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太原理工大学硕士研究生学位论文 智能高端乳化液泵站控制系统的研究 摘要 为了大幅度提高井工采煤的工作效率，近年来，综采工作面采煤机工 作牵引速度从传统的4 - 6 m m i n 提高到了每分钟十几米甚至2 0 m m i n 以上， 对于如此高的工作牵引速度，与其配套的设备，液压支架的推进( 或跟进) 速度必须相应提高，才能充分发挥采煤机的工作能力。液压支架跟进速度 的提高实质上是实现在相同时间内运行多台支架，这就需要液压支架的供 液设备具备大流量供液的能力。 乳化液泵站作为液压支架的供液设备，目前，国内普遍采用一台泵供 液，一台泵备用；对于高速采煤机则通过采用大流量泵供液的方式来满足 液压支架的快速跟进；而对泵的启停和加载卸载完全依靠人工经验式控 制。虽然大流量泵能提供液压支架快速跟迸时所需流量，但是由于井下的 特殊环境，大流量泵存在占地面积大和防爆困难等问题，因此很难在煤矿 井下开展工作；另外，由于没有监测系统，很容易出现各种故障，不能为 支架提供良好的供液环境。 经过课题组的艰苦工作和多方调研，在充分研究大量国内外有关文献 资料的基础上，制定了多泵系统在线检测和自动控制初步方案，经过业内 多名专家的广泛论证，最终确定了“智能型多泵乳化液泵站控制系统”的 实施方案。我们设计了“智能高端乳化液泵站控制系统”。在泵站中采用四 太原理工大学硕士研究生学位论文 台乳化液泵供液代替现在普遍采用的大流量单泵或双泵供液形式；在控制 量选取上提出利用液压系统主管路压力信号的变化反映液压支架跟进时所 需乳化液流量的变化，通过采集到的主管路压力信号来调整各台泵的运行 状态；在泵站的运行过程中采用优先级循环方式，避免了各台乳化液泵运 行时间不同；同时，为了避免乳化液泵出现故障带病运行，我们设计了故 障在线监控系统，对泵站在运行过程中出现的各种故障实时报警并采取相 应控制措施。在泵站的控制系统中，通过可编程控制器构成主从站集散式 控制系统，整个控制系统由主站控制器进行集中控制，由各个分站进行相 应的管理；主站控制器根据主管路压力的变化和当前各个从站的运行状态， 由程序中设定的优先级顺序，对相应的从站控制器发送加载或卸载控制指 令；从站控制器接收到控制指令后控制各自乳化液泵的启动、停止、加载、 卸载以及故障监测等，然后再将当前的运行状态上传到主站控制器中。主 从站均设置有人机接口，通过入机接口操作人员可以设定相关参数和查阅 各个泵的运行情况。 本课题针对多泵、高压大流量乳化液泵站研发的智能高端乳化液泵站 控制系统，具有运行状态在线监测、智能化自动控制、故障自诊断、故障 信息储存、显示、故障报警和通讯等功能，大大减少了采煤工作过程中的 故障停机时间，提高了生产效率。该项目的完成，解决了我国煤矿井下乳 化液泵站自动化控制与液压支架电液控制的配套问题，为煤矿快速大功率 井下采煤设备完全自动化或自动化无人回采工作面的实现做出了我们的贡 献。 关键词；乳化液泵站，液压支架，可编程控制器，控制系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h er e s e a r c ho fi n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m f o re m u l s i o np u m ps t a t i o n a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h ef u l l ya u t o m a t i o ns h e a r e ri si n c r e a s i n gi t sv e l o c i t yf r o m 4 - 6 m m i ni nt h ep a s tt ot e n so fm e t e rp e rm i n u t en o w , a n de v e nt o3 0 m m i n t o m a t c ht h eh i g hs p e e do f t h es h e a r e r , t h ef o l l o w i n gs p e e do f t h eh y d r a u l i cs u p p o r t m u s tb ei n c r e a s e d ，s ot h a tt h ew o r k i n gc a p a b i l i t yo ft h es h e a r e rc o u l dw o r k s u f f i c i e n t l y e m u l s i o np u m pi su s e d t os u p p l y i n gp o w e rs o u r c et ot h eh y d r a u l i c s u p p o r t ；t h ep r e s s u r eo ft h em a i np i p em u s tb ei n f l u e n c e dw h e nh y d r a u l i c s u p p o r ti sm o v i n gw i t hh i g hs p e