（机械设计及理论专业论文）液压支架动态检测与控制系统研究.pdf

太原理工大学硕士学位论文 摘要 x s 1 3 3 s 譬 液压支架作为煤矿井下安全支护的主要设备，已经成为煤矿安全生 产的重要环节。对液压支架的动静态特性的分析，主要是为了预测液压 支架及其元部件的性能，以便于设计出性能优良的产品或者对已有产品 的性能进行合理的评价，找出有效的改进措施。由于煤矿井下的环境恶 劣，液压支架实际工作过程中所表现出的真实特性变化较难获取。如果 能掌握这些资料，对了解现有支架系统的动态特性和指导新支架系统的 设计有着深远的意义。液压支架动态测试与控制系统就是基于这种思想 而设计的。 在目前计算机测试与控制技术迅速发展的背景下，运用先进的计算 机控制技术，把液压支架的各个测试设备联系起来组成一套完整的自动 化测控系统，做到花钱不多，而效果与成套的自动化测试设备相同或相 近，是一项很有意义的课题。 本课题研究了液压支架的计算机测试与控制系统及其开发设计方 法。综合运用了先进的微机控制技术、液压传动理论。用最新的v c + * 6 0 为开发平台完成的一套基于w i n d o w s 的监控软件，实现了液压支架动态 特性的测试，以及手动、程序、遥控三种控制方式。操作方便、数据处 理功能强大。 本系统经过试验验证，运行可靠，基本上满足了目前液压支架特性 的测试与控制。对于液压支架设计和研究有着重要的意义。 关键词：液压支架 试验台架计算机控制数据采集 太原理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e g a r d e da st h em a i ns u p p o r ta n ds e c u r ee q u i p m e n tu n d e rm i n e ，p o w e r s u p p o r th a v eb e c o m ei m p o r t a n tm a c h i n eo fs a f e t yp r o d u c t t oa n a l y z et h e s t a t i ca n dd y n a m i cf e a t u r eo f p o w e rs u p p o r ti sm a i n l yt of o r e c a s ti t sf e a t u r e a n di t s c o m p o n e n t s ，w h i c hd e s i g n e dt h eg o o dp r o d u c t i o na n da p p r a i s e d r e a s o n a b l y i t sc h a r a c t e r i s t i c st of i n do u te x c e l l e n t o p t i m i z a t i o n m e a n s b e c a u s eo fb a dc o n d i t i o ni nt h em i n e ，i ti sv e r yd i f f i c u l tt og a i nt h er e a l i t y c h a r a c t e r i s t i c so f p o w e rs u p p o r t i nt h e p r a c t i c e w o r k i ft oh o l dt h e i n f o r m a t i o n ，i ti st h ef a r - r e a c h i n gs i g n i f i c a t i o nt or e a l i z es u p p o r td y n a m i t i c f e a t u r ea n dc r e a t et h en e ws u p p o r t b a s e do nt h e c o n s i d e r , d e s i g n e dt h e e x a m i n a t i o n s y s t e m a b o u tp o w e r s u p p o r t sd y n a m i c t e s ta n dc o n t r 0 1 w i t ht h ec o m p u t e rt e s ta n dc o n t r o lt e c h n o l o g yr a p i dd e v e l o p m e n t ，i ti s t h e s i g n i f i c a t i v ep r o j e c t t ol i n kt h ea d v a n c e d c o m p u t e rc o n t r o lw a ya n d p o w e rs u p p o r te a c ht e s te q u i p m e n tt o b et h ew h o l ea u t o m a t i ct e s t s y s t e m ， w h i c h g e to n e sm o n e y sw o r t h a n dr e a c hs a l n ea n d a p p r o x i