第四章 液压支护设备.doc

第九章 液压支护设备
第一节 概述
在回采与掘进工作面中，为了正常生产并保护工作面机器与人员的安全，要对顶板支撑和管理，以防止工作空间内的顶板垮落。目前使用较普遍、较先进的是液压支护设备。
液压支护设备是由液压元件（缸、阀和油管）与其他金属构件组成，并利用高压液体的压力与液体可压缩性极小的特性来支撑工作面顶板，以达到维护作业空间的一种装置。
回采工作面的液压支护设备主要包括单体液压支柱、滑移顶梁支架和液压支架等三大类。前两种用于普采工作面，液压支架用于综采工作面。
实践证明：液压支护设备（尤其液压支架）具有支撑能力大，支护性能好，架设移动速度快和安全可靠等优点。使用液压支护设备可提高采煤工作面的产量、回采率和工效；能大大地减轻工人的劳动强度，降低生产成本，实现安全生产。
一、 液压支架工作原理
根据采煤工艺对液压支架的要求，液压支架不仅要能够有效地支撑顶板，而且应能随着采煤工作面的推进向前移动。这就要求液压支架必须具备升、降、推、移四个基本动作。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，操纵阀可设在本架或邻架内，前者为本架操作，后者为邻架操作。液压支架工作原理如图9-1所示。
图9-1 液压支架工作原理
1-顶梁；2-立柱；3-底座；4-推移液压缸；5-安全阀；6-液控单向阀；7、8-操纵阀；9-输送机；10-乳化液泵

（一）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，从而立柱下腔的液体被封闭，这就是支架的初撑阶段。
2．承载
支架达到初撑力后，顶板随着时间的推移缓慢下沉从而使顶板作用于支架的压力不断增大，随着压力的增大，封闭在立柱下腔的液体压力也相应提高，呈现增阻状态。这一过程一直持续到立柱下腔压力达到安全阀动作压力为止，称之为增阻阶段。在增阻阶段由于立柱下腔的液体受压，其体积将减小以及立柱缸体弹性膨胀，支架要下降一段距离，把下降距离称为支架的弹性可缩值，下降的性质称为支架的弹性可缩性。
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（支架）卸载下降。
（二）支架推移
液压支架推移动作包括移支架和刮板输送机。根据支架型式的不同，移架和推溜方式不同，但其基本原理一样，都是通过推移液压缸的推、拉来完成的。图9-1为支架与刮板输送机互为支点的推移方式，移架和推溜共用一个推移液压缸，该液压缸的两端分别与支架底座和输送机连接。
1．移架
支架降架后，将操纵阀7放到移架位置，从泵站来的高压液经操纵阀7进入推移液压缸的活塞杆腔，活塞腔回液。此时，活塞杆受输送机制约不能运动，所以液压缸缸体便带动支架向前移动，实现移架，支架移到预定位置后将操纵阀手把放回零位。
2．推移输送机
需要移输送机时，支架支撑顶板，将操纵阀7放到推溜位置，高压液进人推移液压缸活塞腔，活塞杆腔回液，因缸体与支架连接不能运动，所以活塞杆在液压力的作用下伸出，推动输送机向煤壁移动，当输送机移到预定位置后，将操纵阀手把放回零位。
采煤机采煤过后，液压支架依照降架-移架-升架-推溜的次序动作，称为即时支护，其特点是顶板暴露时间短，梁端距较小。适用于各种顶板条件，是目前应用广泛的支护方式。如果液压支架依照推溜-降架-升架的次序动作，称为滞后支护，其特点是支护滞后时间长，梁端距大，支架顶梁较短。可用于稳定、完整的顶板条件。如果液压支架依照次序为采煤机采煤过后，支架伸出伸缩梁-推溜-降架-移架（同时缩回前伸梁）-升架，则称为复合支护，其特点是支护滞后时间短，但增加了反复支撑次数。可用于各种顶板条件，但支架操作次数增加，不能适应高产高效要求。
二、液压支架的组成
根据液压支架各部件的功能和作用，其组成可分为四部分：
（1）承载结构件，如顶梁、掩护梁、底座、连杆、尾梁等。其主要功能是承受和传递顶板和垮落岩石的载荷。
（2）液压缸，包括立柱和各类千斤顶。其主要功能是实现支架的各种动作，产生液压动力。
（3）控制元部件，包括液压系统操纵阀、单向阀、安全阀等各类阀，以及管路、液压、电控元件。其主要功能是操作控制支架各液压缸动作及保证所需的工作特性。
（4）辅助装置，如推移装置、护帮（或挑梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、防倒防滑装置、喷雾装置等。这些装置是为实现支架的某些动作或功能所必需的装置。
