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太原理工大学硕士研究生学位论文 乳化液泵站液压系统建模仿真与控制系统开发 摘要 本文针对目前综采工作面液压支架移架速度与电牵引采煤机牵引速度 不相匹配的问题，提出采用基于压力控制的多台小流量乳化液泵并联供液 的组合泵站取代传统的两泵并联单泵供液的大流量乳化液泵站。根据综采 工作面生产能力以及采煤机牵引速度分析了液压支架移架速度与之相匹配 的问题。液压支架移架速度可分为静态移架速度与动态移架速度。本文从 支架液压系统各液压元件压力损失的角度，分析了液压支架静态移架速度 的影响因素。针对四泵并联乳化液泵站组合形式设计了与之对应的液压系 统。采用功率键合图建模方法，建立了支架液压系统中各液压元件、供回 液管路、乳化液泵站、升降控制回路与推移控制回路的键合图模型；通过 键合图模型推导出液压系统的数学模型；采用数值计算方法对乳化液泵站 与支架液压系统进行了动态特性仿真。主要分析了乳化液泵站额定流量与 调定压力对液压支架升架、降架、推溜、移架等工序的影响。通过对仿真 结果的分析，确定了四泵并联乳化液泵站运行控制方案以及控制参数设定 方法。根据所确定的控制方案，采用可编程控制器，设计了该泵站的控制 系统。研究开发内容主要包括控制系统硬件设计、设备选型，外围电路设 计、控制系统软件设计、控制系统内部通讯等问题。 太原理工大学硕士研究生学位论文 关键词：乳化液泵站，液压支架，移架速度，功率键合图，控制系统 太原理工大学硕士研究生学位论文 m o d e l i n ga n ds 蹦u l a t i o nf o rh y d r a u l i c s y s t e mo fe m u l s i o np i7 m ps t a t i o na n d d e v e l o p m e n to fc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t b o t ht h e a d v a n c i n gv e l o c i t yo fh y d r a u l i cs u p p o r ta n dh a u l a g et r a c t i o n v e l o c i t yo fe l e c t r i c a lh a u l a g es h e a r e ro nf u l l ym e c h a n i z e dc o a lf a c eu n m a t c h e d am u l t i e m u l s i o np u m ps t a t i o nb a s e do nt h ep r e s s u r eo fp i p et ow o r k i n gi sp u t f o r w a r d ，i no r d e rt or e p l a c et r a d i t i o n a le m u l s i o np u m ps t a t i o nc o n s t r u c t e db y t w og r e a tf l u xe m u l s i o np u m p w ea n a l y z e dt h ea d v a n c i n gv e l o c i t yo fh y d r a u l i c s u p p o r ta c c o r d i n gt op r o d u c t i v ec a p a b i l i t yo ff u l l ym e c h a n i z e dc o a l f a c ea n d h a u l a g et r a c t i o nv e l o c i 哆o fs h e a r e r a d v a n c i n gv e l o c i t yo fh y d r a u l i cs u p p o r tc a n s o r ti n t os t a t i ca d v a n c i n gv e l o c i t ya n dd y n a m i ca d v a n c i n gv e l o c i t y b a s e do nt h e h y d r a u l i ce l e m e n tp r e s s u r el o s so fp o w e r e ds u p p o r th y d r a u l i cs y s t e m , t h e i n f l u e n c e df a c t o r so fs t a t i ca d v a n c i n gv e l o c i t yw e r ea n a l y z e d w ed e s i g n e d h y d r a u l i cs y s t e ma d a p t i n gt of o u r - e m u l s i o np u m ps t a t i o n h y d r a u l i ce l e m e n t ， p i p e l i n e ，e m u l s i o np u m ps t a t i o n ，c i r c u i to fr i s i n ga