m a t ep u r p o s et h a n t h ew h o l es e ta u t o m a t i z a t i o nt e s te q u i p m e n t i nt h ea r t i c l e ，i n t r o d u c e dt h ee x a m i n a t i o ns y s t e mo fp o w e rs u p p o r t s c o m p u t e r t e s ta n dc o n t r o la n dm e a n st od e s i g na n dd e v e l o ps y s t e m w i t ht h e u pt ot h em i n u t ev c + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a t et of i n i s ht h et e s ta n dc o n t r o l s o f t w a r eb a s e do nw i n d o w so p e r a t e s y s t e m ，t o l i n k c o m p u t e ra n dt e s t e q u i p m e n tr e a l i z e d t ot e s tp o w e rs u p p o r t sd y n a m i cf e a t u r ea n dt h et h r e e m e a n st oc o n t r o l s u p p o r t w h i c hi s m a n u a l ，p r o g r a ma u t o m a t i z a t i o n a n d r e m o t ec o n t r 0 1 太原理工大学硕士学位论文 t h es y s t e mi st e s t i f i e d b ye x a m i n a t i o n ，w h i c hb a s i c a l l ys a t i s f i e d p r e s e n t l yp o w e rs u p p o r t t e s ta n dc o n t r o l k e y w o r d s ：p o w e r s u p p o r t ，e x a m i n a t i o nt a b l e ，c o m p u t e rc o n t r o l ， d a t a s a m p l e 太原理工大学硕士学位论文 第一章文献综述 1 1 液压支架的发展动态和研究状况 2 0 世纪j o 年代中期，随着科学技术的不断发展，一种用于变革煤 炭开采工艺新技术，新装备的综合机械化采煤技术出现了。从1 9 5 4 年在 英国诞生了第一个综采工作面后，综采技术就不断得到发展和完善，在 世界范围内得到广泛的应用，成为煤炭工业技术发展的方向。到1 9 7 0 年 英国已装备7 0 0 个综采工作面，德国已装备4 0 0 个综采工作面，其综采 程度均达到9 0 以上。随后综采技术在日本、波兰、法国、前苏联等主 要产煤国家得到进一步的推广应用，同时也被向来以房柱式连续采煤机 开采为主的美国、澳大利亚和南非等国家所采用。综采矿井生产系统配 备设备，除包括直接与综采工作面刮板运输送机连接的顺槽转载机、破 碎机及带式输送机外，还应包括提升设备、掘进及支护设备、工作面供 电设备、通风排水设备等。要保证综采工作面设备效能的充分发挥，必 须保证生产系统各环节具有足够的通过能力和适应能力。即要保证提升 能力达与运输环节能力。运输环节能力大于工作面生产能力；要保证掘 进速度、通风能力与供电能力适应于工作面实际需要。掘进速度跟不上 综采工作面的推进速度是一个大问题。矿井的不合理布局，必然导致巷 道掘进量的增加。目前我国采掘严重失调的主要原因就是掘进机械化作 业中，支护作业未能实现机械化、须尽快推广掘进支护的技术。 1 1 1 国内外液压支架的发展动态 作为综采工作面关键设备的液压支架，经历了几个阶段的发展过程。 太原理工大学硕士学位论文 j o 年代英国研制的垛式支架和法国研制的节式支架代替了木支架、金属 摩擦支架、液压支架，开辟了采煤工作面支护设备的技术革命；6 0 年代 前苏联研制并改进的o k t 型掩护式支架( 具有四连杆机构) ，从根本上 解决了支架梁端距变化大且不能承受水平力的问题，开辟了液压支架设 计的新时代；7 0 年代主要是“立即支护”方式；8 0 年代以来，为提高生 产率和降低成本，在液压性能和自动化程度有了大幅度提高。如美国、 澳大利亚的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，可对液压支架的 各种动作功能进行多种方式的程序控制和性能监测。9 0 以上的美国长壁 综采工作面使用了电液控制两柱掩护支架，其额定工作阻力最高可达 9 8 0 0 k n ，初撑比为0 7 - 0 8 5 ，移架循环时间大多小于l o s 。 我国从1 9 5 8 年开始设计掩护式支架，从1 9 6 4 年开始由专门研究室 全面开展架型及阀类的攻关，1 9 7 0 年在山西大同首次全工作面装备了 t z 一1 4 0 型垛式液压支架。