国内外液压支架发展及未来趋势

国内外液压支架发展及未来趋势
摘要：本文阐述了国内外液压支架的发展历史及情况，并对今后我国液压支架
的发展趋势作了简要叙述。
关键词：液压支架；现状；发展趋势
一、引言
煤炭行业是我国能源的主要来源之一，也是国家经济的重要支柱，在新能源
大规模普及之前，煤炭是支持我国能源供应的最主要品种。随着科学技术的发展
及市场变化，行业同时也面临着历史性的挑战及机遇，由生产机械化向信息化、
智能化，已成为未来我国煤炭工业的发展方向。
液压支架是用来控制采煤工作面矿山压力的大型结构设备，采面矿压以外载
的形式作用在液压支架上，其结构主要由液压缸（立柱、千斤顶）、承载结构件、
推移装置、控制系统及其他的辅助系统组成，是煤矿井下支护系统的核心设备。
二、国外液压支架发展情况
英国在1954年装备了世界上第一个液压支架工作面，当时欧洲主要工业国
以发展结构简单的支撑式支架为目标，重点在于跺式支架与节式支架，直至70
年代前，支撑式支架仍作为最主要的架型广泛应用于世界，然而由于稳定性及抗
水平载荷能力差，该架型只能应用于缓倾斜煤层且故障损坏率高，同时挡矸封闭
性差，无法适应中等稳定以下的顶板。
60年代，苏联、匈牙利和法国等先后研制了掩护式支架，其中由苏联研制并
改进的OMKT型掩护式支架（具备四连杆机构），打开了液压支架发展的瓶颈，
由于掩护式支架具备良好的稳定性及掩护挡矸性，调高范围大，所以逐渐发展推
广。早期掩护式支架大多为短顶梁插底式的支掩掩护式支架，虽可以适应松软顶
板条件，但支撑能力较低，同时具有工作空间小、配套复杂、生产能力低等短板。
到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本优点，同时提高了支撑能力，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。同时在70年代中期，英国提出了液压支
架“电液控制”的概念，与此同时，澳大利亚科尔曼煤矿首次采用英国出产的74架
电液控制液压支架应用于生产工作面。1995年，该液压支架制造公司研制出全工
作面集中电液控制系统。现阶段的电液控制系统已发展至设备可视化集成控制阶
段。
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。
目前新式液压支架普遍配置电液控制阀,同时采用高强度焊接钢板作为承载结
构件基础材料,保证足够强度的同时,又具有良好的冷焊性能。为适应目前生产高
效化、安全化的发展需求,国外广泛采用高压大流量乳化液泵站,可实现工作面成
组或成排快速移架。
三、我国液压支架发展情况
60年代，我国开始研制液压支架，1964年由太原分院与郑州煤矿机械厂共
同设计自移支架，逐步开始了自主生产研制道路。70年代到80年代期间，我国
引进国外液压支架，经过试用、总结及不断摸索，研制了放顶煤液压支架，并成
功地在缓倾斜厚煤层和急倾斜厚煤层水平分层工作面试用，通过不断地吸取经验、
提升技术，我国科研人员在随后开发了多种具有不同功能用途的液压支架，然而
随着研制技术的提升，在支架使用技术方面，仍存在重量不足、效率较低、工作
阻力难以提升等突出问题。
90年代中期，我国液压支架研发制造进入了快速发展阶段，随着国内综采面
数量的不断增减，液压支架在使用性能及安全性能方面也有了大幅提升，近年随
着高端液压支架的不断开发及使用，特别是承载结构件的性能提升及电液控制技
术的不断成熟，我国液压支架将逐步向世界先进水平接近。
四、液压支架的发展趋势
随着现代煤矿发展，安全化、智能化、信息化将是液压支架未来发展的必然
趋势，尤其是控制系统、液压元件及结构件性能方面，将会是今后的发展重点。
1.液压支架电液控制
电液控制技术自国外推广成熟后发展迅速，是未来液压支架控制技术发展完
善的重要方向。
电液控制系统是将传统的人工控制操作变为由计算机程序控制的电子信号操
作，在液压支架不同位置的传感器将工作环境和不同状态的信号传输至计算机，
计算机根据实际情况对电液阀发出控制信号，从而达到控制工作面设备的目的。
系统可以通过压力传感器反馈信号或通过延长控制电磁先导阀的供电时间来实现
支架初撑力自保，保证额定初撑力，减少立柱增阻时间，提高支护效率，改善顶
板管理；同时采用电液控制系统在移架过程中，易于实现带压移架，可减少工作
面顶板对液压支架冲击载荷，保护顶板围岩稳定；最后电液控制系统可与采煤机、
刮板输送机自动控制系统配合联动，逐步实现全自动化综采工作面。
2.承载结构件加工工艺及性能
液压支架作为煤矿支护核心设备，要承受来自顶板岩层等各种复杂外部载荷，
其中承载结构件由钢板焊接完成，整体重量占液压支架总重量75%左右，因此，
要求支架使用板材具有高强度、高焊接性能的特点。我国液压支架发展初期主要
采用16Mn板材（320-350MPa），随着高端液压支架逐步国产化，开发了Q460、
Q550、Q690、Q800、Q890、Q960等系列高强度焊接钢板，其中Q690高强度钢
板已广泛使用与国产液压支架生产。然而，由于高强度钢板存在含碳量高、可焊
接性能薄弱、焊接工艺复杂、焊接残余应力难以消除等问题，虽可通过焊前预热
及焊后回火处理解决一些问题，但该工艺成本偏高，不利于提升效率，因此开发
高焊接性能钢板，在提升板材强度的同时，改善整体力学性能，同时改进优化焊
接工艺是未来液压支架承载结构件发展的必然趋势，也是满足高工作阻力液压支
架的重要保证。
3.液压支架设计优化
我国目前已具备液压支架设计能力，同时实现了三维模拟仿真系统设计，在
结构设计方面，可运用空间结构有限元分析及材料力学、强度原理等结合的方式，
不断改进优化整机部件的薄弱点，随着计算机有限元分析的快速普及发展，未来
液压支架设计将更为科学智能化，逐步满足大阻力、结构简单合理化的设计趋势。
液压支架架型设计方面，垛式与节式支架已逐渐淘汰，现阶段正在向高效、
实用、简单的方向发展，如两柱掩护式支架与四柱支撑掩护式支架已广泛应用，
同时特殊采煤工艺支架，尤其是放顶煤支架，该类型支架具备支撑稳定、放煤口
连续、背脊损失少、性价比高等特点，在我国发展尤其迅速，自1982年第一套
放顶煤支架试验以来，现阶段放顶煤工作面的势头进一步得到了发展。
随着我国科学技术的不断进步，液压支架在设计、制造水平方面将不断提高，
特别是在缓倾斜中厚煤层的液压支架方面积累了相当丰富的经验，架型已基本趋
于成熟、完善，在品种和质量方面与国际先进水平相比差距越来越小。然而在支
架整体可靠性、材料结构研究、控制系统及液压元件生产工艺方面，仍与世界先
进国家存在一定的差距。液压支架作为支护工作面的核心设备，是保证安全生产、
提升工作效率的基础，今后发展中，支架结构、整机可靠性能将进一步得到优化，
以适应未来大型综采工作面的发展趋势。
参考文献
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