1、第二章第二章 液压支架工作原理和分类液压支架工作原理和分类第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理 液压支架以高压液体为动力，由液压缸、液压控制阀液压支架以高压液体为动力，由液压缸、液压控制阀与一些金属结构件组合而成的采煤工作面机械化支护设备。与一些金属结构件组合而成的采煤工作面机械化支护设备。它与滚筒采煤机它与滚筒采煤机(或刨煤机或刨煤机)、可弯曲刮板输送机、转载机、可弯曲刮板输送机、转载机及带式输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、及带式输送机等形成了一个有机的整体，实现了包括采、支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。支、运等主要工序的综合机械化采煤工艺。 液压支架的主要动作有
2、升架、降架、推移输送机和移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，通过液压控制系统控制不同功能的液压缸来完成的。每架支架的压控制系统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，其中液控单向阀和安全阀设在本架内，操纵阀可设在统，其中液控单向阀和安全阀设在本架内，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。本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。 一、支架升降一、支架升降 1. 初
3、撑初撑 操纵阀操纵阀8处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体，处于升柱位置，由泵站输送来的高压液体，经液控单向阀经液控单向阀6进入立柱的下腔，同时立柱上腔排液，于进入立柱的下腔，同时立柱上腔排液，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，液控单向阀单向阀6关闭，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架关闭，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。支架立柱在达到泵站额定压力时产生的工作的初撑阶段。支架立柱在达到泵站额定压力时产生的工作力之和
4、（忽略摩擦力）称为初撑力。力之和（忽略摩擦力）称为初撑力。 支架初撑力支架初撑力23cb104PD p n kN 第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理支架工作阻力支架工作阻力 23a104PD p nkN 2承载承载 支架初撑后，进入承载阶段。随着顶板的缓慢下沉，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，这一过程就是支架壁的弹性变形而使缸径产生弹性扩
5、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的增阻过程。当下腔液体的压力超过安全阀5的动作压力的动作压力时，高压液体经安全阀时，高压液体经安全阀5泄出，立柱下缩，直至立柱下腔泄出，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。泄液，从而使立柱工作阻力保持恒定，这就是恒阻过程。此时，支架立柱在其安全阀设定开启压力时时产生的工作此时，支架立柱在其安全阀设定开启压力时时产生的工作力之和（忽略摩擦力）称为工作阻力，它是由支架安全阀力之和（忽略摩擦力）称为工作阻力，