至7 0 年代中期，研制了q y 型掩护支架和z y 3 5 型支撑掩护支架。8 0 年代以来，开发了适用于坚硬顶板的大吨位t z 一7 2 0 型支架，分层开采自动铺联网支架、放项煤液压支架及大流量安全阀和 操纵阀等。到目前为止，适于我国高产高效的国产液压支架有2 0 余种架 型，其中用于缓倾斜中厚煤层和缓倾斜厚煤层的各占一半。适用于缓倾 斜厚煤层高产高效的液压支架分为机械化铺联网支架、一次采全高支架 和放顶煤支架三大类。 近年来，我国采煤综合机械化的水平有所提高，随着综合机械化采 煤技术的不断发展和新型大功率采煤机、工作面输送机的出现，要求支 架与之相配套，但若支架的控制系统不作相应的改进，是满足不了这一 要求的。到目前为止，我国国产液压支架的控制方式仍然停留在跟机手 把单向邻架控制或本架控制水平。这种控制方式，虽然具有控制系统简 单、制造容易、造价较低和对煤层地质条件变化适应性较强的优点，但 太原理工大学硕士学位论文 它存在严重缺点：工人劳动条件差，安全性差；移架速度慢，影响采煤 机效率的发挥；通风条件差，支架故障率高；支架支护效能的发挥程度 与操作人员的经验多少和技能高低有密切关系。液压支架实现自动控制 后，就可有效地克服上述缺点，实现对支架的电液控制，而且有多种控 制方式可供选择，人员可在较安全的地方集中对整个工作面的支架进行 远程控制或程序控制。现在国外的普通综采工作面液压支架已实现了微 机红外线电液自动控制，可成组、成排地向前移架，额定供液压力达到 4 0 m p a ，流量3 0 0 l m i n 4 5 0l m i n ，供液管径l o o m m 1 2 0 m m ，移架速 度超过了1 0 组m i n 。而国产液压支架还是中低压小管径供液，人工手动 操作。现场实际统计，前移一组支架大约需1m i n 。最大的支架供液压 力不超过3 2 m p a ，供液管径2 5 m m 3 0 m m ，流量在1 5 0 l m i n 2 0 0 l m i n 。 二柱掩护式液压支架的工作阻力7 8 0t ，架宽1 5 m ，采用p m 4 型红外线 电液控制系统，由采煤机微电脑远距离控制，支架立柱直径超过4 0 0 m i l l ，移架速度1 0 组m i n 。 8 0 年代以来，世界主要采煤国家一直围绕减面提产、减人提效、降 低成本、实现矿井集中生产做努力，他们积极开发和应用新技术，致力 于高性能、高可靠性的新一代重型液压支架的研制。新型液压支架普遍 具有微型电机或电磁铁驱动的电液控制阀，推移千斤顼装有位移传感 器，采煤机装有红外线传感装置，立柱缸径超过4 0 0 m m 。为减少割煤时 间，一般采用0 8 l m 的截深。支架还采用屈服强度8 0 01 0 0 0 m p a 的钢 板，既有较高的强度、硬度和韧性，又具有良好的冷焊性能。随着长壁 工作面长度的不断增加，为适应快速移架的需要，国外还广泛采用高压 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 5 0 0 l m i n ，可实现工作面成组或成排快速移架，达到6 8 s 架。 美国是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 太原理工大学硕士学位论文 5 0 m p a 、额定流量4 7 8l m i n 的乳化液泵站，以实现支架快速推进，移架 速度达6 8 s 架。美国的高产高效工作面采用两柱掩护式支架，使用 寿命8 1 0 年，可用率高达9 5 9 8 。支架平均工作阻力6 4 7 0 k n ( 最大 为9 8 0 0 k n ) ，支架宽度普遍增大，中心距达到1 7 5 m ，并向2 m 发展，增 大架宽有利于减少工作面架数、缩短移架时间、增加有效工作时间和提 高单产。如洛斯公司2 0 英里矿在2 5 0 5 2 8 0 m 长壁综采面用工作阻力为 2 8 5 6 5 k n 电液控制两柱掩护式支架，1 9 9 7 年6 月产商品煤9 0 4 3 万吨， 成为世界上首次月产商品煤近百万吨的工作面：1 9 9 5 年9 月，糜鹿矿用 工作阻力为8 9 0 0 k n 电流控制的两柱掩护式支架，月产煤达到6 0 11 万 吨。美国综采工作面最高日产超7 万吨，最高工效1 3 3 6 t 工。澳大利亚 也基本上采用一井一面的高度集中化生产，使用两柱掩护式支架，支架 的平均工作阻力为7 6 4 0 k n 。如尤兰矿用电流控制的两柱掩护式支架，在 1 9 9 5 年8 月8 日创下澳大利亚有史以来日产3 4 l 万吨的最高记录，班 产一直保持在5 0 0 0 6 0 0 0 t 。英国也在大力发展两柱掩护式支架，工作 阻力有了很大提高，达到5 0 0 0 6 0 0 0 n 。 1 1 2 液压支架的研究状况 液压支架经历了研制试验、引进仿制和改进创新阶段，直到现在的 独立设计和制造阶段。特别是对液压支架的絮型与结构件的设计和研究 投入了大量的人力物力，达到了国外同期先进水平。然而液压支架及其 液控系统动态特性、液压支架电液控制技术和计算机辅助设计等方面的 研究起步较晚，远远落后于一些先进国家。