e d a sa m a t t e ro ff a c t ，t ob o o s t i n gt h es p e e do f t h eh y d r a u l i cs u p p o r ti sj u s tt or t m n i n gs e v e r a lh y d r a u l i cs u p p o r t sa tt h es a m e t i m e ，i na n o t h e rw o r d ，a ne q u i p m e n tt h a tc a l ls u p p l yag r e a td e a lo f e m u l s i o ni s n e e d e d e m u l s i o np u m ps t a t i o ni st h ee q u i p m e n tu s e dt os u p p l ye m u l s i o nf o rt h e h y d r a u l i cs u p p o r t ，a tp r e s e n t ，o n ep u m pi s u s e dt os u p p l y i n ge m u l s i o na n d a n o t h e ri sf o rs t a n d b y o n c et h es h e a r e rt h a th a v eah i l g hs p e e di ss e l e c t e d ，i ti s n e c e s s a r yt oc h a n g eal a r g ef l o wv o l u m ep u m p ，s ot h a tt h ef o l l o w i n gs p e e do f t h eh y d r a u l i cs u p p o r t sc a l lm e e tt h em o v i n go fs h e a r e rr u n n i n g d u r i n gt h e m 查堕望三盔堂堡圭堡塞生兰焦堡皇 p e r i o do f r u n n i n g ，i ti sm a i n l yo p e r a t e db yw o r k e r sa c c o r d i n gt ot h e i re x p e r i e n c e a n do b s e r v i n gr e s u l t s ，a n dt h e r ei sn o tt h ed e t e c t i n gs y s t e mf o r f a i l u r e a l t h o u g h i tc a np r o v i d em o r ee m u l s i o nv o l u m et ot h eh y d r a u l i cs u p p o r tb ya l a r g ep o w e r p u m p ，i to c c u p i e sb i g g e rc h a m b e ru n d e rt h ec o l l i e r y i na d d i t i o n ，b e c a u s eo fn o d e t e c t i n ge q u i p m e n t ，i ti se a s i e rt oi n d u c ef a i l u r e a f t e rt h eh a r dw o r k i n ga n dr e s e a r c h i n go ft h ea c a d e m i cg r o u p ，w eg o ta p r i m a r ys c h e m eo fo n l i n et e s t i n ga n da u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i 。p u m p f i n a l l y , t h ei n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mo fm u l t i - p u m ps t a t i o nw a sc o n c l u d e db y m a n ye x p e r t sw h oa r es k i l l e di nt h i sf i e l d i nt h i sp r o j e c t , w es e l e c t e df o u r e m u l s i o np u m p st op r o v i d ef l o ws o u r c ef o rt h es u p p o r t s ，i n s t e a do fs i n g l eo r d o u b l ep u m p s f o rt h ec o n t r o lo b j e c t ，w eu s e dt h ep r e s s u r eo ft h em a i n p i p et o r e f l e c t i n gt h ef l o wv o l u m eo ft h es u p p o r t