n dd e c l i n i n gv e r t i c a lc y l i n d e r s ， c i r c u i to fm o v i n gs u p p o r ta n dm o v i n gc o n v e y e rm o d e l sa r ee s t a b l i s h e db y m e a n so fp o w e rb o n dg r a p h m a t h e m a t i c a lm o d e lo fh y d r a u l i cs y s t e mi s 太原理工大学硕士研究生学位论文 o b t a i n e db yb o n dg r a p h t h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so fe m u l s i o np u m ps t a t i o n a n dp o w e r e ds u p p o r th y d r a u l i cs y s t e mw e r es i m u l a t e db yn u m e r i c a lc o m p u t i n g m e t h o d a n a l y z e dt h ei n f l u e n c eo ff l u xa n da d j u s t i n gp r e s s u r et op r o c e d u r e so f r i s i n g ，d e c l i n i n g ，m o v i n gs u p p o r ta n dp u s h i n gc o n v e y e lb ya n a l y s eo ft h e s i m u l a t i o nr e s u l t s ，d e t e r m i n e dc o n t r o lp l a na n dp a r a m e t e r ss e t t i n gr u l eo f f o u r - e m u l s i o np u m ps t a t i o n d e s i g n e dc o n t r o ls y s t e ms t r u c t u r ea n ds e l e c t e d p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r , e q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s e l e c t r i c a lc i r c u i t s w e r ed e s i g n e d ，s o f t w a r eo fc o n t r o l ，c o m m u n i c a t i o na n dm a n a n g i n gw e r e d e v e l o p e di nt h i sp r o j e c t k e yw o r d s ：e m u l s i o np u m ps t m i o n ，h y d r a u l i cs u p p o r t ，a d v a n c i n gv e l o c i t y o fs u p p o r t ，b o n dg r a p h ，c o n t r o ls y s t e m i v 声明尸明 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。 论文作亨签名：二鸢垒互l 日期：么丝牛 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) 。 签各，巧弛l 眺j 剑啦 导师签名：盗叁望 日期：御j “7 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景及意义 1 1 1 研究背景 第一章绪论 煤炭在我国的能源结构中占有重要地位，2 0 0 6 年我国的原煤产量已达到2 3 2 5 亿吨， 为世界第一大产煤国。随着经济持续快速增长及电力、冶金、建材、重化工等主要耗煤 行业用煤量的增加，全社会用煤需求持续上升，与此同时煤炭开采成本也在大幅增加， 这就迫使我国煤矿必须走高产高效的道路。而综合机械化采煤是高产高效矿井的基本要 求1 1 。 7 我国的综合机械化采煤工艺从上世纪七十年代开始，目前己在各大中型矿井生产中 得到了广泛的应用。但截至目前，仍有大多数煤矿综采工作面单产水平低下，与国内外 ，1 先进的高产高效工作面存在很大差距0 约我国综采工作面单产水平不高的因素主要体 现在以下几个方面：1 ) 矿山埋藏深度大构造复杂，不安全因素多，限制了综采优势的 发挥。2 ) 受机械制造、设计和材料水平的限制，国内生产的采煤机、刮板输送机等设 ，1 1 备的大修周期远低于国外同类产品，大大限制了工作面布置和生产的连续程度3 ) 综 采机组的系统可靠度低，工作面设备故障率大、故障时间长，采掘、装载、运输和支护 ，1 设备综合开机率低：鞠) 液压支架移架速度低于采煤机的牵引速度，使采煤机的效率无 法充分发挥f 桶【4 1 晦。 