尤其对液压支架液系统及其 控制技术的研究投入较少，存在问题最为突出，成为制约液压支架发展 的主要因素。 在我国的工业领域中，液压支架等煤矿机械的设计水平和技术水平 相对落后于其他行业，主要表现在：设计中以静态的、经验方法为主； 9 查堕堡三查堂塑主堂垡笙苎 一 各种工序中工作机构动作和各种工况转换的控制还是以手动为主；工作 过程中在线动态监测的技术还比较落后。此外液压支架的设计、研究与 采场矿山压力的研究之间存在明显的脱节问题。对液压支架的研究，一 般是在假定液压支架载荷的前提下来研究其性能；而对矿山压力的研究 又未能顾及到液压支架动态特性的影响。然而，事实上液压支架和采场 围岩之间存在着密不可分的、相互作用的动态关系。 从采场技术的发展过程而言，采场支护设备的技术水平可作为划分 采煤方法的标准之一。如普采、高档普采和综采之间的最大区别就在于 支护设备的种类和动能不同。液压支架作为采场支护设备是采煤技术史 上的一次重大变革，也是煤矿现代化的主要标志。液压支架的重量和费 用都占到综采设备总重量和费用的7 0 以上，而其动态性能又决定着对 采场围岩的适应性和综采工作面的推进速度。因此，为了实现综采矿井 的高产高效，世界各主要产煤国家都一直积极地开展液压支架的研究。 随着高产高效综采技术的发展，对液压支架的动态特性和可靠性的要求 越来越迫切，因而在液压支架的研究和设计中，不仅要利用模型试验和 优化设计等研究和设计方法，更主要的是应进行动态特性分析预测、优 化和检测；不仅需要对支架运动特性、力学特性以及稳定性等进行研究， 也需要对支架和围岩之间的相互机理进行研究，特别是采场围岩作用于 支架的载荷特性的研究。与此同时，在研究过程中，还必须注意初撑力 和加快支护速度之间相互制约关系、动态特性预测和检测之间的关系、 数学模型的仿真试验和相似模型的模拟试验之间的关系。 在研究液压支架、支架的运动学和动力学、支架与围岩的相互作用、 回采工作面围岩产生的应力，变形和位移，以及解决许多其他矿业课题 时，多采用三种主要方法：分析法、生产试验法和模拟法。每种方法根 据所解决的课题的特点又分为一系列派生的方法或者使之与其他方法相 太原理工大学硕士学位论文 结合。在确定液压支架的工作阻力、初撑力、结构和其他参数的合理数 值时，主要应采用以实际测量和观测为基础的最为可靠的生产试验研究 方法。通过液压支架的生产试验研究，可以确定不同顶板来压阶段各种 等级顶板变形的主要指标、支架液压立柱的承载和受压、支架与围岩相 互作用的条件和特性等。 1 2 计算机测试与控制系统的概述 计算机技术作为现代科学技术领域的重要成员，其发展速度异常迅 猛，巳经渗透到科学研究、工业生产的各个领域。自动控制是计算机的 一个重要应用领域，计算机与自动化技术相结合两形成的计算机控制技 术已成为当今工业生产自动化的重要支柱。而随着微型计算机技术及超 大规模集成电路技术和通信网络技术的发展，计算机控制从单机的监控、 直接数字控制( d d c ) 发展到集数控制系统( d c s ) 。集散控制系统直接应 用于现代工业自动化领域，它针对现代工业生产过程中存在的设备大型 化、工艺复杂化、过程相互制约等突出特点，贯彻了管理的集中性和控 制的分散性原则，使工业生产能保持在最佳状态下运行。 计算机控制技术在工业自动化过程中的广泛运用和迅速发展，为液 压支架的计算机检测控制系统提供了有利的条件。如果我们在支架试验 系统中引入计算机作为系统的监控核心，就可以充分发挥计算机控制的 强大功能，让计算机代替操作员来完成调节工况、测量、记录数据、异 常情况处理以及试验后的数据处理等一系列工作。具体地说，操作员只 需把控制参数输入计算机，计算机依据这些控制量自动实现对支架运动 的控制，并采集多点参数，把各点测量参数的值集中在显示屏上显示。 操作员随时可以观测整个系统各项参数的变化情况，而不必再分别查看 太原理工大学硕士学位论文 各仪表的显示。试骏过程中如果某些参数越过限定值，则系统发出报警 声，提醒操作员注意，井自动给予相应的处理。可见，使明了计算枧测 控系统以后，在整个试验过程中，操作员不褥需要人工调节、记录数据， 丽只是对系统进纭鲢控。大部分工嚣都囊计算椒来究残了，麸藤减少了 操作员鲍人数，提裹了测试效率，氆减轻了劳动强浚。试验完毕后，计 算极再怼记秉豹数据遴稽处理，生成厂家、研究入员所需要的数据表格、 熬线臀等。 计算机溺控系统其有以下几太特点。 ( 1 ) 精度高。计算机的精度与计算机的字长有关。在字长受限卷4 的 情况下，可以适当牺牲一些速度就可以换取熙够的精度。 ( 2 ) 稳定性好。计算机的时钟采用频率十分稳定的蠢英振荡器。其 输入、输蹬的数字量不会随这时阅漂移。 ( 3 ) 可纛性好。计算极采鼹大援模斡集成电路，系统率元俘数量大 大减少，系统戆麓靠悭显蓿提离。 ( 4 ) 灵活往好。在磴粹几乎不傲改动情况下，只要修改软件就可以 改变它的控制功能，实现对不同对象的控制。 ( 5 ) 实时性好。计算机控制系统具备及时处理生产过程中随机发生 的各种事件的能力。这在系统中称为“实时性”。要求控制系统的“实时” 响应越快越好。一般的响应手段主要楚靠控铡系绫的中黪娆力。对诗算 机控制系统配援台适的实时钝和完善的中叛系统，能提裹系统实封性。 ( 6 ) 舆套是诊凝功能，计舅极霹以对垒产过程豹各种参数避行溢溯， 发现参数越隈避学报警，甚至使傈护税构动作。 