支撑掩护式液压支架概述

1支撑掩护式液压支架概述

液压支架的用途

在采煤工作面的煤炭生产过程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证工人安全和各项作业正常进行，必须对顶板进行支护。而液压支架是一高压液体作为动力，由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。实践表明液压支架具有支护性能好、强度高、移架速度快、安全可靠等优点。液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成综合机械化采煤设备，它的应用对增加采煤工作面产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人的体力劳动和保证安全生产是不可缺少的有效措施。因此，液压支架是技术上先进、经济上合理、安全上可靠，是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设备。

液压支架的工作原理

液压支架的主要动作有升架、降架、推移输送机和移架。这些动作是利用乳化液泵站提供的高压液体，通过液压控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的液压管路都与工作面主管路并联，形成各自独立的液压系统，如图1－1所示，其中液控单向阀和安全阀设在架内，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。

1.2.1支架升降

支架的升降依靠立柱2的伸缩来实现，其工作过程如下：

1、初撑

操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱的上腔排液，于是活柱和顶梁升起，支撑顶板。当顶梁接触顶板，立柱下腔的压力达到泵站的工作压力后，操纵阀置于中位，液控单向阀6关闭，从而立柱下腔液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。

图1－1　液压支架工作原理

－顶梁；2－立柱；3－输送机；4－安全阀；5－液控单向阀

；6，7－操纵阀；8－乳化液泵；9－推移液压缸；10－底座

；11－后连杆；12－前连杆；13－掩护梁

2、承载

支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，顶板对支架的压力不断增加，立柱下腔被封闭的液体压力将随之迅速升高，液压支架受到弹性压缩，并由于立柱缸壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩张，这一过程就是支架的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力时，高压液体经

安全阀5泻出，立柱下缩，直至立柱下腔的液体压力小于安全阀的动作压力时，安全阀关闭，停止泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架对顶板的支撑力称为工作阻力，它是由支架安全阀的调定压力决定的。

3、卸载

当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱卸载下降。

图1－2　液压支架工作特性曲线

由以上分析可以看出，支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段，如图

1－2，即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段0t ，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段1t ，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段2t ，这就是液压支架的阻力－时间特性。它表明液压支架在低于额定工作阻力下工作时，具

有增阻性，以保证支架对顶板的有效支撑作用，在达到额定工作阻力时，具有恒阻性；为使支架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，即支架在保持恒定工作阻力下，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全阀来实现，因此安全阀、液控单向阀和立柱是保证支架性能的三个重要元件。

1.2.2 支架移动和推移输送机

支架和输送机的前移，由底座3上的推移液压缸4来完成。

需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移液压缸4的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁。

需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移活塞缸4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。

液压支架的分类

液压支架按结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。

1、支撑式支架

支撑式支架利用立柱与顶梁直接支撑和控制工作面的顶板。其特点是：立柱多，支撑力大，切顶性能好；顶梁长，通风断面大，适用于中等稳定以上的顶板。

支撑式支架有垛式和节式之分。

（1）节式

节式支架由2～4个框架组成，用导向机构互相联系，交替前进，

（2）垛式

整个支架为一整体结构，整体移动，通常有4～6根立柱，可以支撑坚硬与极坚硬的顶板。

2、掩护式支架

掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，利用掩护梁来防止岩石落入工作面。其特点是：立柱少，切顶能力弱；顶梁短，控顶距小；由前后连杆和底座铰接构成的四连杆机构使抗水平力的能力增强，立柱不受横向力；而且使板前端的运动轨迹为近似平行于煤壁的双纽线，梁端距变化小；架间通过侧护板密封，掩护性能好；调高范围大，适用于松散破碎的不稳定或中等稳定的顶板。

3、支撑掩护式支架

支撑掩护式支架具有支撑式的顶梁和掩护式的掩护梁，它兼有切顶性能和防护作用，适于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的顶板。