从以上几个方面来看，在目前情况下，可以首先通过提高液压支架移架速度以适应 采煤机牵引速度，来提高综采工作面的效率。 1 1 2 研究意义 提高液压支架移架速度可以采取以下的措施：1 ) 提高乳化液泵站的额定流量和额 定压力，采用大通径管路和大流量阀。2 ) 采取最佳移架方式，根据顶板条件采用有利 于顶板管理的快速移架方式，如分段追机移架，成组整体依次顺序移架，带压擦顶前移 太原理工大学硕士研究生学位论文 等方式。不论何种移架方式，只要液压系统达到要求的流量和压力，一次移2 - - 3 架， 也可以充分满足采煤机的截割要求【6 】【7 l 。 从上述提高移架速度的两种措施中可以看出不论采取何种方式都必须要提高乳化 液泵站的流量和压力。在美国，澳大利亚等先进采煤国家随着长壁工作面长度的不断增 加，为适应快速移架的需要，已广泛采用高压大流量乳化液泵站，其额定压力为4 0 - - 5 0 m p a ，额定流量4 0 0 l , - 一5 0 0 l m i n ，可实现成组或成排快速移架，达到6 - - - - 8 s 架。美国 作为世界上最先进的采煤国家，早在1 9 9 0 年就已采用额定压力5 0 m p a ，额定流量 4 7 8 l r a i n 的乳化液泵站，以实现支架的快速推进，移架速度达6 - - 8 s 架。目前我国乳化 液泵站的额定压力普遍在3 5 m p a 以下，流量在2 0 0 l r a i n ，最快移架速度1 0 1 2 s 架( 井 下实际应用有时在2 0 s 以上) 1 5 1 。 提高乳化液泵站额定流量与压力有两种方法：1 ) 按照煤炭行业规范的要求，传统 的乳化液泵站通常由2 台同一规格型号的乳化液泵和1 台乳化液箱组合使用。其中的一 台乳化液泵工作，另一台作为备用。如果将现有乳化液泵配置为高压力、大流量泵则可 以满足快速移架要求。2 ) 改变乳化液泵站的传统形式，采用多台高压小流量泵并联供 液，增大进回液管径，并相应使用大流量阀。 从现有的经济技术条件来看，如果采用第一种方案将面临一系列的经济技术问题。 以额定流量为4 0 0 i j m i n 的乳化液泵站为例，若采用2 台流量为4 0 0 l r a i n 的乳化液泵组 成，采用卧式三柱塞泵，其柱塞直径将达到7 1 m m ，7 1 m m 直径的柱塞将产生1 2 6 6 3 0 k n 的轴向液压力，自动卸荷阀阀体的轴向作用力也将达到3 7 9 8 9 0 k n 。这将使得阀体与箱 体联接螺栓的直径大大增大，螺栓的结构布置十分困难，巨大的螺栓载荷甚至会使箱体 的基体材料无法承受。为克服这些困难，可以采用双向六缸结构，全支撑曲轴结构等改 进措施，但使得制造难度、研制周期和制造成本都大大增加。泵站的配套电动机功率将 达到2x2 5 0 k w 。如果采用4 台额定流量为1 2 5 i m i n 的乳化液泵组成额定流量为 3 7 5 l m i n 的乳化液泵站，三台工作一台备用。基本可以达到额定流量为4 0 0 l l m i n 的泵 站要求，配套电动机功率为4 x 7 5 k w 制造成本将大大降低。 从使用成本的角度来看，煤矿生产通常采用4 6 工作制( 即每天4 班、每班6 h ) ， 其中3 班采煤，一班设备检修。在设备检修期间，并不需要乳化液泵站提供额定的流量。 对于多泵并联的乳化液泵站，可以只开启一台小流量乳化液泵，即可满足设备检修的需 要，使泵站的运行费用降低。当然，从泵站备用的容量来看，采用多泵并联组合形式备 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 用容量降低，实践中曾有煤矿采用4 台公称流量为1 2 5l m i n 的乳化液泵组合成流量为 2 5 0 l m i n 的乳化液泵站，其中2 台工作，2 台作为备用，其备用容量为1 0 0 。但2 台 或3 台工作中的泵同时出现故障是一件小概率的事件，所以l 台泵作为备用是可以保证 泵站的正常工作的，但却能获得更好的技术经济效益【9 】。 从液压支架的工作循环过程来看，液压支架升、降、推、移不同工序供液压力与供 液流量对其影响不同，单纯的提高供液流量与供液压力并不会缩短所有工序的时间，反 而可能造成泵站能耗增大。所以有必要对液压支架工作循环过程中的不同工序的供液压 力变化进行仿真计算，以确定流量对不同工序的影响，便于调整泵站的开启台数，进行 流量调节。 从当前乳化液泵站的自动化程度来看，国内传统的两泵一箱式乳化液泵站基本依靠 人工手动操作，对于高产高效综采工作面如采用多台乳化液泵并联供液，则需要根据工 作面液压支架的流量需求按一定的次序调节各泵工作状态，人工操作已无法满足控制要 求。此外，乳化液泵站目前也缺乏有效的监控与保护的手段，无法监测泵站电机与轴承 的温度，乳化液箱的液位，人工添加乳化油容易造成干泵事故。解决这些问题的根本措 施就是实现乳化液泵站的自动控制与监测。 乳化液泵站是井下综采工作面支护设备的动力源泉，其额定流量和供液压力直接影 响到液压支架的移架速度，而其工作状态好坏直接影响到全矿井的生产。因此，从降低 制造成本和使用费用，提高泵站工作效率和预防重大设备安全事故等方面来考虑，以目 前国内所能提供的高压小流量乳化液泵为基础，采用多泵并联供液的组成形式并配套相 应的监测和控制系统实现多台乳化液泵有序并联供液是很有意义的。 