[科普中國]-液壓支架

簡史

1954年英國裝備了第一個液壓支架工作面，當(dāng)時以英國和聯(lián)邦德國為代表的歐洲國家主要發(fā)展結(jié)構(gòu)簡單的支撐式支架，其重點(diǎn)分別為垛式和節(jié)式支架。直至70年代之前，支撐式支架一直 是世界上最主要的架型，但這種支架穩(wěn)定性和抗水平載荷能力差，只能用于中厚以下的緩傾斜煤層，支架損壞率高，而且擋矸封閉性差，無法適應(yīng)中等穩(wěn)定以下的頂板。從60年代起，蘇聯(lián)、匈牙利和法國等先后研制了掩護(hù)式支架。由于這種支架穩(wěn)定性和掩護(hù)擋矸性都較好，調(diào)高范圍大，所以逐漸發(fā)展推廣，早期大多為短頂梁插底式的支掩掩護(hù)式支架，雖可適應(yīng)松軟頂板條件，但支撐能力低，工作空間小，配套復(fù)雜，生產(chǎn)能力低。70年代中期，聯(lián)邦德國引進(jìn)并研制了掩護(hù)式和支 撐掩護(hù)式支架，并獨(dú)創(chuàng)了帶平衡千斤頂?shù)闹ы斞谧o(hù)式 支架，在架型和結(jié)構(gòu)上都取得重大突破，使這種支架不僅具備傳統(tǒng)掩護(hù)支架的基本優(yōu)點(diǎn)，同時大大提高了支撐能力，加大了工作空間和配套能力，而且支架的結(jié)構(gòu)和操作都比較簡單。支撐掩護(hù)式支架則吸收了支撐式和掩護(hù)式支架的基本特點(diǎn)，有很強(qiáng)的適應(yīng)性，因此從70年代末以后，支撐式支架逐漸被掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架淘汰。

中國自60年代起就開始研制液壓支架，70年代相繼研制成功了各種主要架型，80年代獲得大量推廣 應(yīng)用。至90年代初，中國煤礦液壓支架工作面的煤炭 總產(chǎn)量已達(dá)到1.5億t/a左右。

從80年代中期起，以美國和澳大利亞為代表，液壓支架主要向強(qiáng)力、可靠、快速和自動控制方向發(fā)展， 以滿足高產(chǎn)高效采煤的要求，為此大力發(fā)展和推廣電液自動控制技術(shù)，改善供液系統(tǒng)，提高支架的支撐能力和可靠性，簡化結(jié)構(gòu)和操作。其它一些國家又根據(jù)不同的生產(chǎn)地質(zhì)條件發(fā)展相適應(yīng)的優(yōu)化合理的架型，包括各種特種液壓支架，提高液壓支架的使用性能，擴(kuò)大適用范圍。1

分類按架型結(jié)構(gòu)與圍巖關(guān)系分：

1.掩護(hù)式

（1）支撐掩護(hù)式；（2）支頂掩護(hù)式。

2.支撐掩護(hù)式

（1）支頂支掩支撐掩護(hù)式；（2）支頂支撐掩護(hù)式。

3.支撐式

（1）節(jié)式支架；（2）垛式支架。

按適用煤層傾角分：1.一般工作面支架；2.大傾角支架。

按適用采高分：1.薄煤層支架；2.中厚煤層支架；3.大采高支架。

按適用采煤方法分：1.一次采全高支架；2.放頂煤支架：（1）低位放頂煤液壓支架；（2）中位放頂煤液壓支架；（3）高位放頂煤液壓支架。3.鋪網(wǎng)支架；4.充填支架。

按在工作面的位置分：1.工作面支架；2.過渡支架（排頭支架）；3.端頭支架。

按穩(wěn)定機(jī)構(gòu)分：1.四連桿機(jī)構(gòu)支架；2.單鉸點(diǎn)機(jī)構(gòu)支架；3.反四連桿機(jī)構(gòu)支架；4.單擺桿式支架；5.機(jī)械限位支架（橡膠限位、彈簧鋼板限位、千斤頂限位）。