根据使用条件，支撑掩护式支架的前、后排立柱可前倾或后倾，倾角大小也可不同。前、后立柱交叉布置的支架适用于薄煤层。

液压支架的组成

液压支架由以下六个主要部分组成：

顶梁、底座、立柱、掩护梁、活动侧护板、推移机构、操纵控制系统1.4.1 顶梁

用途：

1、用于支撑维护控顶区的顶板；

2、承受顶板的压力；

3、．将顶板载荷通过立柱、掩护梁、前后连杆经底座传到底板。

要求：

1、顶梁应有足够的强度，即使在接触应力分布不均匀的情况下也不致被压坏；

2、顶梁应有足够的刚度，以承受扭力；

3、顶梁对顶板的覆盖率高；

4、顶梁能适应顶板的起伏变化。

1.4.2 底座

用途：

1、为支架的其他结构件和工作机构提供安设的基础；

2、与前后连杆和掩护梁一起组成四连杆机构；

3、将立柱和前后连杆传递的顶板压力传递给底板。

要求：

1、底座应有足够的强度和刚度；

2、底座对底板的起伏变化适应性好；

3、底座与底板的接触面积大，以减小底座对底板的接触比压，避免支架陷入底板；

4、底座应有足够的地方来安设立柱、推移装置以及液压控制装置；

5、底座要能把落入支架内的碎矸排弃到老塘中。

1.4.3 立柱

用途：

1、支撑顶梁，承受载荷的作用；

2、调节支架的高度，使支架的高度满足工作面的要求；

3、立柱设置有大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。

1.4.4 掩护梁

用途：

1．掩护梁承受顶梁部分载荷和掩护梁背部载荷并通过前后连杆传递给底座；

2．掩护梁承受对支架的水平作用力及偏载扭矩；

3．掩护梁和顶梁（包括活动侧护板）一起，构成了支架完善的支撑和掩护体，完善了支架的掩护和挡矸能力。

1.4.5 活动侧护板

用途：

1、消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止冒落的矸石进入支护空间；

2、作为支架移架过程中的导向板；

3、防止支架降落后倾倒；

4、调整支架的间距。

1.4.6 连杆

前后连杆是四连杆机构中重要的运动和承载部件，与掩护梁和底座的一部分共同组成四连杆机构，使支架能承受围岩载荷、水平作用力和保持稳定。其四连杆机构的作用：

1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双纽线，从而使用使支架前端头离煤距离大大减小，提高了管理顶板性能；

2、能承受较大的水平力。

1.4.7操纵控制系统

液压支架由不同数量的立柱和千斤顶组成，采用不同的操纵阀以实现升柱、降柱、移架、推溜等动作。虽然支架的液压缸（立柱和千斤顶）种类、数量很多，但其液压系统都是采用多执行元件的并联系统。

对于液压支架的操纵控制系统传动装置，应具有以下基本要求：采用结构比较简单，设备外形尺寸小，能远距离的传送大的能量；能承受较大载荷；没有复杂的传动机构；在爆炸危险和含尘的空气里保证安全工作；动作迅速；操作调节简单；过载及损坏保护简单。

容积式液压传动可最大限度的满足这些要求，因此，所有液压支架均采用这种传动。

液压支架的设计

1.5.1 设计目的

采用综合机械化采煤方法是大幅度增加煤炭产量、提高经济效益的必

由之路。为了满足对煤炭日益增长的需求，必须大量生产综合机械化采煤设备，迅速增加综合机械化采煤工作面（简称综采工作面）。而每个综采工作面平均需要安装150台液压支架，可见对液压支架的需求量是很大的。

由于不同采煤工作面的顶板条件、煤层厚度、煤层倾角、煤层的物理机械性质等的不同，对液压支架的要求也不同。为了有效地支护和控制顶板，必须设计出不同类型和不同结构尺寸液压支架。因此，液压支架的设计工作是很重要的。由于液压支架的类型很多，因此其设计工作量也是大的，由此可见，研制和开发新型液压支架是必不可少的一个环节。

1.5.2 对液压支架的基本要求

1．为了满足采煤工艺及地质条件的要求，液压支架要有足够的初撑力和工作阻力，以便有效的控制顶板，保证合理的下沉量。

2．液压支架要有足够的推溜力和移架力。推溜力一般为100KN左右；移架力按煤层厚度而定，薄煤层一般为100KN～150KN，中厚煤层一般为150KN～250KN，厚煤层一般为300KN～400KN。

