李德军，张横云
（四川科技职工大学，四川 成都 610000）
摘 要 在充分考虑矿用单体螺旋支柱的性能的基础上, 介绍了矿用单体螺旋支柱的工作原理, 并从 实现过载保护发生器、星型摩擦离合器、初撑力产生装置、降柱机构、升柱操作机构的设计等方面入 手, 提出了相应的解决措施并研制出了相关产品。
关键词 摩擦离合器；单体螺旋支柱；关键技术问题
矿用单体螺旋支柱是一种井下支护设备，主要用 于煤矿回采工作面顶板的支护、煤矿综采工作面端头 支护和回采工作面巷道的超前支护。目前国内外主要 是采用单体液压支柱，单体液压支柱由油缸、活柱、阀 等零部件组成，以专用油或高含水液压液（乳化液）等 为工作液，供矿山支护使用。单体支护设备经历了三 次飞跃发展，分别是 60 年代研制使用的单体金属摩 擦支柱（现已基本淘汰），70 年代中期研制 80 年代推 广的活塞式单体液压支柱，90 年代末研制应用的 DWX 型柱塞悬浮式单体液压支柱。但由于单体液压 支柱本身机械结构原理的限制，虽然经过了几十年的 发展改进，但仍然存在如下的问题和不足：
（1）在单体液压支柱升柱的过程中，由于液压泵 站离工作面的距离较远，泵站提供的压力不够大，这 样使支柱的实际初撑力一般只有几十千牛，并且在升 柱的过程中如果顶板突然垮塌，支柱无法支撑顶板的 压力，这时就会造成顶板下操作人员的伤亡事故。
（2）单体液压支柱必须配合乳化液泵站，足够数 量的注液枪，三用阀，以及在井下布置足够长的乳化 液管道等辅助设备，这就造成了没有这些设备的地 方就无法使用单体液压支柱，并且要购买这些设备 需要花费高额的费用，安装和调试这些设备必须花 费一定的人力成本，所以单体液压支柱的使用范围 受到相应辅助设备的约束。
（3）单体液压支柱在井下使用一定时间后容易 出现乳化液渗漏等现象，造成工作阻力下降，支柱变 短，造成支柱的虚顶、脱顶，甚至支柱的意外倾倒等 事故。
（4）乳化液泵站周围要保持清洁，无杂物、无积 水、无浮煤，定期检查乳化液浓度才能保证其安全 性，单体液压支柱每次回收后要拿到专门的检测机 构进行压力检测才能使用，所以要花费一定的费用 和时间。
（5）在较长的工作面上，由于乳化液管道比较 长，管道内压力损耗较大，所以在注液枪口的压力不 足，就会产生初撑力小以及支柱的刚度弱，有些地方 的顶板下降后造成下面的空间变矮，由于单体液压支 柱的初撑力小，不能把顶板顶回原来的位置。这样就 会造成空间逐渐变小。
本文所研究的矿用单体螺旋支柱在保留了现有 单体液压支柱的优势基础上，从根本上克服了现有 支护设备的初撑力不够大、不能单独使用、在升柱时 达不到额定的工作阻力等不安全因素的缺点。我们 已经申请了专利（专利号：ZL201120384512.4）并且已 经研发出了产品。本产品有操作简单、安全性好、成 本低、加工容易等优点。矿用单体螺旋支柱的诞生从 根本原理上突破了现有支护设备结构的束缚，必将 推动煤矿顶板支护技术的大力发展，对国民经济和 煤矿安全具有不可估量的社会意义。
1 矿用单体螺旋支柱工作原理
1.1 矿用单体螺旋支柱分为以下五大子系统：
（1）升柱子系统。
（2）过载保护子系统。
（3）降柱子系统。
（4）初撑力产生子系统。
（5）防尘、防腐、防震子系统。
功能模块如图 1 所示：
图 1 矿用单体螺旋支柱功能模块