sr u n n i n g w ea l s od e s i g n e dt h eo n l i n e d e t e c t i n gs y s t e mf o re l i m i n a t i n gt h ef a i l u r eo ft h ep u m ps t a t i o n ，o n c et h e r ei s f a u l th a p p e n e dt h es y s t e mw i l la l a r ma n d a d o p tr e l e v a n tw a y t os o l v et h ef a i l u r e a u t o m a t i c a l l y f o rt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h ep u m ps t a t i o n ，ad i s t r i b u t ec o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e dm a i n l yb yp r o g r a m m a b l ec o n t r o l l e r ，a l lo ft h ec o n t r o l l e r s c e n t r a l i z e db yt h em a i ns t a t i o n ，t h es u b s t a t i o ni st oc o m p l e t et h et a s ks e p a r a t e l y t h em a i nc o n t r o l l e ri su s e dt os e n dd i f i e r e n ti n s t r u c t i o n st os u b c o n t r o l l e r s a c c o r d i n gt ot h ec h a n g eo fp r e s s u r ei nt h em a i np i p e t h es u b c o n t r o l l e ri sj u s t d o n e w h a tt h em a i nc o n t r o l l e ra s s i g n e dt ot h e m a tt h es a m et i m e ，t h e s u b c o n t r o l l e rf e e d sb a c kt h es t a t u so fe a c hp u m p t h eh i mi sa d o p t e dt os e t t i n g t h es p e c i f i c a t i o na n dr e a d i n gt h ei n f o r m a t i o no fe a c hc o n t r o l l e r 太原理工大学硕士研究生学位论文 i nt h i sp a p e r ，a ni n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e mf o rm u l t i e m u l s i o np u m pi s d e s i g n e d b a s i c a l l yt h es y s t e mh a st h e s ef u n c t i o n s ：o n l i n ed e t e c t i n g ，i n t e l l i g e n t c o n t r o l l i n g ，f a u l td i a g n o s i n g ，f a u l ti n f o r m a t i o nd i s p l a y a n dd e p o s i t i n g ，f a u l t a l a r m i n g ，a n dc o m m u n i c a t i o ne t c t h ec o m p l e t e do ft h i sp r o j e c ts o l v e st h e p r o b l e m sb e t w e e nt h ee m u l s i o np u m pa n dt h eh y d r a u l i cs u p p o r t s ，a n dm a d ea c o n t r i b u t i o nt ot h ec o a lm i n e sa u t o m a t i z a t i o n k e yw o r d se m u l s i o np u m p ，h y d r a u l i cs u p p o r t ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o n t r o l l e r ，c o n t r o ls y s t e m v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：冶享生日期：砬i ! 丘丝 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：冱i 丝日期：豳。