1 2 国内外综采技术发展现状 1 2 1 国外综采技术现状 二十世纪八十年代以来，美国、德国、澳大利亚等先进的采煤国家依靠高新技术与 先进适用技术的支持，积极进行矿井的技术改造及技术装备的更新换代。大功率可控传 动、微机工况监测监控、自动控制、机电一体化等先进技术已运用于不同煤层条件的高 效综采大型设州新型综采设备在传动功率、设计生产能力大幅增加的同时，设备功能 内涵发生重大突破，并实现了综采生产过程的自动化控制。综采设备的成套生产能力已 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 达到3 0 0 0 t 以上，在适宜的煤层条件下，采煤工作面可实现年产8 0 0 - - 1 0 0 0 万t ，矿井 的年产可突破1 0 0 0 万t ，出现了“一矿一面，一个采区，一条生产线的高效集约化生 产模式。目前美国、澳大利亚、德国等发达国家已经推广应用煤矿高效集约化的生产技 术，实现了从普通机械化生产向高效集约化的过渡纬前煤炭的高效集约化生产是世界 煤炭工业发展的方向。 美国和澳大利亚依赖其良好的资源条件，大力推广长壁综采技术，工作面开采强度 不断增加，生产技术装备不断升级更新，长壁开采产量不断上升毽、英等煤矿开采历 史长、资源条件差的国家在削减煤炭产量的同时，加紧煤炭企业技术装备更新，综采生 产取得新进展。 美国和澳大利亚做为煤炭主要生产国，其长壁综采工作面技术位居世界前列。近1 0 年来，美、澳两国致力于发展超级综采工作面，其特点为：工作面宽度大、采区走向长、 年产量高、综采采区煤炭储量大。据统计，1 9 9 2 - - 2 0 0 2 年，美国超级综采面倾斜长度从 2 2 4 m 提高到2 8 2 m ，增加了2 5 ；综采面走向长度从1 8 6 0 m 增加到2 0 9 7 m ，增加了1 2 7 ； 综采面平均年产由1 1 4 8 万t 增加到3 2 0 万t 。澳大利亚也有很大的提高，目前其综采 面宽度为2 2 7 m ，综采面走向长度为2 1 6 0 m ，年产量为2 8 2 万t 。超级工作面所处采区的储 量一般约为6 0 0 万8 0 0 万t 。美国和澳大利亚己经规划出储量为1 0 0 0 万t 的采区，这 意味着采区走向长度可达6 0 0 0 8 0 0 0 i l l 哪蝴嘲暇彻【1 4 】。 1 2 2 我国综采技术现状 我国的煤炭开采以地下为主，约占总产量的9 5 ，综采工作面数量大致与世界总和 相当，综合机械化采煤是我国煤炭开采技术的主要发展方向。2 0 世纪7 0 年代我国综采 技术起步发展，8 0 年代国内研制开发了多种综采机械化开采装备和适应不同煤层条件的 采煤工艺；9 0 年代我国高产高效矿井快速发展，厚煤层综放开采技术取得突破进展，潞 柚 安、兖州等矿区采用综采放顶煤开采工艺实现了日产达万吨、年产达2 0 0 , - - - , 3 0 0 万髓9 9 6 年国内在综采工作面电压不升级的情况下研制开发出“日产7 0 0 0 t 综采成套装备 攻克 了大功率传动技术、中部槽铸焊结合技术、液压支架高撑载技术和快速移架技术，使我 国综采成套装备在技术上取得突破性进展。新世纪伊始，国内积极研制开发具有国际先 进技术水平的大功率电牵引采煤机、重型刮板输送机、带电液控制系统的强力液压支架 和多点驱动大运力矿用带式输送机，配套设备的生产能力达到1 5 0 0 2 0 0 0 t h ，在适宜 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 的煤层和矿井条件下，综采工作面可实现年产3 0 0 万tj 力 2 0 0 4 年，神东公司大柳塔矿( 一矿两井) 创造煤矿全年产量2 1 0 9 5 5 8 8 万t 。刷新 煤矿年产世界纪录。神东公司榆家梁矿( 一井两面) 创造煤矿单井全年产量1 4 8 0 万t ， 刷新煤矿单井年产世界纪录。神东公司上湾矿综采工作面生产原煤1 0 7 5 万t ，刷新综采 工作面年产世界纪裂叫舢i 瑚嗍【1 4 1 。 1 3 国内外综采装备发展动态 1 3 1 国外综采装备发展动态 2 0 世纪末期以来，高新技术不断向采矿领域渗透，美、澳、英、德等国家采用了大 功率可控传动、微机工况监测监控、自动化控制、机电一体化等先进技术来适应不同煤 层条件的高效综采大型设备，使得矿井的设计生产能力大幅度增加，并取得很好的技术 经济效果。世界主要采煤设备制造商在综采设备方面展开了激烈的竞争，导致了企业的 重构，形成了以德国的d b t 和e i c k h o f f ，美国的j o y 公司为代表的国际采煤设备厂商， 基本垄断了综采设备高端产品市场。目前，国外高产高效综采工作面正向“设备重型化、 ，1 工作面大型化 方向发展a l r 国外采煤机装机功率超过2 0 0 0 k w ，且均装备了以微机为核心的电控系统，采用先进 的信息处理和传感技术，对采煤机的运行工况及各种技术参数、信息进行采集、处理、 显示、储存和传输，实现了机电一体化。牵引速度达到3 0 1 1 1 m i n ，生产能力达到7 5 t m i n 。 如德国e i c l d l o f f 公司的s l 5 0 0 采煤机采高范围3 6 6 o i i l ，装机总功率为2 1 4 0k w ，牵引 速度达到3 0 m m i n ，可以截割f = l o 的煤和岩石。