魏辩，计算梳控制系统还其有存储能力强，递辑运算能力强，便于 扩允，抗干抗能力强等特点。计算机测控系统主要有包括两部分，软件 系统和硬件系统。典型的计算机控制系统见图l l 所示。其中硬件系统 太原理工大学硕士学位论文 主要有主机、过程输入输出通道、总线和接口、变送器和执行器、外部 设备、操作控制合等组成。其中过程输入输出通道是模拟量和开关量的 输入输出设备的统称。软件系统包括系统软件和应用软件。 液压支架动态测试与控制系统就是基于计算机测制技术基础上建立 起来的。它可以模拟井下支架系统的升、降、支撑和行走等不同的工况 并具有完整的电液控制系统和计算机测试系统。从而通过本系统可以获 取支架在实际工况下的各种特性参数。 工卜 业 被 控 对 象一 j l | 斗模入通道感卜模人通遭 器 卜模出通道 暮开入通道 辑卜开出通道 一曩卜蓁 一替毒主机卜蒌 显示器控制台1 一 图1 一l 计算机控制系统流程图 1 3 本课题的意义及所做的工作 1 3 1 选题目的和意义 液压支架作为煤矿井下安全支护的主要设备，已经成为煤矿安全生 产的重要环节。人们针对井下的不同工况，设计了不同类型的支架，诸 如：支护式、掩护式、支撑掩护式以及放顶煤支架等。 随着高产高效综采技术的发展，对液压支架的动态特性和可靠性的 要求越来越迫切。因而在液压支架的研究和设计中，不仅要利用模型试 太原理工大学硕士学位论文 验和优化设计等研究和设计方法，更主要的是应进行动态特性分析预测、 优化和检测。不仅需要对支架运动特性、力学特性以及稳定性等进行研 究，也需要对支架和围岩之间的相互作用机理进行研究。但是由于煤矿 并下的环境十分恶劣，使得这些支架系统在实际工作过程中的所表现出 的特性变化很难获取，如果能掌握这些资料，对了解现有支架系统的动 态特性和指导新支架系统的设计有着深远的意义。液压支架的模拟试验 系统就是基于这种思想而设计的。它可以模拟井下支架系统的升、降、 支撑和行走等不同的工况，并具有完整的手动电液控制系统、计算机电 液控制系统、远距离遥控电液控制系统和计算机检测系统，可以获取支 架在实际工况下的各种特性参数。 1 3 2 本课题所做工作 本论文主要研究了以计算机为核心的液压支架检测与控制系统，并 且完成了其具体的实施和试验。在论述液压支架的实际工况基本原理的 基础上，论文第二章中介绍了液压支架动态检测与控制模拟试验系统的 结构和原理，以及电液控制系统的组成。第三章主要完成了数据检测与 控制系统的原理和实现，硬件的电路设计。第匹章介绍了软件部分的设 计。接着第五章对计算机检测控制系统在液压支架上的运行进行了试验 验证。并且得出了液压支架的动态特性曲线。在本文第六章研究了课题 中的油缸行程的测量方法，探讨了新型并联液压支架。并且对它的研究 作为论文的后续工作。 进一步完善液压支架动态检测与控制系统对了解现有支架的动态特 性和指导新型支架的设计有深远的意义。 太原理工大学硕士学位论文 第二章液压支架模拟实验系统结构及工作原理 2 1 液压支架的实际工况与工作过程 液压支架是一种具有复杂工况和特性的矿山机械，从结构组成而言， 液压支架是含有多执行元件( 立柱和千斤顶) 的机电液系统，并不包含 复杂的传动机构和控制机构。但由于液压支架工作循环中的环节多，特 别是采场围岩的复杂性，以及不同结构类型液压支架与不同类型的采场 围岩表现出不同的相互作用特性，从而导致液压支架工况和特性的复杂 性。 2 1 1 液压支架的作用与特点 采煤工作面用的液压支架是一种复杂的煤矿机械。它与滚筒采煤机、 刮板输送机、装( 转) 载机和乳化液泵站等配套使用，实现采煤综合机 械化。在回采工程中，为了防止顶板冒落，维持一定的工作空间，保证 工人安全和各种作业的正常工作，必须对顶板进行支护。而液压支架能 够可靠有效地支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石进入工 作面，并能实现支撑、切顶、移架和推移输送机等一整套工序。 由于回采工作面顶板的稳定程度和压力大小不尽相同，故出现了多 种形式的液压支架。按照液压支架与围岩相互作用的关系，目前使用的 液压支架可分为支撑式、掩护式和支撑掩护式。根据用途和在采煤工作 面的安装位置，把该三类支架统称为中间支架。此外，还有适用于特殊 采煤工艺的放顶煤支架、铺网支架、水砂充填支架等，以及安装在采煤 工作面两端与顺槽连接处的端头支架。 太原理工大学硕士学位论文 液压支架一般由架体、工作机构、液控系统以及附件四大部分组成。 架体包括顶粱、连杆、底座和侧护板等金属构件，但支撑式液压支架没 有掩护梁和连杆机构。工作机构是指立柱和各种用途的千斤顶。液控系 统包括操纵阀、控制阀( 液控单向阀与安全阀) 、侧压阀和供液回液软管 等。附件是指防倒、防滑、防转等机构，对于近水平煤层的回采工作面 可不配备这些附件。 所有液压支架的功能是相同的。支架操作工序的组成一般与其结构 型式无多大关系，而与其液压系统的工作循环相吻合。虽然支架的工序 不是很多，但回采工作面的各台支架都要重复地进行同样的工序，部分 支架既能同时进行相同的动作，又会处于不同的工作状态。单台支架的 各种动作常常是独立进行的，但也有同时进行的可能，所以支架液压系 统具有很复杂的工作状况。 