《关于加快煤矿智能化发展的指导意见》明确了煤矿智能化发展目标、主要任务以及保障措施等内容，提出要加强对核心基础零部件关键技术的研发。液压阀作为中国煤炭工业机械的核心零部件，是煤矿机械智能化发展的重要组成部分。随着煤矿开采技术向着大采高及超大采高方向发展，液压支架支护高度也不断增加，从2.1m到8.8m，再到目前最新的10m超大采高，支护强度和难度越来越大，不仅要求液压支架立柱千斤顶具备大流量过液能力，满足超大采高液压支架的快速降架、移架、升架，还要求减轻立柱千斤顶大流量过液时降低对阀的压力冲击和振动影响。
传统换向阀控制液控单向阀执行立柱升降的方式不能满足大采高支架的工作节奏，严重制约了采煤工作面的推进效率，还威胁着一线工人的生命安全。当液压支架立柱需要进行升降动作时，液压系统能否在短时间内快速稳定地开启、卸荷以及自身可靠性都直接影响着液压支架立柱的使用效率和工作面顶板的支护安全。针对以上问题，笔者研发实践了煤矿液压支架立柱快速供液系统。
文章来源：《智能矿山》2024年第2期理事会特刊“智能装备”专栏
作者简介：李福洪，高级工程师，现任巨隆集团芜湖兴隆液压有限公司董事长、《智能矿山》理事
作者单位：巨隆集团芜湖兴隆液压有限公司
引用格式：李福洪.液压支架立柱快速供液系统研发与应用[J].智能矿山，2024，5（2）：61-66.
关注微信公众号，了解更多矿山智能化建设进展
液压支架立柱快速供液系统（简称快速供液系统）主要由液压支架架间双进双回多通块、反冲洗过滤器、支架立柱液控换向阀、立柱液控单向阀、换向阀组等液压元件组成，能实现支架快速降架、移架、升架的动作要求。该系统可以有效地为液压支架提供稳定的高压液体，保证其正常运行。优化立柱瞬态伸缩时的流量−压力关系，能够降低液压支架动作时的背压，优化后的流量−压力关系能够提高综采工作面的支架推移速度。快速供液系统的泵站工作压力为31.5MPa，流量为1600L/min，可以缩短支架完成降架、移架、升架及辅助动作的时间，由原来的20~25s缩短到18~20s。快速供液系统的设计目的旨在提升支护系统的稳定性和工作效率，保证矿工安全，其工作原理如图1所示。
图1 快速供液系统工作原理
液压支架双进双回多通块中2个进液管分别接2个反冲洗过滤器，一个回液连接支架立柱液控换向阀，另一个回液连接换向阀组，水管连接喷雾系统，多通块主进水口为DN32，本架出水口为DN10，双主进液口为DN51G，本架出液口为DN25，双主回液口为DN65，本架回液口为DN32，主管道与上下邻架连接。每台液压支架配置的2个大流量反冲洗过滤器，一个反冲洗过滤器单独为立柱液控换向阀供液，另一个反冲洗过滤器为换向阀组供液，多通块与本架其他阀件管路布置如图2所示。
图2 多通块与本架其他阀件管路布置
煤矿液压支架反冲洗过滤器是一种特殊的过滤器，其安装在液压系统中，主要用于过滤和清洁液压支架的乳化液或纯水，一般分为手动和自动2种类型，反冲洗过滤器如图3所示。
图3 反冲洗过滤器
反冲洗过滤器的工作原理是利用滤芯的过滤功能，将液压系统工作液中的杂质和颗粒物过滤掉，保持工作液的清洁。根据结构特点的不同可分为手动或者自动反冲洗功能，通过反向冲洗滤芯，可将滤芯内部的杂质冲洗干净，从而恢复滤芯的过滤性能。大型液压支架液压系统通常设置为每架2件反冲洗过滤器，一件反冲洗过滤器连接换向阀组，另一件反冲洗过滤器连接立柱液控换向阀进液口。反冲洗过滤器的优点为可有效地保护液压支架的液压系统，防止杂质和颗粒物对液压元件造成磨损和堵塞。此外，反冲洗功能还可以延长滤芯的使用寿命，减少更换滤芯的频率，降低维护成本。煤矿液压支架反冲洗过滤器是液压系统中不可或缺的部分，对于保证液压支架的正常运行和延长使用寿命具有重要作用。
立柱液控换向阀通常在每个支架上配置1个，其主要作用是向液压支架立柱提供大流量的乳化液或纯水，以满足液压支架的高效运转和安全生产的需求。在煤矿液压系统中，大流量液控换向阀可以有效地提高液压系统的稳定性和可靠性，降低设备的故障率。煤炭企业可根据实际需求选择合适的额定流量，以确保液控换向阀能够满足设备运转需求。