(一)承载结构件
1．顶梁
直接与顶板相接触承受顶板载荷的部件称为顶梁。支架通过顶梁实现支撑、控制顶板的功能。支架常用顶梁形式有3种：整体顶梁、铰接顶梁和楔形结构顶梁。铰接顶梁的前段称为前梁，后段为主梁，一般简称顶梁。
整体顶梁（图9-2）结构简单，可靠性好；顶梁对顶板载荷的平衡能力较强；前端支撑力较大，可设置全长侧护板，有利于提高顶板覆盖率，改善支护效果，减少架间漏矸。为改善接顶效果和补偿焊接变形，整体顶梁前端（800～1000mm）一般上翘1°～3°。
2．掩护梁
阻挡采空区垮落的矸石窜入工作面并承受采空区垮落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件称作掩护梁。掩护梁是掩护式支架和支撑掩护式支架的特征部件之一。当底板不平时，掩护梁还承受扭转载荷。掩护梁一般做成箱形整体结构，也有做成左、右对分结构的。
图9-2 整体顶梁
3．底座
直接与底板相接触，承受立柱传来的顶板压力并将其传递至底板的部件称底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。支架底座常用形式有3种，即整体刚性底座、底分式刚性底座和铰接分体底座，其中铰接分体底座已较少采用。
4．双纽线机构。
双纽线机构又称支架四连杆机构，是液压支架的掩护梁与底座之间用前、后连杆连接形成的四连杆机构。支架升降时，顶梁前端可沿双纽线移动，使梁端距变化较小。双纽线机构有两种结构型式，一种为前、后连杆都为单杆式；另一种是后连杆为整体铸钢件或焊接件，前连杆为左右分置的单杆铸钢件或焊接件，这样可增大支架的有效利用空间。
双纽线机构是液压支架的主要稳定机构，其主要作用是保证支架的纵向和横向稳定性，承受和传递外载，保持支架的整体刚度。因此，对液压支架的研究常常离不开对双纽线机构的研究和认识。
(二) 液压缸
液压缸包括立柱和各类千斤顶。
1．立柱
支撑在顶梁（或掩护梁）和底梁之间直接或间接承受顶板载荷、调整支护高度的液压缸称为立柱。立柱两端一般采用球面结合形式分别与顶梁和底座铰接。立柱是液压支架实现支撑和承载的主要部件，它直接影响支架的工作性能。液压支架的发展对立柱的长度、缸径、密封、型式等诸多方向提出了许多新的要求，立柱的主要型式有4种：单伸缩双作用支柱；单伸缩双作用带机械加长杆立柱；双伸缩双作用立柱；三伸缩双作用立柱。
2．千斤顶
液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶，依其功能分为前梁千斤顶、推移千斤顶、侧推千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶和复位千斤顶等。由于前梁千斤顶也承受由铰接前梁传递的部分顶板载荷，所以结构上与立柱基本相同，只是长度和行程较短。平衡千斤顶是掩护式支架独有的，其两端分别与掩护梁和顶梁铰接，主要用于改善顶梁的接顶状况，改变顶梁的载荷分布。当支架设置防倒、防滑装置时，还设有防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。
(三)控制元部件
液压支架的液压系统中所使用的控制元件主要有两大类：压力控制阀和方向控制阀。压力控制阀主要有安全阀，方向控制阀主要有液控单向阀、操纵阀等。
1．安全阀
安全阀是支架液压控制系统中限定液体压力的元件。它的作用是保证液压支架具有可缩性和恒阻性。立柱和千斤顶用的安全阀，可按照立柱和千斤顶的额定工作阻力调整开启压力。当立柱和千斤顶工作腔内的液体压力在外载荷作用下超过额定工作阻力，即超过安全阀的调定压力时，工作腔内的压力液可通过安全阀释放，达到卸压的目的。卸载后工作腔内的液体压力低于调定压力时，安全阀关闭。在此过程中，可使立柱和千斤顶保持恒定的工作阻力，避免立柱、千斤顶过载损坏。
2．液控单向阀
液控单向阀是支架的重要液压元件之一。它的作用是闭锁支柱、千斤顶的某一腔中的液体，使之承受外载产生的增加阻力，使立柱或千斤顶获得额定工作阻力。液控单向阀往往和安全阀组合在一起，组成控制阀。
3．操纵阀
在支架液压控制系统中用来使液压缸换向，实现支架各个动作的换向（分配）阀，习惯上称为操纵阀。操纵阀有转阀和滑阀两种类型。
(四)辅助装置
辅助装置包括推移装置、护帮（或挑梁）装置、伸缩梁（或插板）装置、活动侧护板、防倒防滑装置、喷雾装置等。
１．推移装置