2 i 2 液压支架工况分析 液压支架是以乳化液泵站的高压液体为动力，通过液控系统，按要 求使支架及附属装置完成支撑、降柱、移架、推移输送机以及防护等动 作，从而实现支护工作机械化。其中卸载、降柱、推移和升柱支架是液 压支架的主要操作工序，而支架之间的相对移动、支架及部件在空间里 保持规定的位置和前梁伸缩等为辅助操作工序。这些辅助工序可与其中 一种主要工序同时进行，或者单独进行。但调整支架应在降柱后升柱前 进行，即在移架前后或移架过程中进行。 液压支架支撑过程中，在操纵阀关闭前后( 或供液系统关闭前后) ， 工作面顶板与支架顶梁的主被动关系发生了变化。因此支架的支撑过程 可分为主动支撑( 初撑阶段) 和被动支撑阶段( 承载阶段) 两种工况。 在液压支架降柱开始时，随着封闭高压腔的液控单向阀快速开启，经常 出现瞬态的液压冲击。故支架的降柱过程可分为卸载冲击和正常降柱两 太原理工大学硕士学位论文 种工况。由于卸载降柱、推移和支撑操作工序对支架的移架速度、支护 状态和支撑性能起着决定性作用。所以在研究支架动特性时，把卸载冲 击、正常降柱、移架、推移输送机、主动支撑和被动支撑作为独立的基 本工况。 在长壁回采工作面，为了提高支架推进速度以适应采煤机的生产能 力，往往安排几名支架操作工。同时沿着工作面长度方向的顶底板地质 条件必然存在一定的差异，故对于工作面不同液压支架来说，既可出现 相同的基本工况，也可能出现不同的基本工况，且在时间和空间上都有 一定的随机性。对于每台液压支架来说，既有立柱控制回路，又有推移 千斤顶控制回路，因此可能出现不同基本工况的组合，如降柱与移架、 升柱与推移输送机等。 2 1 3 液压支架立柱的工作过程 液压支架对顶板的作用过程主要取决于其立柱的工作过程。立柱的工 作过程是在液压控制系统支配下进行的，图2 1 所示为最基本的立柱控 制回路。图2 2 所示为立柱的工作过程。 图2 1 基本的立柱控制回路 立柱2 一安全阀3 一液控单向阀4 一换向阀p 一高压管。一回液管 太原理工大学硕士学位论文 图2 - - 2 液压支架立柱工作状态示意图 2 1 3 1 升柱初撑阶段 把操纵阀置于1 的位置后，来自泵站的高压液打开液控单向阀进入 立柱下腔使支架升起。从打开操纵阀到支架顶梁接触到顶板为升柱过程， 立柱活塞腔压力从p 。增到p ，所需时间为，；从顶梁接触顶板到关闭操 纵阀为初撑过程，立柱活塞压力从p ，增到p 。，所需时间为f 。( 主要取决 于支架液压系统特性和支架操纵工的主观判断，有一定的随机性) 。p 。是 操纵阀打开前立柱活塞腔压力，p 。是升柱过程中克服运动阻力和立柱、 顶梁等自重所需的压力，p ，是初撑结束时立柱活塞腔压力，其值取决于 液压系统特性和初撑时间，也有一定的随机性。通常将p 。与立柱活塞 腔面积的乘积成为立柱的初撑力，而将支架所有立柱初撑力之和与支撑 效率的乘积称为支架的支撑力。当p 。达到泵站额定压力时，对应的初撑 力称为额定支撑力。所谓支撑效率是指支架的有效支撑力与所有立柱在 液体压力作用下产生的作用力之和的比值。有效支撑力不仅受立柱布置 的影响，而且随有效外载荷在顶梁上作用位置的变化而变化。客观地说， 所有支架在任何工况下的支撑效率都小于l 。 从设计和使用的角度来看，希望p ，接近或达到回采工作面泵站压 1 8 查堕墨三盔堂堡主堂堡垒塞 力，然而事实上是难以实现这一愿望。根据流体静力学原理，只要初撑 时间，足够大，p ，可以到达泵站压力，但是在实际生产中，支护速度必 须满足牵引速度的要求。因此，允许的初撑时间，很短，不可能使支架 初撑力达到设计要求。对于多数支架来说，如果要使p 。达到泵站压力， 所需时间，往往是，的数倍。认为初撑阶段压力急剧线性增加的观点与 客观实际有一定的差异。这是因为顶底板及支架顶梁、立柱等随着压力 的增加会产生一定的弹性变形。同时也与泵站到立柱活塞腔的复杂液控 系统特性有关。因此出现了初撑力保证系统和自动增压初撑系统等。 在计算移架速度时，升柱初撑时间为，。与f 。之和。在分析和计算过 程中不考虑t ，是不符合实际情况的。但对于具有初撑力保证系统或自动 增压初撑系统的立柱控制回路，升柱初撑时间应为打开操纵阀到关闭操 纵阀的实际所需时间，其值一般应略大于f ，由此可见初撑力保证系统 或自动增压初撑系统可以解决同时要求快速移架和提高初撑力的矛盾。 2 1 3 2 增阻承载阶段 把操纵阀置于中位时，立柱活塞内的压力液体被液控单向阀封闭， 从而使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板的逐渐下沉，立柱活塞腔 内的液体受到进一步压缩，其压力也随之升高，使支架对顶板产生更大 的支撑力，力图阻止或延缓顶板下沉。顶板的下沉规律不仅取决于顶板 岩层本身的结构特征，而且也受支架对顶板初始支撑力大小的影响。足 够大的支架支撑力，可以最大限度地保持顶板的稳定，从而减慢或延缓 顶板的下沉。一般情况下，顶板下沉比较缓慢，支架多顶板支撑力缓慢 增加。但在相邻支架处于降柱工序时，支架对顶板的支撑力会发生急剧 上升。对于大多数支架，在增阻承载阶段其支撑力缓慢增加时一般不会 1 9 太原理工大学硕士学位论文 超过安全阀的调定压力p ，而是先缓慢增 j f l 翔jp ：。，在邻架降柱移架时急 剧上升到p ：。