圭堡 导师签名： 妻垒宝 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 随着工业自动化的发展以及现代信息化技术在工业生产管理中的广泛应用，使碍许 多传统工业与现代化设备相结合的自动控制系统得到广泛的应用，本文以煤矿井下乳化 液泵站为研究对象，应用西门子s 7 2 0 0 系列可编程控制器对乳化液泵站进行控制，从 而代替了传统的人工对泵站的经验控制，降低了劳动强度，提高了生产效率。 1 1 课题的来源及问题的提出 乳化液泵站( 见图1 - 1 ) 是煤矿井下作业的关键设备，它担负向煤矿综采工作面液 压支架或普采工作面单体液压支柱输送高压乳化液，是液压支架的动力源，其工作状态 的好坏直接影响液压支架的工作性能和使用效果，同时对井下工作的安全性起着至关重 要的作用。 图1 - - 1 乳化液泵站 f i g 1 1e m u l s i o np u m ps t a t i o n 综采工作面的液压支架之所以能够支撑顶板，并能实现推溜移架、调架护壁、侧护 防倒、防滑等动作，都是乳化液泵供给的压力液体使各种液压缸以及千斤顶动作的结果。 另外在某些综采工作面，可弯曲刮板输送机的紧链液压马达、桥式转载机的固定与推移 太原理工大学硕士研究生学位论文 千斤项以及工作面上、下出口处超前支护用的单体液压支柱等都是靠乳化液泵提供的高 压乳化液工作的。随着综采工作面采煤机的工作牵引速度不断提高，液压支架的推进( 或 跟进) 速度必须相应提高，才能充分发挥采煤机的工作能力。液压支架在跟进过程中的 “升、降、推、移”等动作是由乳化液泵站供给的压力液体推动各种液压缸来完成的， 乳化液泵站的供液流量决定着支架的跟进速度，对于大采高、大吨位液压支架，在多架 同时移动的情况下，需要增大流量，才能保证支架的快速跟进，维护工作面顶板的完整， 确保生产安全，因此对乳化液泵站的要求越来越高。 解决液压支架快速跟进最关键的是要增大液压支架的供液量，虽然通过提高乳化液 泵的功率能够满足大流量供液，但是由于煤矿井下作业空间和安全的限制，仅仅依靠采 用大流量泵来解决液压支架快速跟进所需流量的方法很难实现。由此可见，研制高压力、 大流量，高可靠性，智能自动监测、自动控制、故障白诊断、故障自动处理等功能的乳 化液泵站对煤矿采煤具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 世界各国，特别是发达国家都十分注重将高新技术与传统的工业技术相结合。不惜 投入大量的人力、物力和财力对工业设备进行自动化管理，以达到更高的经济效益和管 理效率。由于煤矿恶劣的生产环境，国内外煤矿自动化的总体水平落后于其它行业，随 着煤矿机械化的发展，煤矿自动化成为煤炭工业当前的研究热点之一。瑚“1 。 国外采掘机械都普遍采用了计算机控制，根据开采环境对采煤机、工作面运输及液 压支架进行联合控制，从而实现了采煤作业( 过程) 的综合自动化。通过计算机还可对 设备进行工况检测和故障诊断，一般具有离线操作功能。采煤机已由液压牵引发展到电 牵引，由直流牵引发展到交流变频调速牵引。采煤机装机功率向大容量发展，总装机功 率已达到1 5 0 0 k w ；般采用多电机驱动。工作面输送机向重型化、大运量、高寿命、 高强度方面发展；大采高、大吨位液压支架实现了高压、大流量供液，使移架速度达到 6 - 。8 s 架。美国甚至提出要实现只有两个人操作的全自动采煤工作面。 先进采煤国在井下的主运输系统中，多采用胶带运输，辅助运输采用高速运输车、 胶轮蓄电池牵引车及齿轨车、单轨吊等。胶带运输采用晶闸管直流调速、交流变频调速a 采用计算机集中控制、保护及故障诊断，系统具有低速、断裂、跑偏、烟雾、煤位、急 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 停、温度等多种保护，有的系统还设有工业电视监视。 在煤矿井下安全监控方面，国外已经研制出了以分布式微机为基础的第四代监控系 统，该系统采用多传感器技术，应用智能专家控制系统，其稳定性和可靠性非常高，而 且维护工作相对容易。典型的有美国m s a 公司的d a n 6 4 0 0 系统和德国的b e b r o 公司的 p r o m d s 系统。 在洗煤厂自动化方面，国外5 0 年代中期研制出介质比重控制系统，6 0 年代末研制 出灰分、浓度自动控制系统、胶带输送机自动累计称重系统及核子称、智能浓度测定仪、 料位仪等，实现了受煤系统、备煤系统、产品装车系统、浮选系统及干燥系统的自动化： 8 0 年代初装备了计算机专家系统，与不同种类的在线监测仪表相配套，实现了选煤厂自 动化、最优化操作管理和产品化选择；最近，随着在线监测仪表的发展，自动化的操作 已开始影响传统的洗选工艺流程。 在煤矿泵站控制系统中，国外发达国家已经研制出了采用单片机或可编程控制器构 成的多泵供液控制系统，典型的公司有英国r m i 公司、德国的s i e m e n s 公司和美国的 j o y 公司等。国内在对乳化液泵站的控制过程中，仍然采用单泵或双泵定量供液系统， 由人工根据现场液压支架的跟进速度，凭借经验决定支架的供液量，由于人为操作的局 限性，再加上没有监测系统，所以乳化液泵站很容易发生各种故障。