推移装置是实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置，由推移杆、推移液压缸和连接头等主要零部件组成。推移液压缸一端与支架底座相连，另一端通过框架、连接头与刮板输送机相连。推移装置中推移杆是决定推移装置形式和性能的关键部件。推移杆的常用形式有正拉式短推移杆和倒拉式长推移杆两种：短推移杆和长推移杆。
2．侧护板
目前生产的掩护式支架和支撑掩护式支架都有较完善的侧护装置，不仅掩护梁两侧有侧护板，而且主梁或整体顶梁从前排立柱到顶梁后端的两侧也有侧护板。侧护板的作用是：消除相邻支架掩护梁和顶梁之间的架间间隙，防止垮落矸石进入支护空间；作为支架移架过程中的导向板；防止支架降架后倾倒；调整支架的间距。支架侧护板装置一般由侧护板、弹簧筒、侧推千斤顶、导向杆和连接销轴等组成。支架常用的活动侧护板形式有3种，即直角式单侧活动侧护板、直角式双侧可调活动侧护板和折页式单侧活动侧护板。
3．护帮装置
煤壁片帮和梁端冒顶是影响综采效率和工人安全的主要因素，特别是在破碎顶板、松软中厚及厚煤层条件下问题更为严重、护帮板是提高液压支架适应性的一种常用装置，其作用是：(1)护帮，即通过挑梁（护帮板）贴紧煤壁，向煤壁施加一个支撑力，防止片帮。一旦片帮，也可挡住片帮煤不进入人行道，并防止片帮继续扩大；(2)作临时前梁。在支架能及时支护的情况下，采煤机过后挑起挑梁可实现超前支护。当煤壁出现片帮时，挑梁可伸入煤壁线以内，临时维护顶板，避免引发冒顶。在支架滞后支护的情况下，利用挑梁可实现及时支护；(3)在厚煤层分层开采时，采上分层可利用挑梁挂网卷，采下分层可利用挑梁挑网兜。
护帮装置的主要类型有两类，一类是简单铰接式，另一类是四连杆式。
4．防滑防倒装置
防滑防倒装置是利用装设在支架上的防滑、防倒千斤顶在调架时产生一定的推力，以防支架下滑、倾倒，并进行架间调整。
第二节　　液压支架的架型
液压支架按其对顶板的支护方式和结构特点不同，分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三种基本架型。根据液压支架在工作面的位置分为工作面支架、过渡支架（排头支架）和端头支架。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。不同用途的支架，其结构也有所不同。
一、支撑式支架
支撑式支架的立柱支撑在顶梁上，没有掩护梁。支撑式支架按结构分为有垛式和节式两种。由于节式液压支架稳定性和防护性能差，用的比较少，趋向于淘汰。
垛式支架[图9-3（a）]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。大多数在主底座上布置四根立柱，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立柱缸体，同时允许缸体轴向微量串动。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生变形，使立柱对顶板的水平推力有一定抵抗能力。当降架后，立柱随橡胶或复位千斤顶作用而正位，保证立柱在升架时能以正常状态撑紧顶板。支架前移由推移液压缸实现。
图9-3 支撑式支架结构型式
节式支架[图9-3（b）]由两个以上机械连接的架节构成，并通过架节间互相交替移动实现前移。架节分主架和副架，由千斤顶和导向机构连接。主、副架互为支点依次前移，先行走的为主架，后行走的为副架。支架动作过程为：副架支撑顶板，主架降架，利用移架千斤顶以副架为支点通过导向机构导向将主架前移一个步距；然后主架支撑顶板，副架降架，以主架为支点沿导向方向将副架移进一个步距再支撑顶板，从而完成一个工作循环。
支撑式支架的结构特点是：顶梁较长，其长度多在4m左右；立柱多，一般4～6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窜入支架的工作空间内。
支撑式支架的支护性能是：支撑力大，且作用点在支架中后部，故切顶性能好；对顶板重复支撑的次数多，容易把本来完整的顶板压碎；抗水平载荷的能力差，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、顶板稳定的薄与中厚煤层。
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梁的液压支架。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和支顶掩护式支架两种。