笔者团队设计的液控换向阀具有金属密封结构，阀芯和阀座通过特殊处理后能有效提升耐久性能和抗污染能力，阀芯组件剖面如图4所示。阀芯组件采用插装式结构设计，螺套采用铜合金材质，能有效防止阀芯组件与阀体之间螺纹咬合，方便安装和维护，液控换向阀结构如图5所示。
图5 液控换向阀结构
每个液压支架立柱液控换向阀上有4个大流量阀芯，每个阀芯负责单独给每根立柱下腔供液，立柱回液时液体通过液控换向阀直接回到支架的主回液管路中；液控换向阀的进液口为DN25，回液口为DN32，立柱下腔供液口为DN20；液控换向阀具有大流量和高效率的特点，通常配套液压支架立柱、液控单向阀和换向阀使用，可以实现自动化操作远程控制立柱快速降、移、升，液控换向阀实景如图6所示。
图6 液控换向阀实景
液压支架立柱液控单向阀通过压力控制开启或关闭，其作用是保证液压支架在升起后不下降，在进液控制口开启时稳定降柱。立柱液控单向阀的特点包括：①采用大流量设计，流量达到1600L/min，提高了大采高支架使用性能；②采用优质合金材料和特殊热处理工艺制作阀芯和阀座，选用优质高性能弹簧并设定合理的弹簧往复运动空间，有效提高了使用寿命，50000次耐久性能试验后密封性能合格；③金属环线超硬密封结构不受污物阻隔（图7），抗污能力强；④结构优化减少零件数量，环节少易组装，加工累积误差小；⑤采用插装式一体维护结构（图8），方便维修保养，且具有同流量阀的互换功能。
图7 金属环线超硬密封结构阀芯组件半剖视
图8 插装式一体结构阀芯组件
液压支架立柱液控单向阀在煤矿液压支护设备中占有重要地位。立柱液控换向阀分配工作液到立柱的液体通过液控单向阀进入油缸，使之上升或下降。当需要升柱时，换向阀组控制立柱液控换向阀控开口，立柱液控换向阀工作液进入液控换向阀升柱进液口使立柱上升；当立柱液控换向阀控开口不进液时，液控单向阀保压；当需要降柱移架时，换向阀组控制液控单向阀降柱进液口，当控制液路有控制压力输入时，立柱上腔进液，活塞顶杆在压力液作用下移动，用顶杆顶开单向阀，立柱下腔液经立柱液控阀回液口DN32回主回路，液控单向阀安装实景如图9所示。
图9 液控单向阀安装实景
换向阀组主要用于改变工作介质的流动方向，从而控制液压执行元件的动作，具有较高的灵活性。国内多采用手动控制或者电液控制2种结构，笔者团队和煤炭科学技术研究院有限公司共同研发的煤矿用集手动和电液控于一体的多功能换向阀组，可方便实现手动或电液控2种控制方式的功能切换，所采用的分片式结构方便了加工和售后维修，维护成本低、可靠性高、适合更多场景的使用工况，手自一体换向阀组如图10所示。
图10 手自一体换向阀组
笔者团队从产品的安全性、稳定性、高寿命等煤炭企业关心问题入手，在结构设计、产品用材、配件选择、生产工艺等方面进行选择和创新，在充分调查和对比分析的基础上，组织技术人员分组试验，确定了整体设计方案、主要部件生产工艺路线和工艺参数，开发出符合国家安全标准认证要求的快速供液系统，该系统已在陕西煤业化工集团有限责任公司红柳林煤矿ZY17000/19/33D液压支架（图11）、柠条塔煤矿ZY21000/34.5/76D超大采高综采工作面液压支架等10余个主力工作面应用。近3~5年，快速供液系统带动主机装备实现了20亿元以上的销售额，支撑了超过2亿t的煤炭产能，创造经济效益超过12亿元。经煤炭企业实践证明，快速供液系统运行稳定可靠，平均节能超过29%，节能降耗效果显著，使用状况良好，满足设计要求。
图11 应用快速供液系统的ZY17000/19/33D液压支架
液压支架双进双回进回多通块、反冲洗过滤器、立柱液控换向阀、液控单向阀、换向阀组布置位置可根据支架选型设计匹配，实际布置位置以工程样机为准。随着液压支架快速供液系统在各大煤矿的批量使用，将有效地提高采煤生产效率，降低液压元件故障，对液压支架在综采工作面实现高产高效使用具有重要的现实意义。
责编 | 江振鹏
编辑丨李雅楠
审核丨赵瑞