我国在乳化液泵站 自动控制方面的研究比较少，近年来，随着不断引进国外先进采煤设备和技术外，一些 科研单位也在积极地开发具有自主知识产权的乳化液泵站控制系统，但是由于种种原 因，目前还没有比较成熟的产品阎世。因此，本课题所研发的智能离端乳化液泵站控制 系统对于解决我国煤矿井下乳化液泵站自动化控制系统中存在的各种问题具有积极的 参考价值。 1 3 智能高端乳化液泵站控制系统简介 本课题针对以上国内外发展现状，提出开发研制新型乳化液泵站控制系统，其主要 目的是提高液压支架的跟进速度和支柱压力，同时确保泵站连续安全供液。所设计的泵 站控制系统由四台乳化液泵组成，通过可编程控制器构成主从站集散式控制系统，整个 控制系统由主站控制器进行集中控制，由各个分站进行相应的管理：主站控制器根据主 管路压力的变化和当前各个从站的运行状态，根据程序中设定的优先级循环顺序，对相 太原理工大学硕士研究生学位论文 应的从站控制器发送加载或卸载控制指令：从站控制器接收到控制指令后控制各自乳化 液泵的启动、停止、加载、卸载以及故障监测等，然后再将当前的运行状态上传到主站 控制器中。主从站均设置有人机接口，通过人机接口操作人员可以设定相关参数和查阅 各个泵站的运行情况。主从站通过p p i 网络协议进行通讯。 1 4 本文工作及内容安排 1 4 1 主要研究工作 ( 1 ) 针对当前采煤机牵引速度的不断提高，为了确保液压支架的跟进速度，在对 乳化液泵站的工作原理以及液压支架的运动特性进行分析之后，提出了采用多台小流量 泵供液代替现在普遍采用的大流量单泵或双泵供液形式，并对泵站液压系统进行了设 计。 ( 2 ) 通过对目前各类自动控制系统进行仔细比较研究，我们最终采用了由可编程 控制器组成的集散式控制系统对泵站进行控制。 ( 3 ) 通过对乳化液泵站液压系统的深入研究，提出了利用主管路压力信号代替流 量信号作为控制对象，根据主管路压力的大小反映液压支架所需流量的大小，经试验验 证，压力信号能很好地反映液压支架所需的流量。 ( 4 ) 为避免泵站中各泵运行时间不一致，提出了优先级循环的方法，确保每台泵 的运行时间基本相等。 ( 5 ) 针对人工泵站控制所带来的种种缺陷和不足，提出利用多种传感器对各个乳 化液泵、乳化液液箱等进行实时监控，一旦发生故障，应立即报警，同时显示故障类型， 必要时停止泵的运行。 ( 6 ) 对乳化液泵站控制系统进行总体设计，完成了控制系统的硬件和软件设计。 1 4 2 内容安排 第一章主要介绍了课题的来源及意义，并就乳化液泵站控制系统的研究现状进行 了阐述，提出本课题的研究内容。 第二章介绍了液压支架和乳化液泵站液压系统的工作原理，液压支架与采煤机的 工作特性和相互关系，基于此，提出采用多泵供液的方法。同时给出了乳化液泵站主要 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 参数的计算方法，并设计了乳化液泵站自动监控系统。 第三章对现有的控制理论进行分析，建立了泵站闭环反馈控制模型；对能够实现 该模型的所有控制系统进行比较，最后提出采用可编程控制系统对泵站进行集散式控 制，并论证了通过主管路压力信号反映液压支架所需流量大小的合理性。 第四章对乳化液泵站控制系统所需的硬件进行合理设计，包括可编程控制器的选 型，传感器的选择，主从站控制面板的设计，以及针对煤矿井下的特殊要求设计了隔离 电路等。 第五章根据课题要求，对乳化液泵站控制系统进行软件设计，包括根据主管路压 力的变化进行加载i 卸载、保证各个乳化液泵损耗相同的优先级循环、对系统在运行时的 故障监控以及故障替换等程序的设计。 第六章对全文进行总结。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章乳化液泵站及相关设备设计 乳化液泵站是煤矿综采工作面的一项重要设备，它是液压支架的动力源，因此，在 对乳化液泵站进行设计时，必须对液压支架及其工作特性进行深入研究。 2 2 液压支架的工作特性 液压支架一般由架体、工作机构、液控系统及附件四大部分组成。架体主要包括顶 梁、前梁、掩护梁、连杆、底座和侧护板等构件；液控系统包括操纵阀、控制阀( 液控单 向阀与安全阀) 、供液、回液软管等；附件包括防倒、防滑、防转等机构。 2 2 1 液压支架的作用及分类 图2 - 1 液压支架 f i g 2 - 1h y d r a u l i cs u p p o r t 在煤炭生产的采煤工作面中，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。而液压支架是以高压液体作为动力， 由液压元件与金属构件组成的支护和控制顶板的设备，具有强度高、支护性能好、移架 速度快、安全可靠等优点。它能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序，是 技术上先进、经济上合理、安全上可靠的实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 设备。实践表明：液压支架与可弯曲输送机和采煤机组成的综合机械化采煤设备的应用 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 生产有着重要的作用。 