升柱子系统包括升柱传动机构和升柱操作机构 两部分，升柱传动机构的功能是在升柱操作机构的 作用下，使不自锁螺旋赋螺杆旋转，从而两端的螺母 向两边作轴向运动，实现支柱的快速上升，在上升的 过程中防止螺杆回转而导致支柱下降，所以此机构 采用一个超越离合器和有四个缺口的圆盘来实现， 圆盘中间的圆孔通过方键与超越离合器的外圆紧配 合，超越离合器的内孔与螺杆的中间部分通过方键 紧配合连接，升柱操作机构是一个方形的操作手柄， 此操作手柄插入圆盘的缺口内左右来回摇动，螺杆 朝一个方向旋转从而实现支柱的上升。
过载保护子系统的主要功能是当顶板压力过大， 超过支柱的额定载荷时，支柱要能够自动下降，当下 降一定距离后，顶板压力减小到支柱的额定载荷时， 支柱又能够正常工作，这样就避免在工作状态下顶板 压力增大后压坏支柱，造成顶板垮塌而发生人员伤亡 事故。过载保护子系统包括过载保护发生机构和过载 保护控制机构两部分，过载保护发生机构是由一套不 自锁正反螺旋赋机构组成。过载保护控制器的功能是 当顶板压力在额定载荷范围内，能够产生足够大的摩 擦力矩来克服不自锁螺杆的扭矩，当顶板压力超过额 定载荷时，又能够让螺杆旋转，支柱下降释放多余的 压力。为了实现上述功能，设计了星型摩擦离合器，该 离合器体积小，在较小的压力作用下能够产生非常大 的摩擦力矩。星型摩擦离合器结构原理已经申请国家 专利（专利号：ZL201220568381.2）。
降柱子系统的主要功能是完成拆柱时的快速降 柱和远距离降柱功能，包括降柱动力产生机构和降 柱操作机构两部分。降柱动力产生机构包括具有滑 动键槽的轴、平面涡卷弹簧以及轴承构成；降柱操作 机构也就是星型摩擦离合器的分离操作机构主要包 括偏心轮和相应的辅助配件。
初撑力产生子系统的主要功能是在人力的作用 下产生足够大的初撑力，包括初撑力产生机构和操 作机构两个部分，初撑力产生机构由一组锯齿形牙 自锁螺旋赋、平面轴承以及一组伞齿轮等部件构成。 操作机构是由带有单向棘轮的手柄构成。
防尘、防腐防震子系统是由一系列密封钢筒、密 封圈和表面电镀防腐处理来实现的。
1.2 工作特性曲线（见图 1）
2 关键技术问题及解决关键技术问题的对策
2.1 使用大螺距正反不自锁螺旋副机构来实现过载 保护发生器
（1）根据实际加工出来的螺纹表面，计算出刚好 不自锁的螺纹升角，此螺纹升角不能过大也不能过 小，过小了会造成有时候螺纹自锁，过载保护实效的 结果；过大了会造成在顶板压力的作用下，螺杆的扭 矩过大而控制器失效。根据无数次的试验，此螺纹升 角的计算我们已经有了比较准确的数学模型。
图 2 工作特性曲线
（2）由于是重载荷螺旋副，所以螺距比较大，这 就造成了加工工艺的技术难度比较大。特别是内螺 纹的加工，必须要使用专用的螺纹刀具。
（3）螺纹牙的选择计算，螺纹牙分为三角牙、梯 形牙、矩形牙、以及锯齿形牙等，本产品要求在螺纹 旋转过程中的摩擦力要最小以便操作，所以通过计 算，选用矩形牙。
（4）热处理难度比较大，因为螺杆的长度较长， 并且要求先加工后热处理，如果先热处理再加工，由 于硬度较高，加工难度进一步加大，几乎不可能实 现。所以只能先加工后进行真空淬火处理，这样就保 证了机械强度和尺寸要求。
2.2 星型摩擦离合器的设计与应用
（1）在离合器中设计和应用了星型结构的齿轮 省力机构。 当顶板以 200kN 的压力作用在支柱上时，螺杆中 间就会产生将近 1200N.m 的扭矩，通过计算在螺纹的 中径上就会有相当于 7t 多的力，如何能够控制住这么 大的扭矩，而且要求超过这个扭矩后螺杆要能旋转，小 于这个扭矩时，螺杆不能旋转。并且安装机构的空间很 小，只有直径为 104mm，高度为 70mm 的圆筒内，用现 有的各种离合器都不能解决此问题。所以通过多次设 计、计算和实验，在离合器中间采用了星型结构的齿轮 省力机构，螺杆通过方键与大齿轮连接，大齿轮的周围 啮合着呈星型排列了 16 个小齿轮，大小齿轮的直径比 6：1，这样小齿轮上的力就是大齿轮上的力的 1/96。这 样控制小齿轮上的力就容易得多了。