3．防矸性能要好。

4．排矸性能要好。

5．要求液压支架能保证采煤工作面有足够的通风断面，从而保证人员呼吸、稀释有害气体等安全方面的要求。

6．为了操作和生产的需要，要有足够宽的人行道。

7．调高范围要大，照明和通讯方便。

8．支架的稳定性要好，底座最大比压要小于规定值。

9．要求支架有足够的刚度，能够承受一定的不均匀载荷。

10．在满足强度条件下，尽可能减轻支架的重量。

11．要易于拆卸，结构简单。

12．液压元件要可靠。

1.5.3 设计液压支架必需的基本参数

1．顶板条件

根据老顶和直接顶的分类，对支架进行选型。

2．最大和最小采高

根据最大和最小采高，确定支架的最大和最小高度，以及支架的支护强度。

3．瓦斯等级

根据瓦斯等级，按保安规程规定，验算通风断面。

4．底板岩性和小时涌水量

根据底板岩性和小时涌水量验算底板比压。

5．工作面煤壁条件

根据工作面煤壁条件，决定是否用护帮装置。

6．煤层倾角

根据煤层倾角，决定是够选用防滑防倒装置。

7．井筒罐笼尺寸

根据井筒罐笼尺寸，考虑支架的运输外形尺寸。

8．配套尺寸

根据配套尺寸及支护方式来计算顶梁长度。

1.5.4坚硬顶板的液压支架设计

坚硬顶板工作面顶板不易冒落，直接顶或基本顶悬顶时间长。一但冒落，瞬间顶板压力显著增大，支架立柱安全阀来不及释放，立柱可能遭破坏。因此，对坚硬顶板液压支架设计的要求是：

1、根据直接顶和基本顶的岩性、分类级别、截高及配套设备，确定支护强度和工作阻力，支架要有足够切顶能力。

2、应尽量减小掩护梁长度，增大掩护梁与水平夹角，减小掩护梁在水平线上的投影长度。如有的支架在低位状态时，掩护梁与垂线夹角仍有300左

右，相当于一般支架在高位状态时的掩护梁夹角。如果在工作高度时，掩护梁大部分都能被顶梁所遮盖是较为理想的。另外，掩护梁结构设计，除保证必要的强度和刚度之外，还要具有抗冲击能力。

3、支架掩护梁间的密封可严些，顶梁架间密封要求不十分严格，因为顶梁间漏矸的可能性较小。

4、支架立柱应设置大流量安全阀，以避免顶板冲击压力造成支架过载较大。为此，安全阀流量的选择应考虑立柱缸径、冲击载荷来压程度。对于有冲击载荷的顶板，如不采取顶板处理措施，立柱应安设置一大一小两个安全阀以确保支架的安全

5、考虑冲击载荷影响，支架结构件安全系数应提高，至少应比通常支架安全系数提高20%。

6、应考虑支架可能承受的水平方向冲击力。支架结构件设计时，摩擦系数取值应考虑f=时水平力对支架强度的影响。

液压支架的设计动向

21 世纪是以网络信息为代表高科技迅猛发展的新时期，也是是煤矿以高效集约化生产为特征的新时期，为了满足高产综采工作面生产发展的需要，就煤炭综采而言，国外主要产煤国家从未停止过依靠更大的技术投入取得采煤更高经济效益的努力。我们也必须抓紧研制和推广电液控制系统。液压支架实现自动控制后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行远程控制或程序控制。现在世界上已经有70 多个电液自动化控制工作面。工作面的技术设备又正在以迅猛之势向前发展。我们不能依赖老实进口，我们要自己研制，否则和我国产煤大国的地位也是极不相称的。

我国液压支架经过20 多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现过日产万吨、甚至班产超万吨的记录，但总体水平与世界先

进采煤国家仍存在一定差距。在支架架型功能上我国与国外相差无几，有些地方特别是特厚煤层用的放顶煤支架、铺网支架、两硬煤层的强力支架、端头支架还有独到之处，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，所用钢材一般为16Mn ，最好的屈服极限才700MPa，液压系统压力在35MPa以下，流量在200/min

L以内，供液管Φ25～Φ32mm，回液管Φ25～Φ50mm，最快移架速度10～12/s架 (井下实际应用有时在20s以上) ，工作阻力更是相对较低。

今后10 年，我国的液压支架将朝技术含量大、钢板强度高、移架速度快(6～8/s架) 和电液控制阀的方向发展，对有破碎带和断层的工作面将加大支架的移架力，尽量采用整体可靠推杆和抬底座机构，并减少千斤顶的数量。另外，将普遍采用额定压力为40MPa、额定流量为400/min

L的高压大流量乳化液泵站，以适应快速移架的需要；系统采用环形或双向供液，保证支架有足够的压力达到初撑力，保证支架接顶位置准确。ZY 两柱掩护式支架的比重将大大增加，缸径将增至Φ360mm，端头支架、轻放多用途支架将被广泛使用。所以，今后除应继续针对我国国情和煤层具体条件，开发一些新架型、新品种外，还应在改进支架控制系统和提高支架的工作可靠性方面下功夫。

作为一种回采工作面的支护设备，液压支架的架型、结构与相关参数，必须与回采工作面的顶、底板条件和煤层条件相适应，才能取得良好的支护效果。由于地下开采条件的复杂性和多样性，因此，尽管国内外对液压支架己经过了近半个世纪的研究和应用，出现了数十种不同的结构架型，但至今为止，也仅能在缓倾斜中厚以下煤层中获得了较为成功的应用，对于倾斜、急倾斜或厚煤层中的液压支架尚处在研究和试验阶段。即使对于缓倾斜中厚煤层的液压支架，其结构、性能与控制方式如何更适应不同的生产条件，仍需不断的改进和研究。目前，液压支架设计研究取得重要进展，主要在以下