按液压支架在采煤工作面的安装位置来划分，分为端头液压支架和中间液压支架。 端头液压支架简称端头支架，安装在每个采煤工作面的两端；中间液压支架是安装在除 工作面端头以外的采煤工作面上所有位置的支架。中间液压支架按其结构形式来划分， 可分为三种基本类型，即：支撑式、掩护式和支撑掩护式嘲。 1 9 5 4 年，英国研制出垛式支架，它主要由安装在矩形整体底座上的立柱和顶梁构成， 并且装备了世界上第一个由液压支架完成支护工作的综采工作面，把采煤工作面的支护 技术推进到了一个新的阶段。随后，世界各主要产煤国根据各自的具体条件不断研制和 发展液压支架。1 9 5 8 年，为克服垛式支架移架困难的问题，法国试验成功了采用“迈步 式”结构的节式支架。 垛式支架和节式支架都属于支撑式液压支架，它利用立柱与顶梁直接支撑来控制采 煤工作面的顶板，没有掩护梁。它的优点是：工作阻力较大，切顶性能好，支撑效率高， 成本低。缺点是：立柱较多，垂直布置，承受水平力的能力差，顶梁较长，造成对顶板 重复支撑，挡矸帘防止采空区冒落的碎岩窜入工作空间的能力差。这种支架适合于稳定 的坚硬顶板条件，早期应用较多，现己趋于淘汰。 l 一 ! i 图2 - 2 支撑式液压支架示意图 f i 醇- 2s k e t c hm a po f h y d r a u l i cs u p p o r t 为了克服支撑式支架不适合在破碎顶板下采煤的缺点，1 9 6 1 年前苏联研制成功了掩 护式液压支架，其顶梁较短，顶梁与掩护梁铰支连接，防矸性能好。但梁端的轨迹是圆 弧状，支架升降过程中梁端距变化大，不利于顶板维护。为此又研制出支架滑座和伸缩 前梁等架型。直到引入四连杆机构，实现了掩护式支架梁端轨迹近似为铅垂化，才从根 本上解决了梁端距变动大和支架不能承受水平力的问题。 四连杆机构的掩护式液压支架的问世，是液压支架技术发展史上的一次飞跃，现在 太原理工大学硕士研究生学位论文 主要有两种架型：直接撑顶型和间接撑项型。它的结构特征如下：顶梁较短，靠平衡千 斤项来调节顶梁俯仰角，以适应不同的顶板：立柱较少，一般为单排，呈倾斜布置；掩 护梁直接与冒落矸石相接触，靠其掩护作用来维护工作空间，因此调高范围大，适应煤 层厚度变化的能力强；支撑合力靠近煤壁，能较好地维护新裸露的顶板。由于顶梁短， 对顶板的重复支撑次数也就少，支护强度较高；架间密封好、能有效地防止窜矸、漏矸； 采用四连杆机构，支架抗侧向干扰能力大、稳定性好：立柱少且不承受水平力，因此移 架速度快；重量轻，长度小，造价低，便于运输和安装。如此众多的优点使掩护式液压 支架成为破碎和不稳定顶板条件下使用的主要架型。 为克服掩护式支架支护能力相对较弱、切顶能力差、抗冲击能力低的缺点，日本于 1 9 6 4 年研制出了支撑掩护式液压支架，并且发展成为稳定和坚硬顶板条件下的主要架 型。它集支撑式和掩护式二者的优点于一体，利用支撑和掩护双重作用来维护工作空间， 因此通风断面大，工作阻力大，挡矸掩护性能好，采用四连杆机构可以承受较大的侧向 力，适用范围较宽。现在的支撑掩护式液压支架主要有双排立柱直接撑顶和间接撑顶两 种结构型式。 随着液压支架技术的发展，液压支架的结构型式也在增多。例如适合坚硬顶板下的 短尾掩护梁支撑掩护式支架，适合厚煤层开采的分层铺网支架和放项煤支架，适合薄煤 层开采的立柱x 型布置的液压支架等。 图2 - 3 支撑掩护式液压支架示意图 f i 9 2 3s k e t c hd r a w i n go f s h i e l dh y d r a u l i cs u p p o r t 我国自1 9 7 3 年开始大规模引进德国、英国等国家的综采设备，经历了消化、吸收 和改进提高的过程，到目前己形成了较完整的设计、制造和科研体系。 2 2 2 液压支架的运动分析 液压支架的四个基本动作是：升架、降架、移架、和推溜。 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 以支撑式支架为例( 见图2 - 6 ) ，升架和降架的动作过程为：高压乳化液由泵站经操 纵阀和液控单向阀，进入立柱下腔，立柱上腔回液，使支架升起并撑在顶底板之间。泵 站工作压力达整定值仇时，支架对顶板的支撑力称为初撑力。支撑式支架的初撑力为： 只：擘p b n l 0 3 ( k n ) ( 2 - 1 ) 式中 见一泵站工作压力，m p a ； d 一支架立柱的缸径，n l ： n 一支架立柱数量。 从顶梁接触顶板至达到初撑力为支架的初撑阶段。初撑力较大能延缓顶板的下沉， 因此，希望提高泵站工作压力。 图2 4 支撑式液压支架工作原理 f i g2 - 4w o r k i n gp r i n c i p l eo fh y d r a u l i cs u p p o r t l 一顶梁：2 一立柱；3 一运输机；4 一底座； 5 一推移千斤顶；6 一立柱安全阀；7 一液控单向阀；8 、9 一操纵阀 初撑阶段结束后，操纵阀移到中间阀位，由液控单向阀封闭立柱下腔。顶板下沉， 立柱下腔压力和支架对顶板的支撑力都大，这是支架的增阻阶段。由于立柱安全阀的 作用，立柱下腔压力和支架对顶板的支撑力都保持稳定，这是支架的恒阻阶段。顶板下 沉时，安全阀溢流，立柱收缩，支架降低。