支掩掩护式支架[图9-4(a)]立柱通过掩护梁对顶板进行间接支撑，支架的支撑效率低，顶梁短，控顶矩小；多数在顶梁和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成的“三角带”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；采用整体刚性底座；支架有插底和不插底两种形式。插底式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，是不稳定顶板和软底板工作面的主要架型。不插底式配用通用型输送机，底座前端对底板比压大，使用较少。
支顶掩护式支架[图9-4（b）]立柱支撑在顶梁上。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，作业空间和通风断面均大于支掩掩护式支架；顶梁和掩护梁侧面都装有活动侧护板，挡矸性能好；多数支架将平衡千斤顶设在顶梁与掩护梁之间，少数支架将平衡千斤顶设在底座与掩护梁之间；支架底座前端对底板比压较大；顶梁有分式铰接顶梁和整体刚性顶梁；底座有刚性底封式、刚性底开式和分式底座3种。
图9-4 掩护式支架结构型式
掩护式支架的结构特点是：有一个较宽的掩护梁以挡住采空区的矸石进人作业空间，其掩护梁的上端与顶梁饺接，下端通过前后连杆与底座连接。底座、前后连杆和掩护梁形成四连杆机构，以保持稳定的梁端距和承受水平推力。立柱的支撑力间接作用于顶梁或直接作用于顶梁上。掩护式支架的立柱较少，且为倾斜布置，以增加支架的调高范围，支架的两侧有活动侧护板，可以把架间密封。通常顶梁较短，一般为 3.0mm左右。
掩护式支架的支护性能是：支撑力较小，切顶性能差，但由于顶梁短，支撑力集中在靠近煤壁的顶板上,所以支护强度较大、且均匀，掩护性好，能承受较大的水平推力，对顶板反复支撑的次数少，能带压移架。但由于顶梁短，立柱倾斜布置，故作业空间和通风断面小。
掩护式支架的适用范围是：
1．直接顶
以不稳定和中等稳定的直接顶为主，也可用于稳定顶板。插底掩护式支架比较适用于不稳定顶板。
2．基本顶
以来压不明显的基本顶为主，也可用于基本顶来压强烈的顶板。
3．底板
插底式支架适用于松软底板，一般支顶支掩式支架也能较好地适用松软底板。
三、支撑掩护式支架
支撑掩护式液压支架是在支撑式和掩护式两种架型的基础上发展起来的，兼有这两种架型的主要技术特征。根据支架的结构特点支撑掩护式液压支架可分为支顶支撑掩护式和支顶支掩支撑掩护式两种。
支撑掩护式液压支架的适用范围是：
1．直接顶。以中等稳定（2类）以上顶板为主。
2．基本顶。主要适应来压明显（Ⅱ级以上），甚至来压极强烈（Ⅳ级）的基本顶。
3．对底板的适应性比较好。
4．通风断面大，适于高瓦斯矿井。
5．一般用于≤25°的工作面。采取防倒防滑措施后，可以扩大适用范围。
支顶支撑掩护式支架（图9-5）的两排立柱都支撑在顶梁上，按其立柱布置及架体结构型式的不同分为一般型Ⅴ型、ⅹ型、单摆杆型和短尾型等（图9-6）。
支顶支掩支撑掩护式支架（图9-7）的前排立柱支撑顶梁，后排立柱支撑掩护梁。支架结构单一，前排立柱向前倾，后排立柱向后倾且工作阻力多小于前排，工作中有时承受拉力，故活柱腔也用液压闭锁控制，柱头与柱底用直通销轴连接于掩护梁与底座之间（与千斤顶的连接方式相同）。顶粱与底座较支顶支撑掩护式的短，结构较紧凑，整体刚性好，支撑合力更靠近顶梁后部。底座前端比压小，便于移架和更适用于较软的底板。
图9-5 支顶支撑掩护式支架
1-护帮板；2-护帮千斤顶；3-前梁；4-顶梁；5-前梁千斤顶；6-立柱；7-顶梁侧护板；8-掩护梁侧护板；
9-掩护梁；10-前连杆；11-后连杆；12-底座；13-推移液压缸；14-推杆
图9-6 支顶支撑掩护式支架外型结构示意图
图9-7 支顶支掩支撑掩护式支架
1-前梁；2-护帮千斤顶；3-护帮板；4-顶梁；5-前梁千斤顶；6-前立柱；7-顶梁侧护板；
8-后立柱；9-掩护梁；10-前连杆；11-后连杆；12-底座；13-推移液压缸；14-推杆
支撑掩护式液压支架的主要特点是：顶梁长，有整体刚性和分体铰接两种；有些顶梁带外伸或内伸的伸缩梁。多数支架有双人行通道，通风断面大；支撑合力在顶梁后部，切顶能力强；底座为整体刚性结构件，有底封式和底开式两种；支架的立柱倾斜度小，支撑效率高，但调高范围较小。适应煤层厚度的变化能力不如掩护式液压支架；工作中前后排立柱受载经常不均，在同样煤层地质条件下要求其工作阻力和支护强度应高于掩护式液压支架；液压系统中的动力缸和控制元件多，操作较复杂，影响移架速度。
