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液压支架的动态特性研究 摘要 液压支架作为国内外现代化矿井的重要标志，它的发展经历了五个阶段。 我国从5 0 年代末着手研制液压支架，经历了研制实验、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。然而，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、经验的方法为主；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， 对许多综采工作面而言还是空白。尤其是液压支架及其液控系统的动态特性、 液压支架电液控制技术和计算机辅助设计等方面的研究收效甚微。 目前在我国采煤工作面机械化生产作业中，存在着两大难题：一是支架 支护速度太慢，不能与采煤机牵引速度相匹配，难以适应高产高效生产的需 要，；二是工作面支架初撑力严重不足不均，给工作面项板的管理、维护和安 全生产带来了许多困难，严重影响工作面的正常生产。因此，移架速度和初 撑力问题是研究和设计液压支架及其液压系统的核心问题，要从根本上解决 这个问题，还需要从研究液压支架及其液压系统的动态特性为突破口。本文 研究从这两个参数入手，进行了以下的研究工作： ( 1 ) 探索和研究适用于液压支架及其液控系统的动态特性的理论和方法。 ( 2 ) 应用动态特性分析的理论和方法，分析液压支架的各种工况和特性， ( 3 ) 建立液压支架在各种基本工况下的动态数学模型，分析研究某种典型 i 工况的动态特性； 研究的主要成果有： 1 、在研究的过程中，通过矿压监测技术，测取了液压支架在实际工作中 压力的变化规律，分析移架速度初撑力等重要参数； 2 、针对支架的卸载冲击、正常降柱、移架、推移输送机、主动支撑和被动 支撑等一些基本工况和运动特性与力学特性，指出综采工作面作业中需要较 大初撑力和较快移架速度的要求之间存在着相互制约的矛盾。发现移架速度 静态计算中存在的问题，提出在移架速度的动态计算中应记入初撑时间的观 点； 3 、应用功率键合图理论和方法，解决了建立复杂系统的动态数学模型的难 题，建立了乳化液泵站及其供液回路、立柱升降控制回路和推移千斤顶控制 回路等各种基本工况下的状态方程； 4 、详细分析了产生支架卸载冲击的原因，并应用波动理论解释了液压冲 击波的传播过程，同时还明确指出液控单向阀主阀芯的快速关闭是导致支架 卸载冲击的主要原因，提出一些解决卸载冲击的新方法和新措施。如自动增 压控制系统、单向阻尼环节等措施的应用，都可以减弱或消除卸载冲击。 关键词：液压支架，控制系统，功率键合图，动态研究 t h er e s e a r c ho nt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fh y d r a u l i cs u p p o r t s a b s t r a c t a sa p i v o t a ls i g no fe q u i p m e n to fc o a lf a c ei nt h ew o r l d ，t h eh y d r a u l i cs u p p o r t h a su n d e r g o n ef i v ed e v e l o p i n gp r o c e s s e s o u rc o u n t r ys t a r t e d d o i n gr e s e a r c h i n h y d r a u l i cs u p p o a sf r o m5 0 s i t e x p e r i e n c e d t h e s t a g e so fm a n u f a c t u r i n ge x p e r i m e n t ，f e t c h i n gi nc o p y i n ga n d i n n o v a t i n g b u ti no u ri n d u s t r i a la r e a s ，c o a lm e c h a n i s m ss u c ha sh y d r a u l i cs u p p o r t ， i t sl e v e lo fd e s i g na n dt e c h n o l o g y , c o m p a r a t i v e l y , d r o pb e h i n do t h e ri n d u s t r i e s i t m a i n l yr e p r e s e n t st h e s er e s p e c t s ：i nt h ec o u r s eo fd e s i g n ，w em a i n l yu s et h es t a t i c s t a t ea n de x p e r i e n c i n gm e t h o d s ；w es t i l lu s em a n u a lm e t h o d st oc o n t r o lt h e m o v e m e n t so fc o m p o n e n t sa n dt h ec o n v e r s i o no fv a r i e t i e so fw o r k i n gs t a t u si nt h e c o u r s eo fv a r i e t i e so fw o r k i n gp r o c e d u r e s t h et e c h n o l o g i e sa b o u ti n s p e c t i n go n l i n ea r ef a rb e h i n do t h e rc o u n t r i e s t om a n yi n t e g r a t e dm e c h a n i z a t i o nc o a lf a c e ，i t i ss t i l l e m p t y w eh a v e s t i l ll e s s e f f i c i e n c y o n d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ， e l e c t r i c a l - h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m sa n dc a d c a mo fh y d r a u l i cs u p p o r t a tp r e s e n t ，t h e r ea r et w op r o b l e m si nt h ep r o c e s so fp r o d u