6、它是由支架安全阀的调定压力决定的。的调定压力决定的。第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理 3卸载卸载 当操纵阀当操纵阀8处于降架位置时，高压液体进入立柱的上处于降架位置时，高压液体进入立柱的上腔，同时打开液控单向阀腔，同时打开液控单向阀6，立柱下腔排液，于是立柱，立柱下腔排液，于是立柱(支支架架)卸载下降。卸载下降。 支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段。即：开始升支架工作时的支撑力变化可分为三个阶段。即：开始升柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段柱至单向阀关闭时的初撑增阻阶段t0，初撑后至安全阀开，初撑后至安全阀开启前的增阻阶段启前的增阻阶段t1，以及安全阀出现脉动卸载时的恒阻阶，以及安
7、全阀出现脉动卸载时的恒阻阶段段t2，这就是液压支架的阻力，这就是液压支架的阻力时间特性。时间特性。 第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理 液压支架的阻力液压支架的阻力时间特性表明液压支架在低于额定工时间特性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，支架在保持恒定架恒定在此最大支撑力，又具有可缩性，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工作阻力下
8、，能随顶板下沉而下缩。增阻性主要取决于液控单向阀和立柱的密封性能，恒阻性与可缩性主要由安全控单向阀和立柱的密封性能，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。能的三个重要元件。第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理 (二二)支架移动和推移输送机支架移动和推移输送机 支架和输送机的前移由底座支架和输送机的前移由底座3上的推移千斤顶上的推移千斤顶4完成。完成。 需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移千斤顶体进入推移千斤顶4的活塞
9、杆腔，活塞腔回液，以输送机的活塞杆腔，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。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，高压液体进入推需要推移输送机时，支架支撑顶板，高压液体进入推移千斤顶移千斤顶4的活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活的活塞腔，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。塞杆伸出，把输送机推向煤壁。第一节第一节 液压支架工作原理液压支架工作原理第二节第二节 液压支架分类液压支架分类 液压支架按架型结构及与围岩关系分为支撑式、掩护式液压支架按架型结构及与围岩关系分为支撑式、掩护式和支撑掩护式支架三种基本架型。和支撑
10、掩护式支架三种基本架型。 按适用采高分为薄煤层支架、中厚煤层支架、大采高支按适用采高分为薄煤层支架、中厚煤层支架、大采高支架和特大采高支架四类。架和特大采高支架四类。 按适用采煤方法分为一次采全高支架、放顶煤支架、铺按适用采煤方法分为一次采全高支架、放顶煤支架、铺网支架和充填支架。网支架和充填支架。 按在工作面中的位置分为基本支架、过渡支架、端头支按在工作面中的位置分为基本支架、过渡支架、端头支架和超前支架。架和超前支架。 按控制方式分为液压手动控制支架和电液控制支架。按控制方式分为液压手动控制支架和电液控制支架。 用于年产用于年产500万万t以上工作面或用户要求按高可靠性设计以上工作面或用户
11、要求按高可靠性设计的支架为的支架为A类支架，类支架，A类之外的其他支架及放顶煤工作面类之外的其他支架及放顶煤工作面支架为支架为B类支架。类支架。 液压支架型号主要由产品类型代号、第一特征代号和主液压支架型号主要由产品类型代号、第一特征代号和主参数组成。如果这样表示仍难以区分时，再增加第二特征参数组成。如果这样表示仍难以区分时，再增加第二特征代号、补充特征代号以至设计修改序号。代号、补充特征代号以至设计修改序号。 产品类型代号表明产品类别，用汉语拼音字母产品类型代号表明产品类别，用汉语拼音字母Z表示；表示；第一特征代号用于一般工作面支架时，表明支架的架型结第一特征代号用于一般工作面支架时，表明支