第三节 液压支架的控制
一、控制方式
按操纵阀与所控支架的相对位置可分为本架控制和邻架控制两种。本架控制就是用每一支架上所装备的操纵阀来控制其自身各个动作；邻架控制则是用每一支架上的操纵阀去控制与其相邻的下侧（或上、下两侧）支架的动作。前者的特点是系统的管路简单，安装容易；后者的特点是操作者位于固定支架架下进行操作控制，比较安全。
按控制原理分：有全流量控制和先导式控制两种。全流量控制是用全流量操纵阀，根据操作人员的要求，直接向液压缸工作腔输入压力液体，实现支架的各个动作；先导控制是通过先导阀将操作人员的要求变成压力指令，再由液控分流阀完成向液压缸工作腔供给压力液体的任务，实现各个动作。
按机械化程度分：有手动控制和电液自动控制两种方式。手动式是依靠操作人员直接操作操纵阀向相应的液压缸供液来完成支架的各动作；电液自动控制则是采用由微机控制的电液先导阀对主阀进行先导控制，再经配液板向各液压缸配液，实现要求的支架动作。
二、液压支架的电液自动控制
（一）系统的组成
液压支架的电液自动控制系统如图9-8所示
图9-8 液压支架电液自动控制系统构成示意图
1-电源；2-控制器供电电缆；3-中央控制器；4-支架控制器；5-分线盒；
6-压力传感器；7-电磁操纵阀；8-过架电缆；9-位移传感器；10-输电线
中央控制器3（又称主机）是一台微型计算机，主要用来协调、控制全工作面支架（或分机控制器）的工作秩序及状况的监测、显示和记录，或者向地面传输某些数据以及支架、采煤机的工作状况等。支架控制器4（又称分机控制器）也是一台微机，每架支架配备1台。它通过分线盒5直接与传感器6、9和电磁操纵阀7相连接，操作人员通过分机控制器发出各种控制命令。压力传感器6的作用是将有关部位的压力信号转换为电信号，再通过对电信号的测量则可得知压力信号的数值。位移传感器9的功能是将有关部件的位移量转换为电量参数，它分有直线位移传感器和角位移传感器两类。前者用于推溜、拉架、采高等位置的测量；后者用于对前梁及护帮板的伸出、收回状态的测量。
（二）系统工作原理
如图9-9所示，对单台支架而言，当中央控制器或支架控制器发出控制命令（即给出电信号）时，相应的电磁操纵阀打开，向所连接的液压缸供液，使得油缸动作，其工作状况由压力传感器和位移传感器提供给控制器，控制器再根据传感器提供的信号来决定电液阀的工作与否。
图9-9 电液自动控制系统工作原理方框图
就整个系统而言，所有各台支架控制器与中央控制器连成一个计算机网，通过该网，每台支架控制器与中央控制器形成一个有机的整体，选定其中每一台控制器作为控制台，都可以向任何一架支架发出控制命令，并能够将被控支架的工作状况正常与否反馈到发出命令的控制器上。需指出的是，一个系统所装支架控制器的多少，在设计系统时已经确定，不能随意增加。
第四节 单体液压支柱与滑移顶梁支架
一、单体液压支柱
(一) 单体液压支柱分类
单体液压支柱按供液方式和工作液不同分为外供液式（简称外注式）支柱和内供液式（简称内注式）支柱。按工作行程不同分为单伸缩（单行程）支柱和双伸缩（双行程）支柱；在不注明行程特征时，为单伸缩支柱。按使用材质不同，支柱分为钢质支柱和轻合金支柱等；在不注明材质特征时，为钢质支柱。
支柱型号标识方法：①②③④-⑤⑥／⑦⑧。符号含义：①——产品类型代号（D表示支柱）；②——第一特征代号（支柱按供液方式和工作液不同的分类，N表示内注式支柱，W表示外注式支柱）；③——第二特征代号（支柱按行程不同的分类，S表示双伸缩支柱；无字母表示单伸缩支柱）；④-⑤／⑥——主要参数代号（依次用支柱的最大高度、额定工作阻力和油缸内径3个参数表明，3个参数均用阿拉伯数字表示，参数之间分别用“－”和“／’符号隔开，最大高度的单位为drn，额定工作阻力的单位为kN，油缸内径的单位为mm）；⑦——补充特征代号（用于区分材质、结构等不同的产品，用汉语拼音大写字母表示，如Q表示轻合金）；⑧——修改序号（产品结构有重大修改时作识别之用，用带括号的大写英文字母（A）、（B）、（C）…依次表示）。
举例：DN18－250／80型支柱，表示最大高度为1.8m、额定工作阻力为250kN、油缸内径为80mm的内注式单体液压支柱。
(二) 单体液压支柱的优缺点