美国j o y 公司的7 l s 6 采煤机截高2 o 5 5 m ，装机总功率1 8 6 0 k w ，最大牵引速度可达3 0 m m i n 可以截割f = l o 的煤和岩石。 国外综采液压支架的架型主要为高工作阻力的两柱掩护式支架，其支护工作阻力已 超过1 2 0 0 0 k n ，支护高度达到6 o l ，支架中心距达2 0 i i l ，支架立柱缸径最大达4 8 0 姗； 支架结构为整体项梁、刚性连接的分体式底座，支架带有提底座装置，支架推移机构为 推移千斤顶反装的倒拉框架式结构；支架控制方式为环形供液及电液阀控制，可以实现 自动调整支架支护状态，具备双向顺序和成组顺序控制；实现了带压移架，支架的降、 移、升循环时间小于l o s ，支架的寿命试验高达5 0 0 0 0 次以上，其强度高，工作阻力大， 稳定性好，大大减轻了工人劳动强度，改善了生产条件。如德国d b t 公司研究开发的液 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 压支架p m 4 电液控制系统，己实际应用到了全自动化无人刨煤综采工作面，其中2 柱掩 护型液压支架的支撑高度为2 7 6 o m 、支架宽度为1 7 5 m ，工作阻力1 0 3 4 0 k n 、推移步 距8 6 5 m m f ，6 国外工作面刮板输送机向着大运量、软启动、高强度、重型化、高可靠性方向发展。 重型工作面刮板输送机采用交叉侧卸式机头卸载装置，增大了中部槽结构尺寸，链条技 术取得了长足进步，在机头机尾均采用双机，大幅度提高了输送能力和设备的可靠性。 刮板链多采用双中链形式。刮板链的张紧方式，除传统的机械张紧装置外，还增加了伸 缩机尾的液压自动张紧装置。目前先进刮板输送机的主要特点是整体铸造中部槽或组合 焊接中部槽，减少了螺栓联接，提高了可靠性，使用寿命达到6 0 0 1 2 0 0 万t 过煤量； 采用3 8 m m 和4 2 m m 大直径刮板链；采用软启动技术，使用双缓液力耦合器或排水型耦合 器，配有程序逻辑控制器控制水的流速，软启动大大提高了输送机的可靠性，使链子和 链轮的寿命加倍；故障诊断和工况监测技术，可以连续监测输送机各种部件的运行状态， 进行故障诊断和报警陋脯吁一喘嘟峒【1 7 1 。 1 3 2 我国综采装备发展动态 自8 0 年代开始大规模引进国外综采设备，经历了消化、吸收、改进和提高的过程， 到目前已形成了较完整的设计、制造和科研体系。先后研制成功经济型综采成套设备、 薄煤层、中厚煤层及大采高等成套综采设备。目前国内采煤机、液压支架和刮板输送机 也在向大型化、大功率、高强力方向发展，同时人工智能控制系统等先进控制方法的研 究也在同步进行，以实现工作面开采自动化。【，刭 目前国内使用的采煤机械主要是可调高的双滚筒采煤机，现代滚筒采煤机均为可调 高摇臂滚筒采煤机，其发展是从有链到无链：由机械牵引到液压牵引再到电牵引；由单 机纵向布置驱动到多机横向布置驱动；由单滚筒到双滚筒，且向大功率、遥控、遥测、 智能化发展，其性能日臻完善，生产率和可靠性进一步提高，工况自动监测、故障诊断 以及计算机数据处理和数显等先进的监控技术已在采煤机上得到应用。国内采煤机械的 技术特点主要是牵引方式向电牵引方向发展、装机总功率不断增大和监控保护系统的智 能化，目前新设计的滚筒采煤机几乎都采用多电机横向布置，取消底托架，各大部件间 采用液压螺栓、哑铃销、偏心锁紧螺母等联接；大力开发电牵引采煤机且装机功率1 0 0 0 k w 以下的电牵引采煤机已成熟，装机功率2 0 0 0 k w 电牵引采煤机也在研制中，国内使用的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 交流电牵引采煤机的电牵引调速系统主要有交流变频调速系统、电磁转差离合器调速系 统和开关磁阻电机调速系统9 刁 液压支架是综采工作面主要设备之一，近十年来液压支架的主要发展趋势是向两柱 掩护式和四柱支撑掩护式架型发展，参数向高工作阻力、大中心距发展，结构件主要采 用高强度钢，支架的设计使用寿命已大于6 0 0 0 0 个循环。我国液压支架经过2 0 多年的 发展，取得了显著成绩，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，但国产液压支架技术含量偏低，电液控制阀可靠性差，7 ；j 国产工作面刮板输送机与国外先进设备相比除生产能力、性能参数偏低外，在元部 件可靠性、软启动技术、在线实时监测监控和自动控制技术方面差距更大。随着长壁采 煤工作面长度的增加和煤炭产量的不断增长，工作面刮板输送机也发展成为大功率、高 强度、高可靠性的运输设备，工作面输送机链的直径也不断增大。国内先进的刮板输送 机采用整体铸造中部槽或组合焊接中部槽，减少了螺栓联接，提高了可靠性，使用寿命 达到6 0 0 - - - - 1 2 0 0 万t 过煤量；同时采用4 2 m m 大直径刮板链和软启动技术，使用双缓液 力耦合器或排水型耦合器，配有程序逻辑控制器控制水的流速。大大提高了输送机的可 靠性，使链子和链轮的寿命加倍；另外刮板输送机故障诊断和工况监测技术也得到了广 泛应用，可以连续监测输送机各种部件的运行状态，进行故障诊断和报警 m m ， 【1 4 】1 1 5 】【蛔洄 1 4 主要研究内容及研究方法 本文主要从以下几个方面进行了研究： 1 、分析了液压支架的静态移架速度与动态移架速度 提高乳化液泵站流量和压力的主要目的是提高液压支架的移架速度。