[科普中国]-液压支架

简史

1954年英国装备了第一个液压支架工作面，当时以英国和联邦德国为代表的欧洲国家主要发展结构简单的支撑式支架，其重点分别为垛式和节式支架。直至70年代之前，支撑式支架一直 是世界上最主要的架型，但这种支架稳定性和抗水平载荷能力差，只能用于中厚以下的缓倾斜煤层，支架损坏率高，而且挡矸封闭性差，无法适应中等稳定以下的顶板。从60年代起，苏联、匈牙利和法国等先后研制了掩护式支架。由于这种支架稳定性和掩护挡矸性都较好，调高范围大，所以逐渐发展推广，早期大多为短顶梁插底式的支掩掩护式支架，虽可适应松软顶板条件，但支撑能力低，工作空间小，配套复杂，生产能力低。70年代中期，联邦德国引进并研制了掩护式和支 撑掩护式支架，并独创了带平衡千斤顶的支顶掩护式 支架，在架型和结构上都取得重大突破，使这种支架不仅具备传统掩护支架的基本优点，同时大大提高了支撑能力，加大了工作空间和配套能力，而且支架的结构和操作都比较简单。支撑掩护式支架则吸收了支撑式和掩护式支架的基本特点，有很强的适应性，因此从70年代末以后，支撑式支架逐渐被掩护式和支撑掩护式支架淘汰。

中国自60年代起就开始研制液压支架，70年代相继研制成功了各种主要架型，80年代获得大量推广 应用。至90年代初，中国煤矿液压支架工作面的煤炭 总产量已达到1.5亿t/a左右。

从80年代中期起，以美国和澳大利亚为代表，液压支架主要向强力、可靠、快速和自动控制方向发展， 以满足高产高效采煤的要求，为此大力发展和推广电液自动控制技术，改善供液系统，提高支架的支撑能力和可靠性，简化结构和操作。其它一些国家又根据不同的生产地质条件发展相适应的优化合理的架型，包括各种特种液压支架，提高液压支架的使用性能，扩大适用范围。1

分类按架型结构与围岩关系分：

1.掩护式

（1）支撑掩护式；（2）支顶掩护式。

2.支撑掩护式

（1）支顶支掩支撑掩护式；（2）支顶支撑掩护式。

3.支撑式

（1）节式支架；（2）垛式支架。

按适用煤层倾角分：1.一般工作面支架；2.大倾角支架。

按适用采高分：1.薄煤层支架；2.中厚煤层支架；3.大采高支架。

按适用采煤方法分：1.一次采全高支架；2.放顶煤支架：（1）低位放顶煤液压支架；（2）中位放顶煤液压支架；（3）高位放顶煤液压支架。3.铺网支架；4.充填支架。

按在工作面的位置分：1.工作面支架；2.过渡支架（排头支架）；3.端头支架。

按稳定机构分：1.四连杆机构支架；2.单铰点机构支架；3.反四连杆机构支架；4.单摆杆式支架；5.机械限位支架（橡胶限位、弹簧钢板限位、千斤顶限位）。

按组合方式分：1.单架式支架；2.组合式支架。

按控制方式分：1.本架控制支架；2.邻架控制支架；3.成组控制支架。

按控制原理分：1.液压直接控制支架；2.液压先导控制支架；3.电液控制支架。

除以上各种分类外，还有最新的超静定液压支架。

基本结构液压支架由液压缸（立柱、千斤顶）、承 载结构件（顶梁、掩护梁和底座等）、推移装置、控制 系统和其它辅助装置组成，如图2所示。

立柱 支撑在底座和顶梁或掩护梁之间调节支架 高度并承载的液压缸，要求有较高的抗压抗弯强度和 密封性能。常见为双作用式，有全液压和液压加机械调 整两种伸缩方式。按液压伸缩级的数量可分为单伸缩 和双（多）伸缩式，后者伸缩量大，调整方便，但结构 较复杂。机械调整多采用卡环加长杆 式，使用虽不如全液压的方便，但结构 简单，维护容易。立柱主要由缸体、活 柱、导向套和密封件等组成，常用缸径 φ140～φ320，工作压力30～50MPa。缸 体采用强度高、延伸性好的无缝钢管 制成。进液方式多用结构简单的外进 液式，进回液口位于缸体上，必要时也 用内进液式，其进回液接头位于活柱 头部。立柱上下端多用球面连接，可减 少偏载且便于转动和拆装。