支柱呈单根状，和液压支架相比具有轻便、灵活、适应性强和初期投资少等特点，特别是当煤层沿走向断层多、厚度变化大或工作面走向长度短、搬家频繁时使用特点更为突出，但产量、效率、安全状况和机械化程度远不如液压支架。和摩擦支柱相比，具有操作简便、升柱速度快、初撑力大、工作阻力恒定、承载均匀、回收安全和顶板事故少等特点。价格和维修费用比摩擦支柱高。
二、工作原理与结构特征
(一)工作原理
内注式单体液压支柱和外注式单体液压支柱工作原理相似，分升柱与初撑、承载、卸载降柱等过程。
１．升柱与初撑
首先将注液枪插入支柱三用阀的注液孔中，然后操作注液枪手把，从乳化液泵站来的高压液体由供液管经注液枪和三用阀中的单向阀进入支柱下腔，活柱升起。当支柱撑紧顶板不再升高时，松开注液枪手把，拔出注液枪。这时支柱内腔的压力为泵站压力，支柱给予顶板的支撑力为初撑力。
2．承载
当顶板压力超过三用阀中安全阀限定的工作阻力时，安全阀打开，液体外溢，支柱内腔压力随之降低，支柱下缩。当支柱所受载荷低于额定工作阻力时，安全阀关闭，腔内液体停止外溢。上述现象在支柱支护过程中重复出现。因此，支柱的载荷始终保持在额定工作阻力左右。
3．卸载降柱
扳动三用阀的卸载手把，打开卸载阀，柱内的工作液体排出柱外，活柱自在重和复位弹簧的作用下缩回，完成卸载降柱过程。
(二)结构特征
1．活塞式单体液压支柱
（1）内注式单体液压支柱
内注式单体液压支柱的结构见图9-10，内注式单体液压支柱包括升柱、初撑、承载和回柱4个动作，其工作原理如下：
①升柱与初撑
立起支柱，通气阀2中钢球以自重通过阀杆，将橡胶阀芯打开，活柱8内A腔与大气相通；上、下摇动手把，通过曲柄滑块机构23、柱塞21带动液压泵活塞19沿中心管12上下往复运动。向上时，B腔产生负压，A腔内的油液在大气压力作用下进入B腔，完成一次吸油过程；当向下时，B腔的油液除少部分由间隙流回A腔外，绝大部分经过进油阀17．单向阀15压入工作腔C，使活柱升高。如此连续摇动手把，直到顶盖1接触顶板，完成升柱过程。
继续摇动手把，进入初撑阶段，C腔内压力很快升高，单向阀15不易打开，依靠第二级泵起主要作用，在液压泵活塞上升时，储油腔A内的液压油流入B腔，同时柱塞21的内腔空间20增大形成负压，经过进油阀17．环形槽16吸入油液。当柱塞21向下边运动时，B腔内的油液虽被一级泵活塞19压缩，经液压泵活塞19上的两个阻尼孔和泵活塞与活柱间的空隙，返回到储油腔A，以减轻操作阻力。同时，内腔空间20内的油液受到压缩，经环形槽16迫使进油阀17关闭，单向阀15打开，进入工作腔C内，使工作腔C内油压继续升高。如此不断反复摇动手把，可使支柱获得规定的初撑力，完成初撑过程。
图9-10 内注式单体液压支柱
1-顶盖；2-通气阀；3-螺钉；4-垫圈；5-方轴；6-凸轮；7-安全阀；8-活柱体；
9-滑块；10-卸载环；11-手把体；12-中心管；13-油缸体；14-支柱活塞；15-单向阀；
16-环形槽；17-进油阀；18-挡圈；19-液压泵活塞；20-内腔空间；21-柱塞；22-转圈；
23-曲柄滑块机构；24-孔；25-卸载阀垫；26-卸载阀弹簧；27-卸油孔

②承载。当顶板下沉，作用于支柱上的顶板压力逐渐增加，当支柱超过额定工作阻力时，C腔内高压油经中心管12向上进入安全阀7，使安全阀开启，油液由卸油孔27返回储油腔A，支柱C腔油压降低，安全阀在弹簧作用下关闭，使支柱进入恒阻工作状态，从而达到有效管理顶板的目的。
③卸载回柱。可根据回柱时顶板状况好坏，采用近距离或远距离方式回柱。卸载时，扳动卸载环10，通过方轴5和凸轮6，使安全阀7的阀套向左移动，卸载阀打开，C腔油液经孔24流回到储油腔A内，达到降柱目的。
（2）外注式单体液压支柱。外注式单体液压支柱结构见图 9-11，主要由顶盖 1、三用阀 2、活柱3、油缸4、复位弹簧5、活塞6、底座7等组成。外注式单体液压支柱工作原理与内注式单体液压支柱相似，分升柱与初撑、承载、卸载回柱等过程。
2．柱塞悬浮式单体液压支柱

图9-12 柱塞悬浮式单体液压支柱
1-铰接顶盖；2-密封盖组件；3-活柱；4-手把阀体；
5-油缸；6复位弹簧；7-底座；8-三用阀
图9-11 外注式单体液压支柱
1-顶盖；2-三用阀；3-活柱；4-缸体；
5-复位弹簧；6-活塞；7-底座；8-卸载手把；
9-注液枪；10-泵站供液管
柱塞悬浮式单体液压支柱结构见图 9-12。主要由油缸 5、活柱3、三用阀 8、手把阀体4、复位弹簧6、底座7、铰接顶盖1、密封盖组件2等零部件组成。