12、架的架型结构，用于特殊用途支架时，表明支架的特殊用途；主参数构，用于特殊用途支架时，表明支架的特殊用途；主参数代号依次用支架工作阻力、支架的最小高度和最大高度代号依次用支架工作阻力、支架的最小高度和最大高度3个参数，均用阿拉伯数字表示。参数与参数之间用个参数，均用阿拉伯数字表示。参数与参数之间用“/”符符号隔开。参数量纲分别为号隔开。参数量纲分别为kN和和dm。高度值出现小数时，。高度值出现小数时，最大高度舍去小数，最小高度四舍五入。最大高度舍去小数，最小高度四舍五入。 如果用产品类型代号、第一特征代号、第二特征代号、如果用产品类型代号、第一特征代号、第二特征代号、主参数代号仍难以区别或需强调
13、某些特征时，则用补充特主参数代号仍难以区别或需强调某些特征时，则用补充特征代号。补充特征代号进一步用支架的结构特点、主要部征代号。补充特征代号进一步用支架的结构特点、主要部件的结构特点或者支架控制方式来区分。一般根据需要可件的结构特点或者支架控制方式来区分。一般根据需要可设设12个，但力求简明，以能区别为限。个，但力求简明，以能区别为限。 一、支撑式支架一、支撑式支架 没有稳定机构，有横向复位装置，立柱支撑在顶梁和没有稳定机构，有横向复位装置，立柱支撑在顶梁和底座间并被限制摆动自由度的支架称为支撑式支架（垛式底座间并被限制摆动自由度的支架称为支撑式支架（垛式支架）。底座为箱式，内装复位机构，整
14、体前移。一般有支架）。底座为箱式，内装复位机构，整体前移。一般有两排或三排立柱，每排立柱有两根。大多数在底座上布置两排或三排立柱，每排立柱有两根。大多数在底座上布置四根立柱，构成一稳定的支撑垛。四根立柱，构成一稳定的支撑垛。 复位机构设置在底座箱中，通过橡胶或复位千斤顶扶定复位机构设置在底座箱中，通过橡胶或复位千斤顶扶定立柱缸体，同时允许缸体轴向微量窜动。当顶梁受到水平立柱缸体，同时允许缸体轴向微量窜动。当顶梁受到水平推力时，立柱出现倾斜，复位机构在立柱倾斜力作用下发推力时，立柱出现倾斜，复位机构在立柱倾斜力作用下发生变形，使立柱对顶板的水平推力有一定抵抗能力。当降生变形，使立柱对顶板的水平推
15、力有一定抵抗能力。当降架后，立柱随橡胶或复位千斤顶作用而正位，保证立柱在架后，立柱随橡胶或复位千斤顶作用而正位，保证立柱在升架时能以正常状态撑紧顶板。支架前移由推移千斤顶实升架时能以正常状态撑紧顶板。支架前移由推移千斤顶实现。现。 支撑式支架支撑式支架结构特点：结构特点： 顶梁较长；立柱多，一般顶梁较长；立柱多，一般46根，且垂直支撑；支架根，且垂直支撑；支架后部设复位装置和挡矸装置，以平衡水平推力和防止矸石后部设复位装置和挡矸装置，以平衡水平推力和防止矸石窜入支架的工作空间内。窜入支架的工作空间内。 支撑式支架支撑式支架支护性能：支护性能： 支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；支撑
16、力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗对顶板重复支撑次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工水平载荷能力差，稳定性差；护矸能力差，矸石易窜入工作空间；支架的工作空间和通风断面大。适应于缓倾斜、作空间；支架的工作空间和通风断面大。适应于缓倾斜、顶板稳定的薄与中厚煤层。顶板稳定的薄与中厚煤层。 二、掩护式支架二、掩护式支架 掩护式支架是以单排立柱为主要支撑部件并带有掩护掩护式支架是以单排立柱为主要支撑部件并带有掩护梁的液压支架。一般用于直接顶中等稳定以下，顶板周期梁的液压支架。一般用于直接顶中等稳定