支架对顶板的最大支撑力称为工作阻力，是 由立柱安全阀的整定压力p 。决定的。支撑式支架的工作阻力为： p ：竺以珂1 0 3 ( k n ) ( 2 2 ) 4 支架支撑力与时间的关系，用支架工作特性曲线表示如图： 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 p t 图2 - 5 液压支架工作特性曲线 f i g2 - 5w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i cc u i n ，eo f h y d r a u l i cs u p p o r t 岛一初撑阶段；t l 一增阻阶段；t 2 恒阻阶段 增阻阶段t 的长短，决定于顶板下沉速度及支架初撑力对工作阻力的比值。液压支 架的恒阻特性，既对支架自身有安全保护作用，又可防止因工作阻力过大而压碎顶板。 液控单向阀与立柱安全阀经常组合在一起，称为控制阀。将液控单向阀打入降压阀位， 高压乳化液进入立柱上腔，同时开启液控单向阀，立柱下腔回液，支架就下降。 支架和运输机的前移，都是由底座4 上的推移千斤顶5 来完成的。移架的动作过程 为： 1 、收缩主架后柱，主架前柱降压，操纵移架千斤顶使主架顶梁擦顶前移一个步距， 然后撑紧主架后柱，此时，副架仍撑紧着，主架前柱前倾，主架纵拉千斤顶收缩： 2 、使用同样的方法使副架顶梁擦顶前移一个步距，此时，主副架的前柱都向前倾 斜，后柱都垂直支撑顶梁，纵拉千斤顶收缩； 3 在采煤机后适当距离，操纵纵拉千斤顶使其伸长，同时收缩主副架前柱，使前柱 和运输机向前移一个步距； 4 、在以上各步动作时，横拉千斤顶要相应地动作。 2 2 3 液压支架与采煤机速度匹配分析 采煤机是机械化采煤作业的主要机械设备，其功能是落煤和装煤，目前应用最为广 泛的采煤机械是滚筒采煤机。综采工作面通常由双滚筒采煤机、可弯曲刮板输送机及液 太原理工大学硕士研究生学位论文 压支架等主要设备组成。用液压支架支护顶板，实现了支护、移架及推移输送机过程的 机械化。采出的煤经转载机和可伸缩胶带机运到采区煤仓。采煤机沿工作面移动的速度 称为牵引速度。采煤机在工作过程中，由于煤层的机械力学性质复杂多变，需要随时调 节牵引速度，使采煤机能在正常负载下工作鲫。采煤机的实际牵引速度和液压支架的移 架速度相互制约。新型采煤机的最大牵引速度可达2 0 m m i n 左右，这就需要液压支架的 移架速度也要相应的提高，即单位时间内移动的支架数量增加。 目前，对液压支架的供液，普遍采用台泵供液，一台泵备用，对于高速采煤机则 通过采用大流量泵供液的方式，而对泵的启停完全依靠人工经验式控制，这种方法不仅 很难保证液压支架快速跟进，而且很容易出现各种故障。 为了解决液压支架的快速跟进，最根本的是要增大液压支架的供液量，而采用大流 量泵，虽然能提供很大流量，但是由于并下的特殊环境，大流量泵存在占地面积大等问 题，流量超过5 0 0 l m i n 乳化液泵，在制造和使用两方面都存在很大的困难。经过广泛 查阅相关资料和现场论证，采用多泵运行来解决大流量供液问题，即采用多台小流量泵， 当采煤机快速运行时，由多台泵同时给液压支架供液，从而使支架快速跟迸，当采煤机 低速运行时，只开启少数泵甚至单台泵供液，这种供液方法能让液压支架随采煤机的运 行速度跟进，既能够增加单位时闻的供液量，又能有效降低乳化液泵站的电能消耗。多 泵供液控制系统满足了采煤机牵引速度的提高，使综采工作效率大幅提高。 2 3 乳化液泵站设计 乳化液泵站一般由乳化液泵组、乳化液箱配套而成。并具有完善的控制、过滤及安 全保护。随着高产高效综合机械化工作面的发展，乳化液泵站也不断更新换代。总体趋 势是增大其主要性能参数，如提高乳化液泵的压力、流量、改进结构、提高可靠性、引 入微机自动监控技术等。 目前，国内广泛使用的乳化液泵站均为随工作面的推进而不断前移动式泵站。近年 来国内外相继出现了一种远距离集中供液的固定式泵站。采用由5 0 m m - - 7 0 m m 的厚壁无 缝钢管将高压孚l 化液送到工作面，再转接胶管分供液压支架。回液用由5 6 i n l l l 胶管再接 由8 0 i n m 一巾l o o m m 的钢管返回液箱。泵站相对固定，不必每日移动，改善了泵站的安 装、运行和维护管理，并可同时向两个工作面供液 ，、f i 卿1 人t 硕 ：j f 究乍学伯论史 2 31 乳化液泵站液压系统工作原理 乳化液泉j ，一为丁向ff 1l i l ：收j 、乏裂d ! 液，必须j 笛克够的液爪系统，它j ：l ! = 乳化液 泉辨【、f | ，巩m 做撕、拄：# 0 保扩t 系统和辅助装褂等升l 成。嚣沸什2 蚓彼此j | j 竹道年1 j 连以 完成向 作面液压支絮提供其f r 压力和流鲢的工作液体。本课题所设汁的挖制系统主要 由四台乳化液泵组。可自动配液箱及控制装置等组成，如图2 - l 所示。通常情况下三台 泵同时向工作面支架液压系统供液，一台泵备用。 