液压支架的移 架速度可以用静态移架速度和动态移架速度来衡量。液压支架的静态移架速度是在实验 室条件下测定的支架移架速度，是支架液压系统的重要指标，一般用户在采购时提出的 移架速度指标就是支架的静态移架速度。动态移架速度是工作面支架的移架速度，也是 液压支架实际移架速度，它将直接影响采煤机的工作牵引速度。 本文从综采工作面生产能力和采煤机牵引速度的角度分析了对液压支架移架速度 的要求。从液压支架液压系统压力损失的角度分析了影响液压支架静态移架速度的因 素。依据液压支架液压系统数学模型分析了乳化液泵站参数对液压支架的动态移架速度 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 的影响。 2 、设计了基于压力控制的多泵并联乳化液泵站液压系统 在满足对乳化液泵站基本要求的基础上设计了基于压力控制的多泵并联乳化液泵 站液压系统。分析了该系统的基本工作原理，并对其中关键液压元件一电液机械卸荷 阀的工作原理进行了分析。 3 、建立了乳化液泵站与液压支架液压系统数学模型并进行了仿真分析 分析乳化液泵站各参数对液压支架动态移架速度的影响，首先要对液压支架的各工 况进行动态描述，建立包括机械系统、液压系统参数和特性的综合数学模型。进行仿真 计算，确定支架的移架总时间，计算移架速度。 本文主要采用功率键合图方法对液压支架在工作面的使用情况进行动态分析，建立 各液压元件及系统的功率键合图，根据键合图推导出液压系统状态方程，然后进行仿真 计算和分析。 4 、确定了协调多泵并联乳化液泵站运行的控制方法 一 依据仿真结果以及对液压支架工作循环的分析确定控制系统中各个参数的设定方 法，为不同型号的液压支架及其与之配套的泵站提供了参数设定的一般规律。 5 、基于可编程控制器设计了乳化液泵站监测与控制系统 从开发周期、可靠性与成本等角度考虑采用可编程控制器开发该套控制系统。本文 论述了该套系统的控制原理，系统结构组成，包括设备选型、硬件结构、软件结构、通 讯实现以及设计中的一些其他问题。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章液压支架液压系统与动静态移架速度分析 液压支架是以高压液体为动力，由金属构件和若干液压元件组成，能实现支撑、切 项、自移、推溜等工序，与大功率采煤机、大运量可弯曲刮板输送机组成回采工作面的 综合机械化设备。由于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，它的使用能增加采煤工作面的产量、提高劳动生产率、降低成本、减轻工人体力劳 动和保证生产安全。因此，液压支架是实现采煤综合机械化和自动化不可缺少的主要设 备 1 8 1 1 9 2 0 。 2 1 液压支架工作原理与分类 液压支架主要由顶梁、立柱、底座、推移千斤顶和控制阀等组成，其基本动作包括 升柱、降柱、移架和推溜。 图2 - i 液压支架工作原理 f i 9 2 1w o r k i n gp r i n c i p l ed i a g r a mo fp o w e r e ds u p p o r t 1 一顶梁2 一立柱3 一底座4 一推移千斤顶 5 一安全阀6 一液控单向阀7 、8 一操纵阀9 一刮板输送机 2 1 1 液压支架工作循环 支架的升降依靠立柱的伸缩来实现。 ( 1 ) 初撑 将操纵阀8 置于升柱位置，由泵站排出的高压液体经管路、操纵阀8 和液控单向阀 6 进入立柱2 的下腔，同时立柱上腔回液。立柱升起撑紧在顶、底板之间。当立柱下腔 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 压力达到泵站工作压力时，初撑阶段结束( t o 时间) 。这时，支架所有立柱对顶板产生的 支撑力( 即支架的初撑力) 为 e , - 孚枷1 0 3 槲 ( 2 - 1 ) 式中：忍泵站工作压力，m p ad 立柱的缸径，m 拧立柱的数目 ( 2 ) 承载 初撑结束后，将操纵阀置于中间位置，立柱下腔的工作液体被液控单向阀6 封闭。 随着顶板下沉，立柱下腔液体压力升高，立柱对顶板的支撑力也随之增大。这是支架的 增阻阶段( f l 时间) 。当立柱下腔液体压力达到安全阀5 调定压力只时，安全阀开启溢流， 立柱收缩，支架随项板下降。当立柱下腔压力低于尼时，安全阀即关闭。这就是支架的 恒阻阶段( t 2 时间) 。这时，支架所有立柱对顶板的支撑力即液压支架的工作阻力为 尸：丝尼刀1 0 3 圳( 2 2 ) 4 式中：足安全阀调定压力，m p a 液压支架特性曲线如图2 2 ，表示工作阻力随时间的变化的情况。增阻阶段f l 的长 短与顶板下沉速度、支架初撑力大小即初撑质量有关。较大的初撑力和较好的初撑质量 可以较快地达到工作阻力，延缓顶板的下沉，增加顶板的稳定性。液压支架的恒阻特性 保证支架构件在给定的强度范围内工作。 图2 - 2 液压支架的特性曲线 f i 9 2 - 2w o r k i n gc h a r a c t e r i s t i cc u r v eo fp o w e r e ds u p p o r t t o 一升柱初撑阶段毛一增阻阶段t 2 一恒阻阶段 ( 3 ) 卸荷 将操纵阀8 置于降柱位置，高压液体进入立柱上腔，同时打开液控单向阀6 ，立柱 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 下腔回液，支架下降，使顶梁1 脱离顶板n 剐】。 ( 4 ) 推溜 支架和输送机的前移，都是由底座3 上的推移千斤顶4 来完成的。 当需要移架时，先降柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移千斤项的活塞杆 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。 当需要推移输送机时，支架支撑项板后，使高压液体进入千斤项的活塞腔，另一腔 回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁1 8 】。 2 1 2 液压支架分类 按在采煤工作面的安装位置来划分，液压支架分为端头支架和中间支架。中间支架 按其结构形式划分，可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式三类。 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 又可分为垛式支架和节式支架两种。 掩护式支架利用立柱、短顶梁支撑顶板，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，控项距小；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；而且使顶梁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。 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，适用于压力较大、易于冒落的中等稳定或稳定的项板1 8 1 1 1 9 1 。 2 2 综采工作面液压支架液压系统 综采工作面支架液压系统属于液压传动中的泵一缸系统，主要由主供液系统和支架 液压系统组成。主供液系统包括泵站、供液、回液管路。支架液压系统主要包括并联在 供液回液管路上的端头支架和中间支架液压系统。 工作面液压系统采用低粘度高水基的乳化液作为工作介质，系统工作压力高、流量 大。主供、回液管路长度长。工作面的液压缸、操纵阀及其它调节和控制装置的总数很 大。为了保证系统具有较高的容积效率及工作人员的安全，液压系统的元部件要有很好 太原理工大学硕士研究生学位论文 的密封性和可靠性。 液压支架的立柱和千斤顶的工作液体，是由设在工作面下顺槽中的乳化液泵站供应 的，乳化液需要长距离的输送，在液压支架和工作面刮板输送机前移时，支架液压系统 中有很大容量的工作液体循环流动，压力损失较大2 0 】【2 1 1 1 2 2 1 。 2 2 1 主供液系统 主供液系统包括乳化液泵站、高压过滤站、顺槽进回液管路、工作面进回液管路及 有关接头。泵站设置根据系统设计要求确定，一般情况下一泵供液，一泵备用方式；如 系统流量要求比较高时，则采用双泵或多泵供液，一泵备用方式。泵站的固定方式有两 种，第一种为固定泵站方式，这种方式一般采用远距离钢管供液；另一种方式为移动泵 站方式，这种方式是将泵站固定在设备列车上，供液距离较固定泵站方式近得多，采用 高压胶管供液。在我国常采用移动泵站供液形式。 主供液系统供液与回液管路的布置方式有简单单线供液、环形供液、单线分支供液、 梯形网络供液和半工作面供液2 。 简单单线供液系统如图2 - 3 ，当泵站采用固定式或半固定式集中供液，或工作面长 度很大时，远离泵站的支架供液压力损失很大，导致支架的初撑力远远小于额定初撑力。 同时由于实际移架力达不到设计移架力，从而影响移架速度。但单线供液系统结构简单， 维护简便，使用成本较低，压力损失较大的问题可以采用适当增大管径来解决，所以使 用非常普遍。 p r 支架 液压 系统 支架 液压 系统 支架 液压 系统 支架 液压 系统 图2 - 3 单线供液系统 f i 9 2 - 3f e e df l o wm o d ew i t hi n g l ei n l e ta n do u t l e t 环形供液方式如图2 _ 4 ，环形供液方式是工作面首尾两套进回管路分别相连，高低 压管路分别形成一个环形的工作面供液系统。这种系统弥补了简单单线供液系统的不 足，相当于缩短了工作面的供液长度。但额外增加的管路会导致管路投资增加，而且由 于多增加了两条管路供液系统发生故障的几率也在增大。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 p r 支架 液压 系统 支架 液压 系统 支架 液压 系统 支架 液压 系统 图2 - 4 环行供液系统 f i 9 2 - 4c i r c u i tf e e df l o wm o d e 梯形网络供液方式如图2 5 ，梯形网络供液方式是在环形供液方式的基础上，将工 作面支架液压系统分成若干段，每段若干支架形成一组，每组支架增设一组进回液管路， 分别与环形进回液管路相连，在工作面形成梯形网络供液方式。梯形网络供液方式是环 形供液方式的改进型，这种方式的优点是工作面任何位置的支架进回液通道都有多条渠 道，大大减少进回液的压力损失，从而提高了工作面整体液压支架的移架速度。