图9-13 三用阀
1-右阀体；2-注液阀体；3-钢球；4-卸载阀垫；5-卸载弹簧；6-连接螺杆；7-安全阀套；8-安全阀针；9-安全阀垫；
10-导向套；11-安全阀弹簧；12-调压螺钉；13-左阀体；14-卸载手把安装孔；15-过滤网；16-阀座
顶盖1是将矿山压力传递到支柱上的零件。并通过柱爪卡住顶梁，防止顶板来压时将支柱推倒。它通过弹性圆柱销与活柱3相连接。密封盖组件2上装有O形密封圈及挡圈，实现支柱上部的密封。活柱3是支柱上部承载杆件，可将顶板压力以液压形式传递给油缸、底座。其上装有导向环。手把阀体4通过连接钢丝与油缸5相连，它是支柱搬运、移动的抓手。其上装有防尘圈，避免活柱移动时煤尘进入支柱；还装有Y形密封圈、挡圈。油缸5是支柱下部的承载杆件。它通过连接钢丝和底座相连。复位弹簧6是在回柱时将活柱复位的拉伸弹簧。其上端挂在密封盖组件2下面的挂环上，其下端挂在底座7的挂环上。底座7将活柱承受的顶板压力传递给底板。底座中装有O形密封圈及挡圈，防止液体从底座和油缸之间泄漏。
柱塞悬浮式单体液压支柱的工作原理与活塞式单体液压支柱相同，分升柱与初撑、承载、卸载回柱。
图9-14 注液枪
1-注液管；2-锁紧套；3-枪体；4-挂钩；
5-螺钉；6-单向阀复位弹簧；7-阀芯；8-阀座；
9-密封圈和防挤圈；10-隔离套；11-顶杆；12-手把
三用阀结构如图 9-13所示，由单向阀、安全阀和卸载阀组装而成，分别承担支柱的注液升柱、过载保护和卸载降柱功能。单向阀由注液钢球3、小弹簧、尼龙阀座和阀体2等组成。安全阀为平面密封式，由安全阀针 8、安全阀垫9、阀座16、导向套10、安全阀弹簧11等组成。卸载阀主要由连接螺杆6、卸载阀垫4、卸载弹簧5等组成。卸载时，扳动卸载手把，安全阀套7右移，压缩卸载弹簧，使卸载阀垫与右阀体1内的台阶脱开，活柱内的高压液体从此间隙中排出，支柱下降。
注液枪是向支柱供液的工具，见图9-14。注液升柱柱柱时，将注液管1插入三用阀阀体中，并将锁紧套2卡在三用阀的形槽中。扳动手把12，顶杆11右移而打开单向阀，工作液体便经单向阀、注液管进入支柱。注液结束后，松开手把，单向阀关闭，顶杆复位，残存在单向阀和注液管的高压工作液体经顶杆11与密封圈和防挤圈9之间的间隙泄出柱外，注液枪才能取下。
3．放顶支柱
放顶支柱又称切顶支柱。用垮落法放顶时支设于采煤工作面与采空区交界线上专为放顶而安设的特种支柱。通常与摩擦支柱或单体液压支柱配合使用，可替代木垛、丛柱等特种支柱，起到支撑和切断顶板作用，其千斤顶可用于推溜移柱。
如图 9-14所示，切顶支柱主要由立柱 1、复位橡胶块 2、控制阀3、推移液压缸4、底座5、操纵阀6等组成。
图9-14 放顶支柱
1-立柱；2-复位橡胶块；3-控制阀；4-推移液压缸；5-底座；6-操纵阀；7-连接头；8-防滑筋
放顶支柱的工作原理是：
（1）升柱
升柱时，把操纵阀6的手柄扳到升柱位置，从泵站来的高压液体经控制阀3进入支柱的下腔，使立柱活柱升起支撑顶板。同时，立柱上腔的液体通过工作面总回液管回到泵站油箱。
（2）推移输送机
把操纵阀6的手柄板到移溜位置，高压液体即进入推移液压缸4的活塞腔，使千斤顶的活塞杆伸出，推动输送机前移。同时，活塞杆腔内的液体经总回液管到油箱。
（3）降柱
把操作阀手柄扳到降柱位置，高压液体即在进入立柱上腔的同时，打开控制阀3中的液控单向阀，使立柱活柱回缩。
（4）立柱前移
降柱后把操纵阀手柄扳至移柱位置，高压液体即进入推移液压缸活塞杆腔，使活塞回缩，支柱即以输送机为支点被拉前移。放顶支柱的特点是：①放顶支柱初撑力大，工作阻力通常为单体液压支柱的3倍以上，为摩擦支柱的6倍以上；②放顶效果好，能有效地管理顶板，消除采空区悬顶对工作面的威胁；③工作面放顶和输送机移动实现机械化，减少放顶事故；④立柱为带液控单向阀的单伸缩或双伸缩液压缸，有的活柱带有机械加长杆以增大工作行程；⑤立柱带有大顶盖、大底座，对顶底板比压小。
三、滑移顶梁支架
滑移顶梁支架是介于单体液压支柱与液压支架之间的一种支架。最初用它来代替单体液压支柱和铰接顶梁，以减轻工人搬移支柱和顶梁的劳动，提高架设效率，减少支柱丢失。后来为了简化操作，避免大量乳化液流失，将滑移支架的操作由注液枪控制改为操纵阀集中控制。各种型式滑移顶梁支架的结构基本相似，主要由可滑移的顶梁、悬吊在梁下的液压支柱以及移架机构等组成。