17、以下，顶板周期来压不强烈的采煤工作面。来压不强烈的采煤工作面。 根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架分为支掩根据立柱布置和支架结构特点，掩护式支架分为支掩掩护式支架、支顶掩护式支架和支顶支掩掩护式支架三种。掩护式支架、支顶掩护式支架和支顶支掩掩护式支架三种。 支掩掩护式支架有四连杆稳定机构，两根立柱支撑在掩支掩掩护式支架有四连杆稳定机构，两根立柱支撑在掩护梁上，短顶梁与掩护梁铰接，有平衡千斤顶。分为插底护梁上，短顶梁与掩护梁铰接，有平衡千斤顶。分为插底式（底座插入刮板输送机中部槽下）支架和不插底式支架式（底座插入刮板输送机中部槽下）支架和不插底式支架两类。立柱通过掩护梁对顶板进行间接支撑，支
18、撑效率低，两类。立柱通过掩护梁对顶板进行间接支撑，支撑效率低，顶梁短，控顶距小；多数在顶梁与掩护梁之间设有平衡千顶梁短，控顶距小；多数在顶梁与掩护梁之间设有平衡千斤顶，少数支架只设机械限位装置；顶梁后部与掩护梁构斤顶，少数支架只设机械限位装置；顶梁后部与掩护梁构成的成的“三角带三角带”易卡进矸石，影响顶梁摆动，故一般在顶易卡进矸石，影响顶梁摆动，故一般在顶梁后端挂有挡板，作业空间狭窄，通风面积小；插底式支梁后端挂有挡板，作业空间狭窄，通风面积小；插底式支架配用专门的下部带托架的输送机，支架底座前部较长，架配用专门的下部带托架的输送机，支架底座前部较长，伸入输送机下部，对底板比压小，是不稳定顶板
19、和软底板伸入输送机下部，对底板比压小，是不稳定顶板和软底板工作面的主要架型。不插腿式支架配套通用型刮板输送机，工作面的主要架型。不插腿式支架配套通用型刮板输送机，底座前端对底板比压大。底座前端对底板比压大。 支顶掩护式支架有四连杆稳定机构，两根立柱支撑在支顶掩护式支架有四连杆稳定机构，两根立柱支撑在顶梁上，平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间的掩护式支架。顶梁上，平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间的掩护式支架。立柱经过顶梁直接对顶板进行支撑，支撑效率高，顶梁比立柱经过顶梁直接对顶板进行支撑，支撑效率高，顶梁比支掩掩护式支架长，顶梁后端与掩护梁铰接，作业空间和支掩掩护式支架长，顶梁后端与掩护梁铰接，作业空
20、间和通风断面均大于支掩掩护式支架；支架底座前端对底板比通风断面均大于支掩掩护式支架；支架底座前端对底板比压较大。压较大。 支顶支掩掩护式支架为有四连杆稳定机构，两根立柱支顶支掩掩护式支架为有四连杆稳定机构，两根立柱支撑在顶梁上，平衡千斤顶设在掩护梁与底座之间的掩护支撑在顶梁上，平衡千斤顶设在掩护梁与底座之间的掩护式支架。工作特点和支顶掩护式支架类似。式支架。工作特点和支顶掩护式支架类似。 掩护式支架掩护式支架主要特点：主要特点： 单排立柱支撑，加上平衡千斤顶的作用，支撑合力距离单排立柱支撑，加上平衡千斤顶的作用，支撑合力距离煤壁较近，可较为有效地防止端面顶板的早期离层和破坏；煤壁较近，可较为有
21、效地防止端面顶板的早期离层和破坏；平衡千斤顶可调节合力作用点的位置，增强了支架对难控平衡千斤顶可调节合力作用点的位置，增强了支架对难控顶板的适应性；顶梁相对较短，对顶板的反复支撑次数少，顶板的适应性；顶梁相对较短，对顶板的反复支撑次数少，减少了对直接顶板的破坏；顶梁和底座较短，便于运输、减少了对直接顶板的破坏；顶梁和底座较短，便于运输、安装和拆卸；质量较支撑掩护式支架轻，投资少，可降低安装和拆卸；质量较支撑掩护式支架轻，投资少，可降低投资投资5%10%；支架能经常给顶板以向煤壁方向的水平；支架能经常给顶板以向煤壁方向的水平支护力，有利于维护顶板的完整；底座前端对底板的比压支护力，有利于维护顶板
22、的完整；底座前端对底板的比压一般大于四柱支架，但是通过优化设计可以改善底座对底一般大于四柱支架，但是通过优化设计可以改善底座对底板的比压分布，适应板的比压分布，适应“三软三软”工作面，如果配备抬底结构，工作面，如果配备抬底结构，更有利于快速移架；支架动作简短，有利于快速移架和电更有利于快速移架；支架动作简短，有利于快速移架和电液系统配套；掩护式支架一般适用于破碎顶板及部分中等液系统配套；掩护式支架一般适用于破碎顶板及部分中等稳定顶板，且对煤层厚度变化较大的工作面适应性较强。稳定顶板，且对煤层厚度变化较大的工作面适应性较强。 三、支撑掩护式支架三、支撑掩护式支架 支撑掩护式支架主要有四连杆支撑掩