图2 - 6 乳化液泵站的液压系统 f i g 2 - 6h y d r a u l i cs y s t e mo fe m u l s i o np u m ps t a t i o n 卜乳化液泵2 一安全阀3 一高压过滤器4 一卸载阀5 一测压点6 一截l p 阀7 一乳化液箱8 一浮球9 一空 气过滤器1 0 - 取样阀门l l 一混液阀1 2 - 乳化油箱1 3 一手摇泵1 4 一断路器1 5 一同液过滤器1 6 一截i f 阀 1 7 - 过滤器1 8 一截i t 阀1 9 一削峰器2 0 一蔷能器2 卜压力传感器2 2 一截i r 嘲 泵站工作过较顷f 下：低压乳化液从液箝7 经打丌的截i 卜阀6 吸入乳化液泵，通过袋 l 将j k 力捉高后。排出的高压乳化液经安伞阀2 、高压过滤器3 、电液机械卸载阀4 、截 l i ：阀1 8 通过输液饽向工作皿液压系统供液。在输液管j i ：作面供液管之i l j 连接仃两个一 i l i 薪能器2 0 及j k 力传感器2 l 。卸载阀4 的卸裁州液管路0 削蜂器1 9 栩联，可减少卸我 m 液的肘系统返川的乳化液经过网液过滤器5 返川液箱7 。 a 原t p1 人顾 研究，| 。f 口沦支 配i 铷乳化液的f w 足：“1 液硝一i t 乳化液的液似低r 所脱；0 的 王低液位时，j 子球阳8 起f ：j ! f l i f 功 f j 水路，矬瓜源的i 矗水j 趣j = l ：打j ，的姓i l ：煳1 6 ，经过泌器l7 过滤l j 。通 过 乎球| l j j 水路董濉液阎l l 扫! 混液阀l | i 山负i e 作 】吸入乳化油审1 2 的乳化油m f | 动l j e ；驯 成j l 仃一定比例的乳化液，然后流入乳化液筒7 中，当液衔巾液位达到舰j 迂的高度后， 浮球阎8 臼动切断衍水水路，衙停止乳化液的配制。乳化油足由于 动泵1 3 经叔内快遮 断路器1 4 泵入机化油室1 2 的。 安全阀2 是为了防止支架液压系统供液压力超过规定值。保护乳化液泵和立架液压 系统的安全。该安全阀尼应急用的，正常工作情况下处于关闭状态，当系统压力突然升 高达到临界值时，。安全阁迅速丌启进行保护 乳化液泵与液衍相连的吸液口处及乳化泵排液的输液管处都加装了截止阀6 与截阀 1 8 ，它的作用是对不工作的备用乳化液泵进行隔离；与输液管相连的两个高压希能器2 0 改善了支架液压系统及高压乳化液泵的工况，减少压力脉动，提高了寿命及町靠性。 压力传感器2 l 将工作面支架液压系统中的压力信号传送到卸载阀电子控制系统， 通过程序束控制系统中四个电液机械卸裁阀4 的动作。当系统压力大于预先调定的 卸载阀4 的卸载压力时，卸载阀在其内部电磁先导阀( 或机械先导阀) 的控制f 使泵自 动卸载。当系统妪力低于卸载阀预先调定的系统恢复压力时。泵重新向系统供液。 2 3 2 乳化液泵站主要参数计算 l 、乳化液泵相关参数计算 根据泵站系统要求，采用卧式三柱塞往复泵的结构型式作为乳化液泵。卧式三柱塞 往复泵的三个柱塞水平放鼹，泵工作时电动机的旋转运动通过一对齿轮剐减速后带动曲 轴旋转，再通过连朴、十字头滑块将曲轴的旋转运动转化为柱塞在泵缸体中的住复运动。 当这种曲柄连朴机构带动柱塞远高桂褒腔时为桂塞吸液t r f d ，这时往寒内的密闭窑洲增 大形成饥i i ，- ，l f l 液n ：人4 e 压力作用卜十rj f 吸液阀进入托摩舱；曲柄连卡j t 4 l f ；f r l , j t l 摩 使托摩舱弈 | i 减少寸为札采州液ij ：p ! ，乳化液n ：f 1 摩捕；力作j jf 于rj r 排液f i i l 进入支架液 胍系统。曲轴旋轼。圳充成f l ：摩的个住复仃f i - j 完成垓枉摩的个歧亍i | = 液过程。f e 摩艇的结f ；：j 4 i 意hc n i ，刳27 所示： 太原理t = 大学硕十研究生学位论文 图2 7 柱塞泵的结构示意图 f i g 2 - 7s k e t c hm a po ft h ep l u n g e rp u m p 1 一曲轴；2 一十字滑块；3 一齿轮箱； 4 一电机；5 一柱塞；6 一单向阀 鞋塞泵排量计算； v ：三d 2 拓( 小3 )( 2 3 ) 4 柱塞泵的输出流量计算： q = 三d 2 i z n ，_ i ， ( 2 - 4 ) 式中z 一柱塞数目； d 一柱塞直径( m ) ； 卜一柱塞行程( m ) ； 一一曲轴转速； 仉一柱塞泵容积效率 流量脉动计算： 实际上泵的流量并不是均匀的。由于柱塞的运动速度随时间成正弦变化，且泵压出 区同时工作的柱塞数目也在变化，因此泵的流量也将瞬息变化，流量存在着脉动。为了 度量流量脉动的大小，引入了流量脉动率： 盯= ! 竺坚二! 翌堕( 2 5 ) 9 0 式中盯一液压泵的流量脉动率； 1 5 太吼群1 人中硕 ：研究，# ”沧迁 。一激j ! i 袋j ：j 、炳n 撇| i ( ，形) ； 。一液压泉嫩小厮”j 流b ( 哆) ： 吼一液瓜髹的时f l i j r 均流碡( 哆) 。 流毓的脉动必然j l 起液压系统管道内的压力变化，从i 酊导致压力脉动。在泵站液j l i 系统巾，莆能器就足为了削减泉流髓脉动而没胃的。由r 柱塞孑缸体内孔均为劂枉表嘶， 滑动表鲥f 己合精度岛所以这类泵的特点足泄漏小、e f t 压力【f ) i 、结构简单、工作可靠、 使用寿命长、维护方便等特点。 2 、乳化液泵电机功率的计算 驱动乳化液泵的电动机功率n ： n = 畿c 千瓦) s ， 式中 1 。一乳化液泵的总效率； p 。、g 一乳化液泵的工作压力和流量，b a