c i n gc o a l f i r s t ，t h e s p e e do fs u p p o r t i n gt h ec e i l i n gi st o os l o w l yt oa d a p tt ot h en e e df o rt h eh i g h y i e l d a n dh i g h e f f i c i e n c y s e c o n d l y , t h ef i r s ts u p p o r t i n gc e i l i n gf o r c ei si n a d e q u a t ea n d a s y m m e t r y t h i sc a u s e sm a n yp r o b l e m s ，s u c ha sh o wt om a n a g eo rm a i n t a i nt h e 儿i c e i l i n ga n de n s u r et h es a f e t yo fp r o d u c t i o n s o m e t i m e si tw i l lg r e a t l ya f f e c tt h e n o r m a lp r o d u c t i o n t h u si tc a nb es e e nt h a tt h ep r o b l e m so ft h es p e e do fm o v i n g t h es u p p o r ta n dt h ef i r s ts u p p o r t i n gc e i l i n ga r et h em o s ti m p o r t a n ti nc o u r s eo f s t u d y i n ga n dd e s i g n i n go nh y d r a u l i cs u p p o r ta n di t ss y s t e m s i no r d e rt os o l v et h i s p r o b l e m ，w em u s tb r e a kt h r o u g ht h ep r o b l e m so ft h es t u d y i n go fh y d r a u l i c s u p p o r t sa n di t sd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ih a v ed o n em a n yr e s e a r c h e si nt h i sa r e af r o mt w o p a r a m e t e r s ： 1 e x p l o r ea n ds t u d yt h et h e o r e t i c sa n dm e t h o d sw h i c ha d a p tt os t u d yt h e h y d r a u l i cs u p p o r t a n di t s d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s o a st oe s t a b l i s h d y n a m i c m a t h e m a t i c sm o d e l 2 u s et h et h e o r e t i c sa n dm e t h o d so fd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c st oa n a l y s et h e t y p e so fw o r k i n gs t a t e sa n di t sc h a r a c t e r i s t i c s 3 u s et h et h e o r e t i c sa n dm e t h o d so fp o w e rb o n dp r a g ht oe s t a b l i s hd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fb a s i cm o d e l s t h em a i na c h i e v e m e n t so ft h es t u d y 1 i nt h ec o u r s eo ft h es t u d y , b yu s i n gt h et e c h n o l o g yo ft h ep r e s s u r eo fm i n e ， m e a s u r et h ec h a n g i n go r d e r l i n e s si nt h ep r a c t i c a lw o r ko ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t ， a n da n a l y s et h ep a r a m e t e r so ft h es p e e do fs u p p o r t i n ga n dt h ef i r s ts u p p o r t i n g c e i l i n gf o r c e 2 a i m i n ga tt h eb a s i cw o r k i n gs t a t e s ，t h es t u d yp o i n t so u tt h a tt h e r ea r es o m e c o n t r a d i c t i o n sb e t w e e nt h es p e e do fs u p p o r t i n ga n dt h ef i r s ts u p p o r t i n gc e i l i n g f o r c e t h es t u d ya l s of i n d st h a t u s i n gt h es t a t i cs t a t em e t h o d se x i s ts o m e p r o b l e m s w es h o u l dc o n s i d e rt h ef i r s ts u p p o r t i n gt i m ew h e nc a l c u l a t i n gt h e s p e e do fs u p p o r t i n g 1 u s et h et h e o r e t i c sa n dm e t h o d so fp o w e rb o n dp r a g ht oe s t a b l i s hd y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fb