按組合方式分：1.單架式支架；2.組合式支架。

按控制方式分：1.本架控制支架；2.鄰架控制支架；3.成組控制支架。

按控制原理分：1.液壓直接控制支架；2.液壓先導(dǎo)控制支架；3.電液控制支架。

除以上各種分類外，還有最新的超靜定液壓支架。

基本結(jié)構(gòu)液壓支架由液壓缸（立柱、千斤頂）、承 載結(jié)構(gòu)件（頂梁、掩護(hù)梁和底座等）、推移裝置、控制 系統(tǒng)和其它輔助裝置組成，如圖2所示。

立柱 支撐在底座和頂梁或掩護(hù)梁之間調(diào)節(jié)支架 高度并承載的液壓缸，要求有較高的抗壓抗彎強(qiáng)度和 密封性能。常見為雙作用式，有全液壓和液壓加機(jī)械調(diào) 整兩種伸縮方式。按液壓伸縮級的數(shù)量可分為單伸縮 和雙（多）伸縮式，后者伸縮量大，調(diào)整方便，但結(jié)構(gòu) 較復(fù)雜。機(jī)械調(diào)整多采用卡環(huán)加長桿 式，使用雖不如全液壓的方便，但結(jié)構(gòu) 簡單，維護(hù)容易。立柱主要由缸體、活 柱、導(dǎo)向套和密封件等組成，常用缸徑 φ140～φ320，工作壓力30～50MPa。缸 體采用強(qiáng)度高、延伸性好的無縫鋼管 制成。進(jìn)液方式多用結(jié)構(gòu)簡單的外進(jìn) 液式，進(jìn)回液口位于缸體上，必要時也 用內(nèi)進(jìn)液式，其進(jìn)回液接頭位于活柱 頭部。立柱上下端多用球面連接，可減 少偏載且便于轉(zhuǎn)動和拆裝。

千斤頂 是液壓支架上除立柱之 外用于完成推移、護(hù)幫和調(diào)架等功能 的其它液壓缸總稱。動作原理和結(jié)構(gòu) 型式與立柱類似，多為單伸縮雙作用 式。所承受載荷一般小于立柱，故缸徑 和壓力也較小，常見缸徑φ63～φ200。 兩端連接多為鉸接銷軸式。浮動活塞 千斤頂是一種特殊結(jié)構(gòu)形式，其活塞 可在活塞桿上滑動，主要用于推移千 斤頂。

頂梁 直接與頂板接觸，傳遞支 撐力并起護(hù)頂作用的承載構(gòu)件。不同 架型的頂梁有不同特點(diǎn)。按縱向連接 方式可分為整體式和分段鉸接式，前 者結(jié)構(gòu)簡單，端部支撐力大，操作方便，但過長時不利 于接頂和運(yùn)輸安裝。鉸接式頂梁接頂較好，便于安裝運(yùn) 輸，但前端支撐力小，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。鉸接式頂梁包括主 頂梁、前梁和后梁等。主頂梁又稱主梁，即立柱上方的 頂梁。前梁又稱前探梁，鉸接在主梁前方支護(hù)無立柱空 間頂板的構(gòu)件。伸縮梁裝在前梁或主梁內(nèi)可以向前滑 動伸出，臨時支護(hù)工作面新暴露頂板的構(gòu)件，可分為內(nèi) 伸式和外伸式。頂梁一般為箱形焊接結(jié)構(gòu)件，某些前探 梁采用彈簧鋼板。

底座 直接與底板接觸傳遞支撐力并用于支托立 柱和其它部件的承載構(gòu)件。常見結(jié)構(gòu)形式有整體式和 分體式。整體式分為底封和底開兩種；分體式分為左右 分體和前后分體兩種。整體式穩(wěn)定性好，其中底封式底 板比壓小，底開式則排矸性較好。分體式適應(yīng)底板變化 的能力較強(qiáng)，有利排矸，但穩(wěn)定性和適應(yīng)軟底板較差。 前后分體式只用于少數(shù)支撐式支架和端頭支架。