但梯形 供液系统管路较多投资过大，而且故障发生几率较高，综采工作面几乎不采用这种方式。 p r 2 2 2 液压支架液压系统 图2 - 5 梯形供液系统 f i 9 2 - 5l a d d e rn e tw o r kf e e df l o wm o d e 典型液压支架的液压系统如图2 6 t 1 8 】： 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 - 6 液压支架液压系统 f i 9 2 - 6h y d r a u l i cs y s t e mf o ras u p p o r t l 一截止阀2 一过滤器3 一操纵阀4 一单向阀 液压支架在工作面支护顶板，要求有较大的支撑力，当初撑结束后，立柱活塞腔被 封闭，达到工作阻力时油液压力可达4 0 m p a 以上，这就要求支架必须采用相应的控制和 保护元件，而且这些液压元件要有足够的耐高压强度。 由于井下环境潮湿，又有煤尘，工作空间有限，主要部件的检修工作一般不在工作 面进行。为此，不仅要求支架拆卸方便，而且每个支架应形成独立的液压系统，并装设 断路阀，以便更换部件和进行局部检修。 支架所用的工作液体为5 左右的乳化油和9 5 左右的水配制的乳化液，它对系统 中各元部件的密封性和防锈性等，均有较高的要求 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 支架的基本动作是升、降、推、移，但有时为了动作可靠，或是预防性的保护，或 是相互闭锁等需要，加上一些辅助动作的千斤顶和阀件。按照支架的工作过程和动作元 件，可将支架液压系统分为立柱控制系统和千斤顶控制系统。立柱和千斤顶控制回路包 括支柱、千斤顶活塞腔的锁紧、限压回路和打开支柱与千斤顶活塞腔液路的控制回路。 立柱控制回路基本形式包括：单柱控制回路、多柱控制回路、带压移架回路、锚固 支架和端头支架的闭锁回路以及提高支柱初撑力的回路。 液压支架的千斤顶包括前梁、限位、推移、平衡、侧推、防倒、防滑和调架千斤顶 等。这类千斤顶的控制系统一般由油缸加上一些必要的液压阀组成。常用的千斤顶控制 回路包括推移控制回路、单向锁紧回路，差动回路，单向锁紧限压回路、双向锁紧限压 回路等1 1 8 】【1 9 2 0 l 。 2 3 综采工作面生产能力分析及移架速度要求 2 3 ，1 综采工作面生产能力分析 q 蛔= n h l b p c ( t d ) 式中：q 向工作面日产量( t d ) ； 三工作面平均长度( 肌) ； p 煤层实体密度( t i m 3 ) ： 日进刀次数； n ：盟 f 疋采煤机开机率； 丁日采煤作业时间( ) ； t = + 岛+ n 厶 ( 2 - 3 ) 日工作面平均采高( m ) ； 召采煤机滚筒截( m ) ； c 工作面回采率( ) ； ( 2 - 4 ) ，割一刀煤所需时间( m i n ) ( 2 - 5 ) 割一刀煤的纯割煤时间( m i n ) ； 乞割一刀煤的空牵引时间( m i n ) ； 毛每一次换向所需时间( r a i n ) ； 刀割一刀煤的换向次数； 分析( 2 - 3 ) 式可得，综采工作面的产量可通过增加每日的进刀数来提高。每日进刀数与 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 采煤机开机率置、每日采煤作业时间丁和每割一刀煤所需时间，有关。开机率k ：受到 工作面各生产系统及各设备的可靠性的影响；每日采煤作业时间丁与作业形式有关，现 大多采用四六制，即三班采煤，一班检修准备；割一刀煤所需时间t 由采煤机的截割能 力即牵引速度决定，而采煤机牵引速度又受液压支架移架速度和工作而割板输送运输能 力的制约，同时还受到采煤机工作方式等因素的影响【2 3 】1 2 4 1 。所以说，综采工作而生产能 力是由采煤机截割能力、液压支架移架速度、工作而刮板输送机运输能力等因素和各生 产系统能力决定的综合指标。各工序或生产系统相互制约，配合协调可得到最佳综合能 力，否则生产系统的能力将受限于某一工序。 2 3 2 综采设备生产能力分析 1 、采煤机实际生产能力 q 胁= 6 0 h b v q p k , k 2 ( t h ) ( 2 6 ) 式中：q m 采煤机工作面的实际产量： 日工作面平均采高( 历) ； 在所给工作面条件下可能的最大工作牵引速度 b 采煤机滚筒截深( 肌) ； 墨与采煤机技术上的可靠性和完备性有关的系数，一般为0 5 - - 0 7 ； 匠考虑由于工作面其他配套设备的影响( 如采区运输系统衔接不良、输送机和 支护设备出现故障等) 、处理项底板事故、劳动组织不周等原因造成的采煤机被 迫停机所占用的时间，一般为0 6 - - 0 6 5 。 2 、刮板输送机生产能力 q y = 6 呱船胪k ( t h ) ( 2 7 ) 式中：q y 刮板输送机生产能力，考虑到运输条件差导致的能力降低系数取1 1 1 5 ； 当采煤机牵引速度k = 2 5 1 3 1 m l m i n 时，要求工作面输送机的生产能力 q y = 5 2 7 2 7 4 2 t l h 。我国目前大多数综采工作面使用的刮板输送机的能力为 q r = 6 0 0 1 0 0 0 t l h 。与之相适应的采煤机速度k = 4 6 m l m i n 。最大年产仅在1 3 5 万吨左右。要提高综采