方面：

1、设计理论和方法有了突破。煤炭科学研究总院北京开采研究所对支架力学持性进行了深入的研究，提出了液压支架三维力学模型的计算方法，克服了传统平面力系计算方法的缺陷，提出了液压支架总体结构参数优化设计方法，开发出液压支架设计计算通用软件系统，并广泛应用，使我国液压支架设计计算提高到一个新水平。

2、完成液压支架计算机模拟试验的研究。把有限元方法成功地用于液压支架的研究，建立了液压支架整体有限元模型，开发出SSTS液压支架模拟试验计算机仿真软件系统，大大提高了液压支架设计的可靠性，广泛应用于液压支架设计研究，达到国际先进水平，为我国液压支架打入国际市场发挥了重要作用。

3、技术规范和标淮化建设取得重要进展。我们已先后制定液压支架系列技术标准17项，成为国际上液压支架标准较完善的国家之一，促进了液压支架技术的发展。

4、计算机辅助设计(CAD)有了较大发展。开发了CAD工作站和微机CAD 系统，建成了较完整的液压支架数据库和通用件国库，并正在逐步实现支架设计CAD化。

5、液压支架控制系统有了重大进步。根据我国国情研制的全液压手动控制快速移架系统的广泛应用，使支架降、移、升速度大幅度提高，由过去的20～ 30/s架，提高到9～12/s架。

6、新架型研制成绩显著，架型结构进一步完善。新型高可靠性支架，反向四连杆高产高效低位放顶煤支架，适应中小煤矿的单一煤层开采用轻型支架和轻型单摆杆放顶煤支架均取得成功。

基于以上进展，液压支架的研究与发展方向是：

1、在己有支架设计与应用经验的基础上，研究支架的智能化设计方

法和结构与参数的优化，进一步提高支架设计的科学性、可靠性和结构性能的优化性。

2、 研究特殊煤层使用的液压支架，以适应不同的开采条件。

3、 研究新型元件与材质，以减轻支架重量，提高支架的性能和使用寿命。

4、 研究支架的遥控、程序控制和性能自动监测，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。

2 液压支架的结构设计

液压支架基本尺寸的确定

2.1.1 支架高度和伸缩比

支架高度的确定原则，应根据所采煤层的厚度，采区范围内地质条件的变化等因素来确定，其最大和最小高度为：

1max

max s h H +≥ mm

δ---≤a s h H 2

min

min mm

式中 max H —支架最大高度， mm ；

min H —支架最小高度 mm ；

m ax h —煤层最大高度， 4300max

=h mm ；

m in h —煤层最小高度， 2200min

=h mm ；

1s —考虑伪顶，煤皮冒落后，仍有可靠初撑力所需要的支撑力高度，一般最200～300mm ，取2001

=s mm ；

2s —顶板最大下沉量，一般100～200mm ，取1002

=s mm ；

a —移架时支架的最大可缩量，一般取50=a mm ； δ—浮矸石，浮煤厚度，一般取50=δ

mm ；

1max

max s h H +≥

3004200+=

4500= mm δ---≤a s h H 2

min min

50501002200

---=

2000= mm 支架伸缩比

25.12000

2000

4500min min max =-=-=

H H H k

一般7.0≤k

范围内采用单伸缩立柱，

所以应采用双伸缩立柱。 2.1.2 支架中心距

考虑液压支架配套使用SGB-764/264型刮板输送机，该刮板运输机溜槽每节长度为m ，因此，取中心距为m 。 2.1.3 支架的宽度

支架的宽度应考虑支架的运输，安装和调架要求，支架顶梁上装有活动侧护板，侧护板的行程一般为170～200mm ，取200mm .