千斤顶 是液压支架上除立柱之 外用于完成推移、护帮和调架等功能 的其它液压缸总称。动作原理和结构 型式与立柱类似，多为单伸缩双作用 式。所承受载荷一般小于立柱，故缸径 和压力也较小，常见缸径φ63～φ200。 两端连接多为铰接销轴式。浮动活塞 千斤顶是一种特殊结构形式，其活塞 可在活塞杆上滑动，主要用于推移千 斤顶。

顶梁 直接与顶板接触，传递支 撑力并起护顶作用的承载构件。不同 架型的顶梁有不同特点。按纵向连接 方式可分为整体式和分段铰接式，前 者结构简单，端部支撑力大，操作方便，但过长时不利 于接顶和运输安装。铰接式顶梁接顶较好，便于安装运 输，但前端支撑力小，结构较复杂。铰接式顶梁包括主 顶梁、前梁和后梁等。主顶梁又称主梁，即立柱上方的 顶梁。前梁又称前探梁，铰接在主梁前方支护无立柱空 间顶板的构件。伸缩梁装在前梁或主梁内可以向前滑 动伸出，临时支护工作面新暴露顶板的构件，可分为内 伸式和外伸式。顶梁一般为箱形焊接结构件，某些前探 梁采用弹簧钢板。

底座 直接与底板接触传递支撑力并用于支托立 柱和其它部件的承载构件。常见结构形式有整体式和 分体式。整体式分为底封和底开两种；分体式分为左右 分体和前后分体两种。整体式稳定性好，其中底封式底 板比压小，底开式则排矸性较好。分体式适应底板变化 的能力较强，有利排矸，但稳定性和适应软底板较差。 前后分体式只用于少数支撑式支架和端头支架。

掩护梁 连接顶梁和底座（或连杆），承受支架水 平力和垮落顶板岩石压力，防止采空区冒落矸石进入 支架的构件。它是掩护式和支撑掩护式支架的主要结 构部件，多为整体式箱形结构。部分放顶煤支架的掩护 梁有放煤窗口。

双纽线机构 又称支架四连杆机构。由掩护梁、底 座和前、后连杆铰接形成的稳定机构。广泛用于掩护式 和支撑掩护式支架，个别也用于支撑式支架。支架升降 时顶梁上各点沿双纽线轨迹移动，使梁端与煤壁之间 的端面距变化较小，同时可以承受顶板水平力，使立柱 无需复位装置。个别支架采用单个连杆（即单摆杆），或 辅以液压千斤顶。为了减小四连杆机构的受力，更方便 地控制端面距，80年代德国开始采用液压前连杆。

推移装置 用于推移支架和输送机的装置。多数 支架的推移装置连接于支架和输送机之间，既能移架， 同时又能推输送机； 少数则有独立的移架装置和推输 送机装置，如节式支架等。推移装置多数布置在支架底 部，个别的布置在顶梁上，或者上下都有。按结构形式 分为框架式、导向推杆式和直接作用式等。框架式利用 反向顶推原理使千斤顶较大的推力用于移架，而较小 的拉力用于推输送机，满足实际工况的不同要求。导向 推杆式常用浮动活塞千斤顶或差动原理来减小推力。 这两种推移装置都具有导向和抗弯作用。直接作用式 导向抗弯性能差，已渐趋淘汰。

活动侧护板 布置在顶梁、掩护梁或连杆侧面，起 挡矸和防倒调架等作用的辅助装置，多由千斤顶、弹 簧、导向杆和结构件等组成，可使支架在一定宽度范围 内伸缩。常见的有直角伸缩式和铰接式，后者结构简单 但封闭性差，只能用于顶梁上，适合于稳定顶板。直角 式结构较复杂，但封闭性好，适用范围广，使用普 遍。