滑移顶梁支架以液压为动力，前后顶梁互为导向而前移。滑移顶梁支架结构简单，重量轻，价格低。但在破碎顶板条件下支护效果差，操作复杂，移架慢，易倒架，损坏率高，安全性差。一般适用于缓倾斜、顶板完整和网下开采的薄或中厚煤层，也用于厚煤层网下放顶煤工作面。在端头支护中时有应用。我国多用于中小型煤矿的顶板支护。
图9-15 卸载式滑移顶梁支架
1-前顶梁；2-钢板；3-后顶梁；4-移架千斤顶；5-单体液压支柱；6-双向阀；7-摩擦支柱
滑移顶梁支架按结构特征分为单列滑移顶梁支架和并列滑移顶梁支架两种。单列伸缩滑移顶梁支架由前后两根梁或前、中、后三根梁组成。前后梁及中后梁之间均由弹簧钢板连接。前后梁的伸缩由装在梁体内的移架千斤顶来实现。根据需要，顶梁下面的液压支柱为1～3根。其控制方式，可用注液枪和卸载手把操纵，也可用组合操纵阀控制。并列滑移顶梁支架由两列平行顶梁和立柱组成。两个并列的顶梁之间有移架机构，可实现两个顶梁交替前移。根据需要，每根顶梁下面的立柱为2～3根。主要用组合操纵阀控制，也可用注液枪和卸载手把操纵。
滑移顶梁支架按支撑方式分为卸载式与半卸载式两种。卸载式滑移顶梁支架如图9-15所示，前梁和后梁可交替卸载滑移。滑移顶梁由箱体内装有推拉千斤顶的前梁和后梁组成，前、后梁之间用钢板连接，前梁可沿该钢板滑动。通过钢板，前、后梁可互相将对方悬起。立柱分别支撑在前梁与后梁下方。
支架的操作过程是：先将前梁卸载，此时后梁仍撑紧顶板并通过钢板将前梁连同其下方支柱悬吊起来，再利用推拉千斤顶将它向前滑移一个步距。待前梁下方支柱选好最佳支撑位置后进行升柱，使前梁撑紧顶板。然后，后梁卸载，在钢板作用下，后梁与下方支柱被悬吊起来并借助推拉千斤顶作用，滑移跟进一个步距。当下方悬吊支柱摆正位置后升柱，后梁撑紧顶板，支架完成一个工作循环。
半卸载式滑移顶梁支架如图9-16所示，在主滑移顶梁卸载时，尚有其他支护构件支撑或临时支撑顶板的滑移。半卸载式滑移顶梁支架的顶梁由前梁和后梁组成，在前梁和后梁上均有可滑动副梁，副梁上装有垫板和立柱。顶梁箱体中设有弹簧拉杆和推拉千斤顶。
图9-16 半卸载式滑移顶梁支架
1-挡矸板；2-主后梁；3-主前梁；4-拉杆；5-推拉千斤顶；6-副梁；7-立柱
支架的工作过程是：主前梁卸载，而前梁的副梁仍然支撑顶板，被悬吊的主前梁与立柱向前滑移一个步距。然后，升悬吊立柱，使主前梁支撑顶板。随后将前梁的副梁卸载，向前滑移一个步距后升柱，使副梁撑紧顶板。接着再使主后梁卸载，后梁上的副梁仍然支撑顶板，被悬吊的主后梁与立柱向前滑移跟进一个步距，然后升悬吊立柱使主后梁支撑顶板。最后将后梁的副梁卸载向前滑移一个步距后升柱，使副梁撑紧顶板，支架完成一次工作循环。半卸载式滑移顶梁支架类型较多，动作方式各异，但工作原理相似。
对滑移顶梁支架的基本要求是：
（1）有足够的支护强度，能有效地管理工作面或端头控顶区的顶板，保证工作面的安全。
（2）支架的结构应能保证工作面或工作面上、下出口有足够的行人、运料和通风空间。
（3）支架性能稳定可靠，能适应所在工作面的顶底板条件。
（4）支架有足够的初撑力，并能做到及时支护，以防止直接顶早期离层。
（5）移设迅速、方便，可靠。
（6）制造工艺简单，材料消耗少，成本低。
（7）维修容易。零部件损坏时，可在工作面更换。
（8）支架有足够的使用寿命。零部件的强度应能够经受工作面初次来压和周期来压的考验。
（9）支架能配合采煤机和刮板输送机实现机械化开采。
特殊要求是：
（1）单一长壁工作面用滑移顶梁支架，后部应当有挡矸装置，以防窜矸。
（2）放顶煤工作面用滑移顶梁支架，后部应有掩护梁，掩护梁和后柱之间应有足够的空间，以安设放煤用输送机。
（3）在底板松软的情况下，立柱底座面积应足够大，以防支柱扎底。
第五节 乳化液泵站
一、现状与发展趋势
液压支架和外注式单体液压支柱的工作液体是由乳化液泵站提供的。乳化液泵站由乳化液泵、乳化液箱和其他附属设备组成，并具有完善的控制和过滤系统。
随着高效高产综合机械化工作面大流量电液控制液压支架的发展，乳化液泵站也不断更新换代，总的趋势是增大主要性能参数，提高结构可靠性，采用微机自动监控新技术。
泵站工作压力普遍提高到40MPa以上，最大压力80MPa。流量一般为300L／min，最大达500L／min。电动机功率一般为150～250kw，最大达375kw。乳化液泵出现五柱塞式液压泵，流量脉动小。乳化液泵组传动系统使用了行星齿轮传动式斜齿轮传动。加装强迫润滑泵和冷却风扇。乳化液泵的柱塞采用实体陶瓷或柱体外表面喷涂陶瓷等高硬度、耐