支架的最小宽度，一般为1400～1430mm ，取1400mm ； 支架的最大宽度，一般为1570～1600mm ，取1600mm 。

支架整体机构尺寸确定

2.2.1底座长度

底座是将顶板压力传递到底板和稳定支架的作用。在设计支架底座的长度时，应考虑如下方面：支架对底板的接触比压要小；支架内部应有足够的空间用于安装立柱、液压控制装置、推移装置和其他辅助装置；便于人员操作和行走；保证支架的稳定性。

因此，取底座长度为2900 mm。

2.2.2确定四连杆机构和掩护梁长度

2.2.2.1四连杆机构的作用

1、通过四连杆机构，使支架顶梁端点的运动轨迹呈近似双曲线，从而使支架顶梁前端的端头离煤壁距离大大减小，提高了管理顶板的性能。

2、能承受较大的水平力。

2.2.2.2四连杆机构的几何特征

1、支架从最高高度降到最低高度时，如图2－1所示，顶梁端点运动轨

e mm，最好为30mm以下。

迹的最大宽度70

2、支架在最高位置时和最低位置时，顶梁与掩护梁的夹角P 和后连杆与底平面的夹角Q ，如图2－1所示，应满足以下要求：

支架在最高位置时，P≤52o ～62o ，Q≤75o ～85o ；支架在最低位置时，考虑矸石便于下滑，以防矸石停留在掩护梁上，根据物理学摩擦理论可知，tan P f >,如果按钢和矸石的摩擦系数为0.3f =,即：tan 0.3P =,求得

16.7o P =；为了安全可靠在最低工作位置时，应使25o P =为宜，而Q 角主要

考虑掩护梁底部距底板要有一定的距离，防止支架后部冒落的岩石卡住后连杆，使支架不能降下来，一般取25~30o o Q ≥。

3、由图2-1可知，掩护梁与顶梁铰点E’和瞬时中心O 之间的连线与水平线的夹角为Q ，设计时，要使tan 0.35θ≤范围内，主要原因是Q 角直接影响附加力Qy 的数值大小。

4、支架工作段要求曲线向前凸的一段，如图2－1所示的h 段，其原因

为当顶板来压时，立柱让压而下缩，使顶梁有前移的趋势防止岩石向后移动，又可以使作用在顶梁上的摩擦力指向老塘，同时底板阴止底座向后移；使整个支架产生顺时针转动的趋势，从而增加了前梁端部的支护力，防止顶梁前端顶板冒落又可以使底座前端比压减小，可防止啃底，有利移架，再则减少了水平力的合力，由于支架所承受的水平力由掩护梁来地克服，所以减轻

了掩护梁的受力。

O

图2－2　掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构

B D

A

C 从以上分析得知，为使支架受力合理和工作可靠，在设计四连杆机构的

曲线运动轨迹时，应尽量使支架的工作段要取曲线向前凸的一段，所以当已知掩护和后连杆的长度后，从这个观点出发，在设计时，只要把掩护梁和后连杆简化成曲柄滑块机构，进行作图计算就可以了，其掩护梁和后连杆构成的曲柄滑块机构如图2－2所示。

从图2－2可以看出，当掩护梁和后连杆已知，只要找到前连杆的长度和位置就可以了，其具体作法是顺时针转动后连杆，使支架最高位置时的E’点向下作近似直线运动，在掩护梁上定有一点在运动中有一段近似圆弧轨迹。只要找到这个圆弧轨迹的曲率半径和曲率中心，就可以找到前连杆的位置和长度了。从这个观点出发，只要按支架在工作段，支架由高到低，在掩护梁上前连杆上铰点所作的运动轨迹上，任找几点，把掩护梁上前连杆上铰点连线的垂直平分线所交的点为前连杆的下铰点，这样四连杆机构就可以确定了

2.2.2.3四连杆机构的几何作图法

首先用解析法确定掩护梁和后连杆的长度，如图2－3所示。

L—掩护梁长度；

1

L—后连杆长度；

2

L—E’点垂直线到后连杆下铰点之距；

1

h—支架最高位置时的计算高度；

145002504250

h=-=mm 2

h—支架最低位置时的计算高度；

220002501750

h=-=mm

图2－3　掩护梁和后连杆计算图

L2

P2

Q 2

h 2

h 1

P1

Q 1

L

L 1

A

A'

O

H F

E''

E'

从几何关系可以列出:

2111cos cos L Q L P L =- 22

12

cos cos L Q L P L =-

将以上两式联立解得：

1

2

121cos cos cos cos Q Q P P L

L --=

按四连杆机构的几何特征所要求的角度， 选定：o P 621

=；

o Q 821=； o P 252

=；

o Q 452

=。

2

1121cos cos cos cos Q Q P P L

L --=

o o o o 82cos 45cos 62cos 25cos --=

77.0=

支架在最高位置时的值为：

111

1sin sin Q L P L h +=

因此掩护梁的长度为：

1

11

1

sin sin Q L L P h L ??? ??+=

o o

82sin 77.062sin 4250

+=

2583= mm

取：2600L = mm 后连杆长度为：

L L L L ??? ??=11

260077.0?=

2002= mm

取：1

2000L = mm

前后连杆上铰点之间的距离L ’为：