掩護(hù)梁 連接頂梁和底座（或連桿），承受支架水 平力和垮落頂板巖石壓力，防止采空區(qū)冒落矸石進(jìn)入 支架的構(gòu)件。它是掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架的主要結(jié) 構(gòu)部件，多為整體式箱形結(jié)構(gòu)。部分放頂煤支架的掩護(hù) 梁有放煤窗口。

雙紐線機(jī)構(gòu) 又稱支架四連桿機(jī)構(gòu)。由掩護(hù)梁、底 座和前、后連桿鉸接形成的穩(wěn)定機(jī)構(gòu)。廣泛用于掩護(hù)式 和支撐掩護(hù)式支架，個別也用于支撐式支架。支架升降 時頂梁上各點(diǎn)沿雙紐線軌跡移動，使梁端與煤壁之間 的端面距變化較小，同時可以承受頂板水平力，使立柱 無需復(fù)位裝置。個別支架采用單個連桿（即單擺桿），或 輔以液壓千斤頂。為了減小四連桿機(jī)構(gòu)的受力，更方便 地控制端面距，80年代德國開始采用液壓前連桿。

推移裝置 用于推移支架和輸送機(jī)的裝置。多數(shù) 支架的推移裝置連接于支架和輸送機(jī)之間，既能移架， 同時又能推輸送機(jī)； 少數(shù)則有獨(dú)立的移架裝置和推輸 送機(jī)裝置，如節(jié)式支架等。推移裝置多數(shù)布置在支架底 部，個別的布置在頂梁上，或者上下都有。按結(jié)構(gòu)形式 分為框架式、導(dǎo)向推桿式和直接作用式等?？蚣苁嚼?反向頂推原理使千斤頂較大的推力用于移架，而較小 的拉力用于推輸送機(jī)，滿足實(shí)際工況的不同要求。導(dǎo)向 推桿式常用浮動活塞千斤頂或差動原理來減小推力。 這兩種推移裝置都具有導(dǎo)向和抗彎作用。直接作用式 導(dǎo)向抗彎性能差，已漸趨淘汰。

活動側(cè)護(hù)板 布置在頂梁、掩護(hù)梁或連桿側(cè)面，起 擋矸和防倒調(diào)架等作用的輔助裝置，多由千斤頂、彈 簧、導(dǎo)向桿和結(jié)構(gòu)件等組成，可使支架在一定寬度范圍 內(nèi)伸縮。常見的有直角伸縮式和鉸接式，后者結(jié)構(gòu)簡單 但封閉性差，只能用于頂梁上，適合于穩(wěn)定頂板。直角 式結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，但封閉性好，適用范圍廣，使用普 遍。

護(hù)幫板 在支架前方頂住煤壁，防止片幫的板狀 構(gòu)件，用于易片幫的煤層，常見的有下垂式、單鉸上擺 式和四連桿上擺式等。用護(hù)幫千斤頂直接使護(hù)幫板擺 動，或者通過連桿機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)擺動。下垂式擺動量小，后 兩種形式擺動量較大，護(hù)幫可靠，必要時還可翻平護(hù)幫 板以支托頂板，其中又以連桿式的護(hù)幫力較大。厚煤層 支架護(hù)幫板還可用伸縮或鉸接方式伸長。

防倒防滑裝置 用于防止支架傾倒和下滑的各種 輔助裝置。常見的防倒裝置有頂梁之間的調(diào)架裝置和 斜拉千斤頂裝置等。通常是在支架卸載期間進(jìn)行調(diào)整， 為此必須適應(yīng)降、移行程的要求。常見的防滑裝置有輸 送機(jī)防滑裝置、底調(diào)裝置、底座導(dǎo)向梁和排頭支架的兜 角防滑裝置等。