其值能否达到或超过只取决于许多因素。当然如果在增 阻承载阶段发生顶板垮落或周期来压等情况时，应另当别论。 2 1 3 3 溢流承载阶段 在顶板不断下沉或发生顶板来压时，支架对顶板的支撑力会急剧上 升，并超过安全阀的调定压力p ，。此时，安全阀开始溢流，使立柱活塞 腔内的压力基本上恒定于安全阀的调定压力p ，。需要指出的是溢流承载 阶段可能发生在相邻支架移架前或后，有一定的随机性。图2 2 所示为 相邻支架降移后立柱活塞腔压力p 二，略超过p ，的溢流承载过程。p ：与p ， 的差值取决于顶板的下沉速度或者来压的强烈程度，同时取决于安全阀 的溢流特性。对强烈的顶板周期来压，该差值会很大，有时会导致立柱 结构或控制回路的破坏或失效。这主要是由于安全阀的溢流速度太慢而 不能适应项板压力来变化。故在易发生强烈周期来压的工作面，必须使 用装设有大流量安全阀的液压支架。溢流承载过程中，立柱活塞腔压力 有微小的波动，体现了安全阀的启闭特性。某些支架在特定的工作循环 内，可能不会出现溢流承载阶段。 2 1 3 4 卸载降柱阶段 在采煤机割煤后，必须支护新裸鳝的顶板，故要卸载降柱。当把操 纵阀置于i i 的位置后，泵站来的压力液进入立柱活塞杆腔，同时作用与 液控单向阀的顶杆活塞，迫使液控单向阀开启，解除对立柱活塞腔液体 的封锁，允许其经回液管路流到回液箱。故立柱的活塞可以回缩，支架 降落离开顶扳，其降柱时间，主要取决于降柱行程。较小的降柱行程不 仅可以减小降柱时间，而且可以缩短升柱时间f 。故对移架速度有着 太原理工大学硕士学位论文 重要意义。具有檫顶带压移架液控系统的液压支架，只需卸载时间，和 初撑时间f ，而不需升柱时间t 、和降柱时间，可见擦顶带压移架不仅 可以防止破碎顶板漏顶，而且有利于提高移架速度。但移架阻力会有很 大增加，需要配合能产生较大移架力的机构和液控系统。如果移架力不 是足够大，反而会增加移架的时间，从而影响以加速度。 需要指出的是立柱的卸载过程极短( ，一般仅为o 2 s 左右) ，且存 在着瞬态的高频液压冲击。这主要是由于封锁高压液体的液控单向阀的 快速关闭引起。顶底板、支架顶粱及立柱等的弹性变形对卸载冲击有不 利影响。 2 2 试验系统的组成与结构 液压支架模拟试验系统可以模拟井下支架系统的升、降、支撑和行 走等不同的工况，并具有完整的计算机动态测试与控制系统，从而通过 图2 3液压支架模拟试验台 太原理工大学硕士学位论文 本系统可以获取支架在实际工况下的各种特性参数。如图2 3 所示，试 验台的主体结构由加载上平台、加载下平台、加载固定装置、支架1 顶 梁、支架1 底座、顶梁导向装置、底座推移机构、单摆杆机构、支架2 顶梁、支架2 底座及连接件组成。支架1 和支架2 可以理解成主架和从 架的关系，即主从架。支架的主架和从架都是单排支架，每个架子有两 个并行单体液压支柱支撑，这就是支架的立柱。从图2 3 中可以体现出 来。两架之间采用的连接方式为底座采用导轨套筒的连接方式，这种方 式的优点在于既可以保证支架的连接关系，又可以实现移架过程中的导 向作用，如图2 4 所示。顶粱采用铰接方式，这样可以使得两支架在垂 直方向上在小范围内实现自由分离，从而实现系统移架和支护的同时性。 移架是由推移千斤顶完成的，推移千斤顶的缸体固定在主架底座上，而 活塞杆与从架固定在一起。 除了试验台架以外，为了完成液压支架工作状态下的动态特性的测 试与控制。整个系统还包括泵站、乳化液配比站、集中检测控制柜、以 及各类压力流量测试仪表和仪器。整个系统的安排如图2 5 所示。 图2 4 支架底座连接方式 太原理工大学硕士学位论文 图2 5 整个系统结构图 图2 - - 6 是整个系统的示意图。从示意图中可以看到支架的移架原理 图2 6 整个系统的示意图 太原理工大学硕士学位论文 在主架支撑时，降低从架，推移油缸供液，从架移动；当从架支撑时， 降低主架推移油缸供液，主架移动。如图2 7 所示为主架支撑，从架降 低的情况。主架受力如图2 7 a 所示： ；= k 4 p + m g ) 厂。一一主架的静摩擦阻力极限值； p 一一支撑力： f 一一油缸液压推力； 从架受力如图2 7 b 所示： = k l t m g 。一一从架的静摩擦阻力极限值； 只一一液压缸推力； 式中k ，分别为静摩擦系数和动摩擦系数。曩、e 为大小一对方向 相反而又互相作用的力，上tj f , i = 忆i ，如果一 ，即当液压推力 增大到z f = 五时，从架开始移动，而主架保持支撑状态。 当从架移动到极限位置时，开始升架支撑顶板。很显然，当从架支撑， 主架降低的情况的工俸情况也是类似的过程。实现了移架同时保持支 撑的工况。 l 娶l ( a ) ( b ) 图2 7主架支撑从架移动的受力分解图 太原理工大学硕士学位论文 2 3 数据采集测量系统组成和结构 液压支架动态特性试验检测系统包括以下几方面：压力测量，移架 过程中支架的立柱及推移千斤顶压力测量和指示系统。位置测量和异常 监控系统，检测推移千斤顶的行程。流量测量，系统总流量的变化。现 场通讯、压力介质供给控制等辅助系统。 2 3 1 检测系统的的流程特点 压力测量系统的特点：采用压力变送器测量系统压力信号送入数据 采集卡，经采集卡d a 模数转换，通过所编制的软件将系统压力值实时 显示，并且绘出试验过程压力变化曲线。