护帮板 在支架前方顶住煤壁，防止片帮的板状 构件，用于易片帮的煤层，常见的有下垂式、单铰上摆 式和四连杆上摆式等。用护帮千斤顶直接使护帮板摆 动，或者通过连杆机构实现摆动。下垂式摆动量小，后 两种形式摆动量较大，护帮可靠，必要时还可翻平护帮 板以支托顶板，其中又以连杆式的护帮力较大。厚煤层 支架护帮板还可用伸缩或铰接方式伸长。

防倒防滑装置 用于防止支架倾倒和下滑的各种 辅助装置。常见的防倒装置有顶梁之间的调架装置和 斜拉千斤顶装置等。通常是在支架卸载期间进行调整， 为此必须适应降、移行程的要求。常见的防滑装置有输 送机防滑装置、底调装置、底座导向梁和排头支架的兜 角防滑装置等。

液压支架控制系统 按控制方式分为液压和电液 两种；按动作方式又分为直接式和先导式。液压直接控 制系统用手动操纵阀直接控制本架或邻架的液压缸， 实现支架的各种不同动作，又称全流量控制。这种系统 结构简单，维护方便，成本较低，但不便于邻架控制， 是液压支架的第一代控制系统。液压先导控制系统又 称半流量控制。通过小流量的先导阀和多芯管再经主 控阀控制支架动作，这种系统操作容易，便于实现邻架 控制和加快动作速度，是第二代控制系统。最新的电液控制系统则采用了微电子和计算机等技术，可以实现动作程序的自动控制，是液压支架控制系统的主要发展方向。2

工作原理和技术特征支架由安设在巷道或硐室 的乳化液泵站供液。当压力乳化液通过控制系统进入立柱后，支架就升起初撑顶板，随着顶板下沉，支架对顶板的支撑阻力增高，由安全阀来限定立柱内闭锁液 体的压力，实现恒阻支撑。移架时先降缩立柱，使支架 卸载和脱离顶板，然后动作推移千斤顶，以输送机（或相邻支架等）为支点实现移架，再以支撑的支架为支点 推移输送机。支架还可通过各种千斤顶实现护帮、平 衡、调架等各种不同的辅助动作，从而配合采煤机和刮板输送机实现工作面落煤、支护和运输的综合机械化。 液压支架在工作面按一定间距排列布置，多数为依次 顺序移动，少数也采用分段或交替移动等方式。

支护方式 按照支架与配套设备之间相互动作的次序，支架对顶板的支护方式常见有即时和滞后两种。 即时支护就是在采煤机割煤后立即移架，迅速支护新裸露的顶板，广泛用于各种顶板条件。滞后支护就是在采煤后先推输送机然后再移架，它对顶板的支护有较长的滞后时间，只能用于稳定顶板。

支架工作阻力 支架正常工作时，对顶板的最大 支撑力，一般指垂直支撑力。支撑效率指垂直支撑力与 所有立柱工作阻力之和的比值支撑式支架的支撑效率 为1，掩护式和支撑掩护式支架一般小于1，其中支掩 掩护式支架的支撑效率最低，约为0.6～0.75。支架额 定工作阻力用立柱工作阻力之和表示，中国多为 2000～6000kN，最大达10000kN。

支护强度 支架对单位控顶面积顶板所提供的工作阻力。除支撑式支架外该值都随支架高度而变化。它是根据顶板条件而确定的支架基本参数之一，中国多为0.4～0.8MPa。

支架高度 支架可以伸缩达到的最大与最小高度，前者指立柱处于完全伸出时，后者指立柱完全收缩 时，顶梁处于水平状态下的支架高度。其比值称支架伸缩比。其差值称支架可缩量。支架高度的确定主要考虑 采高及其变化，以及顶板特性、开采方法、支架运输和 安全等因素。支架实际使用高度应小于最大高度，大于最小高度。90年代初，液压支架的最大高度已达6m， 最低达0.5m。支架伸缩范围越大，其适应煤层变化的能力越强，但也相应增加了支架复杂程度和重量。

底板载荷集度 又称底板比压。支架底座对单位面积底板上所造成的压力。比压过大会使支架陷入底板，影响工作特性并造成移架困难。比压峰值应尽可能 避免在底座前端出现。

支架中心距 相邻支架的中心间距。常与输送机中部槽长匹配，多为1.5m，早期也有1.2m。为了减少工作面液压元部件的数量，加快推进速度，从90年代起已有加大的趋势，如1.75m等。