液壓支架控制系統(tǒng) 按控制方式分為液壓和電液 兩種；按動作方式又分為直接式和先導(dǎo)式。液壓直接控 制系統(tǒng)用手動操縱閥直接控制本架或鄰架的液壓缸， 實(shí)現(xiàn)支架的各種不同動作，又稱全流量控制。這種系統(tǒng) 結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，成本較低，但不便于鄰架控制， 是液壓支架的第一代控制系統(tǒng)。液壓先導(dǎo)控制系統(tǒng)又 稱半流量控制。通過小流量的先導(dǎo)閥和多芯管再經(jīng)主 控閥控制支架動作，這種系統(tǒng)操作容易，便于實(shí)現(xiàn)鄰架 控制和加快動作速度，是第二代控制系統(tǒng)。最新的電液控制系統(tǒng)則采用了微電子和計算機(jī)等技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)動作程序的自動控制，是液壓支架控制系統(tǒng)的主要發(fā)展方向。2

工作原理和技術(shù)特征支架由安設(shè)在巷道或硐室 的乳化液泵站供液。當(dāng)壓力乳化液通過控制系統(tǒng)進(jìn)入立柱后，支架就升起初撐頂板，隨著頂板下沉，支架對頂板的支撐阻力增高，由安全閥來限定立柱內(nèi)閉鎖液 體的壓力，實(shí)現(xiàn)恒阻支撐。移架時先降縮立柱，使支架 卸載和脫離頂板，然后動作推移千斤頂，以輸送機(jī)（或相鄰支架等）為支點(diǎn)實(shí)現(xiàn)移架，再以支撐的支架為支點(diǎn) 推移輸送機(jī)。支架還可通過各種千斤頂實(shí)現(xiàn)護(hù)幫、平 衡、調(diào)架等各種不同的輔助動作，從而配合采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)工作面落煤、支護(hù)和運(yùn)輸?shù)木C合機(jī)械化。 液壓支架在工作面按一定間距排列布置，多數(shù)為依次 順序移動，少數(shù)也采用分段或交替移動等方式。

支護(hù)方式 按照支架與配套設(shè)備之間相互動作的次序，支架對頂板的支護(hù)方式常見有即時和滯后兩種。 即時支護(hù)就是在采煤機(jī)割煤后立即移架，迅速支護(hù)新裸露的頂板，廣泛用于各種頂板條件。滯后支護(hù)就是在采煤后先推輸送機(jī)然后再移架，它對頂板的支護(hù)有較長的滯后時間，只能用于穩(wěn)定頂板。

支架工作阻力 支架正常工作時，對頂板的最大 支撐力，一般指垂直支撐力。支撐效率指垂直支撐力與 所有立柱工作阻力之和的比值支撐式支架的支撐效率 為1，掩護(hù)式和支撐掩護(hù)式支架一般小于1，其中支掩 掩護(hù)式支架的支撐效率最低，約為0.6～0.75。支架額 定工作阻力用立柱工作阻力之和表示，中國多為 2000～6000kN，最大達(dá)10000kN。

支護(hù)強(qiáng)度 支架對單位控頂面積頂板所提供的工作阻力。除支撐式支架外該值都隨支架高度而變化。它是根據(jù)頂板條件而確定的支架基本參數(shù)之一，中國多為0.4～0.8MPa。

支架高度 支架可以伸縮達(dá)到的最大與最小高度，前者指立柱處于完全伸出時，后者指立柱完全收縮 時，頂梁處于水平狀態(tài)下的支架高度。其比值稱支架伸縮比。其差值稱支架可縮量。支架高度的確定主要考慮 采高及其變化，以及頂板特性、開采方法、支架運(yùn)輸和 安全等因素。支架實(shí)際使用高度應(yīng)小于最大高度，大于最小高度。90年代初，液壓支架的最大高度已達(dá)6m， 最低達(dá)0.5m。支架伸縮范圍越大，其適應(yīng)煤層變化的能力越強(qiáng)，但也相應(yīng)增加了支架復(fù)雜程度和重量。

底板載荷集度 又稱底板比壓。支架底座對單位面積底板上所造成的壓力。比壓過大會使支架陷入底板，影響工作特性并造成移架困難。比壓峰值應(yīng)盡可能 避免在底座前端出現(xiàn)。

支架中心距 相鄰支架的中心間距。常與輸送機(jī)中部槽長匹配，多為1.5m，早期也有1.2m。為了減少工作面液壓元部件的數(shù)量，加快推進(jìn)速度，從90年代起已有加大的趨勢，如1.75m等。