（2）多层带有花键的动摩擦圆片与带有圆孔的 静摩擦片的设计。 小齿轮上的力虽然只有大齿轮上的 1/96,因为大 齿轮上的力很大，所以小齿轮上的力也不是一个不 小的数据，要能控制住这个力，通过多次实验和计 算，在小齿轮一端设计了一定长度的花键轴，在花键轴上间隔穿有带有花键的动摩擦圆片和带有圆孔的 静摩擦片，两种摩擦片一共有 72 层。这样再在摩擦 片顶端加上施加压力的压板，使它们之间产生足够 大的摩擦力矩来控制小齿轮花键轴的旋转，从而控 制小齿轮和大齿轮的旋转。此机构可以调节压板的 压力来实现摩擦扭矩的大小。
（3）斜块和偏心轮机构实现离合器的分离与连 接操作。通过调节压板的压力来实现离合器摩擦扭 矩的大小，压板的压力调节机构设计又是一个难点。 通过计算，如果工作阻力为 200kN 的支柱，压板的压 力是 3000 多 N,如何来产生这么大的力量，并且空间 非常狭小。我们通过多次实验和计算，设计出了斜面 和偏心轮省力机构来实现此功能。
2.3 升柱操作机构的设计
升柱操作机构要求使用摇臂来实现，并且要升 柱时间比较短，为了达到此要求，我们通过在螺杆中 间设计一个超越离合器和周围有四个缺口的圆盘,用 一个手柄插在圆盘的缺口内, 左右来回摇动手柄,由 于圆盘与超越离合器的外圈紧配合连接,螺杆又不能 回转,在手柄来回摇动时,就实现了螺杆的一个方向 旋转,实现支柱的上升操作。
2.4 降柱机构的设计
在实际应用中支柱要实现在工作阻力条件下能 实现缓慢降柱和缓慢升柱，而且还要实现快速降柱 以便在顶板垮塌前把支柱拉出来，所以缓慢降柱是 采用初撑力产生装置来实现，快速降柱采用把离合 器压板分开，平面卷簧作为旋转动力来实现。
2.5 初撑力产生装置的设计
初撑力的大小是支柱的一个很重要的因素，并 且此机构操作要求不需要其他的辅助设备，这就需 要设计一种非常省力的机构，以便在人力大小为 180N 左右，杠杆长度为 600mm 时能产生 160kN 的 初撑力。通过计算和测试，采用自锁螺纹和伞齿轮的 省力机构来实现。
3 结束语
矿用单体螺旋支柱是与传统的单体液压支柱机 械原理完全不同的新型井下支护设备，矿用单体螺旋 支柱的初撑力非常大，可以达到工作阻力的 80%至 90%。防止直接顶板的早期下沉。矿用单体螺旋支柱 可以实现在保持额定工作阻力状态下缓慢上升和下 降，这样就大大增加了在升柱和缓慢降柱时操作人员 安全性，减少事故发生率。矿用单体螺旋支柱的快速 降柱的时间非常短，有利于安全拆柱回收重复使用。 避免了单体液压支柱在降柱回收时，因为降柱时间不 够短，经常会造成垮塌的顶板掩埋支柱，造成支柱损 坏或难以拉出来等问题。矿用单体螺旋支柱不再使用 液压泵站等辅助设备，所以从根本上解决了单体液压 支柱由于出现液体渗漏，工作阻力降低，支柱以外倾 倒而发生安全事故的问题。矿用单体螺旋支柱不使用 注液抢等辅助升柱设备，所以从根本上解决了由于注 液抢被煤炭堵塞，而使支柱无法上升的问题。下一步， 我们将对零件冗余部分进行优化处理，减小本产品体 积和重量。
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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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