要求该系统能对l 一3 0 m p a 准 确测量，选用的压力变送器精度为0 5 级，能很好满足测量的精度要求。 流量测量系统：通过流量传感器测量管内液体的流量变化，经采集 卡d a 模数转换，在软件中实时显示流量的变化，并且绘制流量变化量 曲线。试验系统中用的是l w g l f 一2 5 型涡轮流量传感器。供电电压：d c + 1 2 v 电流： = 8v ，低电平 = o 8v 。 输出脉冲信号，传输距离：可达1 0 0 0 m 。 位置检测系统：在推移油缸的行程最大位置放置有两个接近开关， 如果支架行程达到最大行程。信号就经过d a 采集卡转换，在软件中实 时的控制支架的下一步的动作。 测量信号的检测与存储：不仅可以实时显示各点的压力过程曲线和 流量变化曲线，而且可以把整个压力变化曲线和流量变化曲线以文件的 形式保存供以后查询。 压力、流量最基本的两个物理量，一般都需要进行测量、指示与控 制。测量主要是获取信号，为信号指示、物理量控制提供基础；指示则 以显示测量信号值为目的，是人机交互的一种手段；控制是测量的最终 太原理工大学硕士学位论文 表2 1 信号测量比较方案 项目方案一方案二 方案三 主要以弹簧管压力表、采用传感式测量仪表， 采用传感式测量仪表， 特征玻璃液体温度计等由单片机处理井经l e d由计算机处理井经显示 模拟量仪表进行测显示或打印机输出器显示、打印机输出 量及显示 适 j物理量变化平缓的可应用于多数数据处理适合数据处理复杂的场 场合连续生产过程简单的生产和科研领域合，尤其是科研领域 曲线无法记录，只能由可通过打印机接口电路可通过模数转换把模 记录试验操作人员读打印输出，或者通过通拟量转换成数字量进入 取，存在读数误差讯手段把测量信号传送计算机，由计算机实现 或错误给上位机，以实现复杂压力指示和存储 的数据处理、存储 实时可即时反映系统压可通过通讯手段由上位可以由程序实现显示压 显示力大小，但是无法机实现力趋势图 过程直观了解加压趋势 性能系统简单，易于实成本较低，功能较强，成本较高，但功能强大， 价格现且成本低，但功体积小，但数据处理简系统灵活，人机界面友 比能简单，只能读取单，如果通过上位机实好，系统可扩展性好 其中的特征值现数据处理，那么成本 就大大增加。其中还涉 及大量的接口电路设 计，需要电子专业人员 协助 太原理工大学硕士学位论文 目的。对于液压支架的检测系统其核心部分就是对实验的压力和流量进 行检测和指示。常见的信号测量与指示方案如表2 1 所示。通过表2 1 对比分析可知，微机信号检测系统拥有诸多优点，因而被选用为液压 支架试验系统的压力、流量、位置检测系统的指定方案。微机信号检测 系统包括计算机、j = - e l i 机、数据采集卡、压力传感器流量传感器等。其 典型结构如图2 8 所示。 d 通道1 传感器 c系a i d多 p u 统 l 接 l 转 l 路d 通道2 传感器 u 总p 口卜换 、r 选l i ： r 叫 作 线择 矿一 现 器 场 d 通道n 传感器 计算机数据采集卡测量变送器 图2 8 典型微机测控系统结构图 2 3 2 压力变送器 在很多工业应用领域中，压力是一种很重要的参数。和较多场合下， 传感器需要安装在测试点附近，而诸如记录仪，计算机，自动控制器等 信号接收装置都远离测试点，其传输线可能长达几百米。如不将传感器 出来的电信号进行运算放大，则信号在长距离传输过程中受干扰而失真。 所以压力变送器由传感器，运算放大器和变送器等元器件组成的，它适 合于远距离测量。传感器是压力变送器的核心，如果它的误差大，后级 的测量电路，放大器的精度再高也是徒劳的。传感器的种类很多。常见 传感器按照其转化原理分类见表2 2 所示。 太原理工大学硕士学位论文 表2 2 常见传感器分类 电阻式金属热电阻或热敏电，湿敏电，电阻应变片，气敏 电阻，固态压阻式， 电电感式可变磁阻式，电涡流式，压磁式 磁 压电式 式 电容式变极板距离，变面积，变介电常数 热电式热电耦，热释电型 磁电式霍尔片，磁敏晶体管 频率式振膜式，振弦式，晶体谐振式 光电光式光敏电阻，光电池，光敏晶体管 电激光式激光能量集中，单色特性好，扩散角小等特性与光 式电元件裴格 红外式红外辐射的热效应，光电校应 光导纤光纤传输特性随波测量变化和光导作用，光纤与电 维式光，光电元件配合 压力变送器有智能压力变送器和普通压力变送器。智能压力变送器 拥有很多普通压力变送器所没有的优点，如精度高、测量范围比大、可 远程组态( 线性开方、阻尼时间常数、压力单位) 、温度特性和静压特 性好，可靠性高、稳定性好和故障自诊断等特点，非常适合本系统的使 用，但价格昂贵。因此，在本系统中，仍采用普通变送器。常用的普通 压力变送器有应变式和扩散硅电压式两种。前一种价格低，动态性能好， 但预热时间长，稳定性不好；扩散硅电压式压力变送器体积小、重最轻， 没有机械传动部分，可靠性、稳定性良好、响应时间短、过载能力强， 因此本系统的压力测量变送元件选用扩散硅电压式，型号为a j k 一2 型压 力变这器。该压力变送器是引进美国i cs e n s o r 公司先进技术，采用微 太原理工大学硕士学位论文 细加工扩散硅成膜技术和激光微调技术，精度为o 2 5 。主要特点是 长期稳定性好，使用温域宽，抗干扰设计，适合恶劣