23、护式支架、伸缩支撑掩护式支架主要有四连杆支撑掩护式支架、伸缩杆式（直线型）支架、单摆杆式支架和单铰点式支架四种。杆式（直线型）支架、单摆杆式支架和单铰点式支架四种。四连杆支撑掩护式支架有四连杆稳定机构，四根立柱支撑四连杆支撑掩护式支架有四连杆稳定机构，四根立柱支撑在顶梁上，一般称为支撑掩护式支架。在顶梁上，一般称为支撑掩护式支架。 支撑掩护式液压支架支撑掩护式液压支架主要特点：主要特点： 有两排立柱，顶梁和底座都较长，通风断面大，但整架有两排立柱，顶梁和底座都较长，通风断面大，但整架运输不方便，采煤工作面的开切眼宽度要求较大；前、后运输不方便，采煤工作面的开切眼宽度要求较大；前、后立柱载荷往往
24、差别较大，四根立柱工作阻力很难共同发挥立柱载荷往往差别较大，四根立柱工作阻力很难共同发挥出来，立柱的实际支撑效率较低；支架的伸缩值较小，适出来，立柱的实际支撑效率较低；支架的伸缩值较小，适应煤层厚度的变化能力较小；支架的支撑合力距切顶线近，应煤层厚度的变化能力较小；支架的支撑合力距切顶线近，切顶能力强，适用于较稳定的顶板；立柱较多，支架升、切顶能力强，适用于较稳定的顶板；立柱较多，支架升、降速度慢；质量较大，造价较高。降速度慢；质量较大，造价较高。 比较掩护式支架和支撑掩护式支架，掩护式支架比较掩护式支架和支撑掩护式支架，掩护式支架优点：优点： 支护能力强，顶梁相对较短，支护面积小，在相同工作
25、支护能力强，顶梁相对较短，支护面积小，在相同工作阻力条件下支护强度高；采用整体顶梁，顶梁相对较短，阻力条件下支护强度高；采用整体顶梁，顶梁相对较短，结构简单可靠，顶梁前端支撑力大，有利于保持梁端顶板结构简单可靠，顶梁前端支撑力大，有利于保持梁端顶板的完整性，减少由于超前压力作用造成的片帮和冒顶；与的完整性，减少由于超前压力作用造成的片帮和冒顶；与围岩的相互作用关系合力。两柱受力均衡，支架的支撑能围岩的相互作用关系合力。两柱受力均衡，支架的支撑能力能充分发挥，避免了支撑掩护式支架前后排立柱受力不力能充分发挥，避免了支撑掩护式支架前后排立柱受力不均衡现象的产生；操作单排立柱，移架速度快；平衡千斤均
26、衡现象的产生；操作单排立柱，移架速度快；平衡千斤顶具有调节支架顶梁合力作用点的功能，对顶板的适应性顶具有调节支架顶梁合力作用点的功能，对顶板的适应性强；支架的稳定性优于支撑掩护式支架。支架的结构稳定强；支架的稳定性优于支撑掩护式支架。支架的结构稳定性是由四连杆机构性是由四连杆机构(支架的稳定机构支架的稳定机构)保证的，横向稳定性保证的，横向稳定性取决于四连杆机构参数和销孔间隙。由于掩护式支架尺寸取决于四连杆机构参数和销孔间隙。由于掩护式支架尺寸紧凑，因此稳定性优于支撑掩护式支架。支架的质量相对紧凑，因此稳定性优于支撑掩护式支架。支架的质量相对较轻。较轻。 液压支架架型的发展趋势是高工作阻力、高
27、可靠性的掩液压支架架型的发展趋势是高工作阻力、高可靠性的掩护式液压支架。一些传统上采用支撑掩护式支架的矿区也护式液压支架。一些传统上采用支撑掩护式支架的矿区也已大量采用掩护式支架。新设计和生产的掩护式支架已经已大量采用掩护式支架。新设计和生产的掩护式支架已经克服了早期同类支架的缺陷，主要表现在以下几方面：克服了早期同类支架的缺陷，主要表现在以下几方面： （1）通过参数优化，克服了平衡千斤顶的局限性，避）通过参数优化，克服了平衡千斤顶的局限性，避免支架出现免支架出现“高射炮高射炮”现象。现象。 （2）通过增大工作阻力，提高支架支护能力和切顶能）通过增大工作阻力，提高支架支护能力和切顶能力，能适应坚硬顶板。力，能适应坚硬顶板。 （3）采用抬底座装置，克服支架易扎底问题，实现顺）采用抬底座装置，克服支架易扎底问题，实现顺利移架。利移架。 （4）如果采用电液控制系统，则对平衡千斤顶的控制）如果采用电液控制系统，则对平衡千斤顶的控制更有利。更有利。
