确认卡上填写支柱使用情况。
3、螺旋支柱要作为工具进行管理，要及时涂油防锈。使用时必须轻拿轻放，不得随意乱扔。
4、支柱外表出现损伤（如开裂、压扁、明显弯曲等）不能继续使用。
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