a s i cm o d e l s e s t a b l i s ht h es t a t ee q u a t i o n so fe m u l s i f i c a t i o n l i q u i dp u m ps t a t i o na n di t ss u p p l y i n gl o o p ，t h er i s i n ga n df a l l i n gj a c k ，t h e p u s h i n ga n dp u l l i n gj a c k ，e c t 2 a n a l y s et h er e a s o n so ft h ei n s t a l l i n gf o r c ei m p u l s i o no fh y d r a u l i cs u p p o r t i nd e t a i l t h es t u d ye x p l a i n st h es p r e a d i n gp r o c e s so ft h eh y d r a u l i cp r e s s u r e b o ww a v ea n dg i v e ss o m em e t h o d sa n dm e a s u r e st os o l v et h e s ep r o b l e m s k e yw o r d s ：h y d r a u l i cs u p p o r t ，c o n t r o ls y s t e m ，p o w e rb o n dp r a g h ，d y n a m i c r e s e a r c h v 亘型墼兰星墼邕鲨磐 第一章引言 1 1 液压支架的发展概况与发展趋势 1 1 1 液压支架的发展概况 二十世纪五十年代前，国内外煤矿生产中，基本上均采用木支柱、金属顶梁或金属 摩擦支柱和铰接顶梁来支护顶板。1 9 5 4 年英国首次研制出液压支架，将液压技术的应用 到支护设备上，从而开辟了回采工作面支护设备的技术革命。从二十世纪六十年代起， 国外各主要产煤国家，如：前苏联、英国、法国、澳大利亚、美国、波兰等国家相继大 力发展和研制了各种形式的液压支架，并在煤矿生产中获得了广泛而成功的应用，从根 本上改变和提高了开采作业条件和安全性。据统计，目前这些主要产煤国的地下开采综 合机械化程度已达到9 0 “, 6 左右，取得了良好的经济和社会效益。目前，以液压支架为主 体的地下开采设备，已逐步向程控、遥控和自动化方向发展。 我国是煤炭生产大国，在二十世纪六十年代也曾研制了几种液压支架，但未得到推 广和应用。七十年代我国从英、德、波兰和前苏联等国家引进数十套液压支架，经过试 用、仿制和总结经验，到八十年代以后我国液压支架的研制和应用获得了迅速的发展， 相继研制和生产了t d 系列、z y 系列和z z 系列等二十多种不同规格的液压支架，并在国 内大、中型煤矿中推广应用，大大提高了我国煤矿开采的机械化水平。1 9 8 0 年起人们把 从自移式液压支架的研制成功和逐步改进完善，进而普遍推广应用，使回采工作面采煤 过程中的落煤、装煤、运煤和支护控顶等工序得以实现全部综合机械化采煤，取得产量 大、工效高、成本低、安全效果好；1 9 9 2 年普通综采单产水平已达极限，于是开始寻找 新的效率高、成本低、见效快，且适合矿区资源条件的先进采煤方法，采用了放顶煤技 术；今天随着计算机技术和自动化技术的普及应用和提高，为煤矿生产自动化和高效生 产提供了新的出路。煤矿综采液压支架电液控制系统的应用，大大加快了工作面的移架、 推溜速度，改善了采煤工作面的顶板的支护状况，使工作面产量成倍增加，直接功效大 堡垄堕壅鳖堡坠些丝 幅度提高，安全状况明显改善，吨煤成本大幅度下降，为煤矿生产的高效、安全和煤矿 工人劳动环境及形象的改变提供了条件。如果说综采的使用使煤矿实现了由手工操作向 机械化的变革，那么电液控制系统的使用使井下采煤实现由机械化向自动化的革命，也 可称为采煤技术的第二次改朝换代的重大改革，是煤矿2 1 世纪的高新技术。 随着综采液压支架电液控制系统在中国的推广应用，技术进步给煤矿带来的经济效 益和深刻变革将逐渐被人们所认识。电液控制系统对于煤矿工人来说将不再是陌生的技 术，将变为井下生产所必不可少的技术装备。因此，电液控制液压支架是当前先进采煤 技术装备的重要标志之一，也是液压支架发展到一个崭新阶段的标志，具有划时代的意 义。 ( 1 ) 国外电液控制液压支架的概况 七十年代中期，英国煤炭局首先提出研制电子控制液压支架，最先将电子控制液 压支架用于长壁工作面的是澳大利亚的科里曼尔煤矿，1 9 8 1 年工作面投产，由7 4 架英 国原道锑公司研制的四柱垛式液压支架组成。但技术尚不够完善。1 9 8 3 年底英国原道锑 公司又为美国坎塞尔煤矿制造了两按钮式微机控制液压支架，1 9 8 4 年投产。1 9 9 5 年底 英国原道锑公司又研制出全工作面集中电液控制系统。 随着计算机技术的不断发展。德国于1 9 8 6 年研制出p a n z e r m a t i c s 5 支架电控系统。 该系统的特点是具有灵活的编程能力；采用专门的c p u 处理机和性能较高的、能耗较低 的m c s 一8 0 c 单片机，操作面板采用全塑密封、轻触按键、l c d 参数、故障显示。1 9 8 7 年 德国威斯特伐利亚公司又研制p m 2 电控系统，其基本功能与p - s 5 系统类似，但采用了 五行十列的寄存器组和1 6 位字符显示器来进行支架运行参数的显示和辅助功能的置入， 并可通过操作面板的4 个功能键随意显示支架参数或调用辅助功能。其辅助功能可通过 面板上的另两个功能键任意置入或删除。 9 0 年代威斯特伐利亚贝考瑞特公司研制出更为先进的p - m 3 和p 一 i 4 电液控制 系统。美国发展电液控制液压支架虽然起步较晚，1 9 8 4 年才在西佛吉尼亚洲l o v e r i d g e ， 堡堑些套笙堕塑笙鲨 矿井使用原英国道梯公司制造的液压支架，装备了第一个高产高效工作面，并取得成功。 液压支架采用电液控制技术，到8 0 年代中期已趋于成熟，应用功能不断扩大，对矿 井煤层地质条件的适用性不断增强，工作可靠性大幅度提高，因而发展十分迅速，已成 为综采工作面支护设备的主要发展方向。到1 9 8 9 年，全世界已有9 0 多个综采在、工作 面使用电液控制支架，目前已发展到2 0 0 个，主要集中在美国、澳大利亚、德国、英国、 等国家。其他产煤国家如前苏联、波兰、法国和日本等国家也都在积极研制，并已推广 使用。美国和澳大利亚装备的综采工作面全部使用电液控制液压支架。 ( 2 ) 国内电液控制液压支架概况 我国8 0 年代中期开始研制液压支架电液控制系统。1 9 9 1 年北京煤机厂首先研制出 我国第一套b m j i 型支架电液控制系统，在晋城古书院煤矿进行工业性实验，1 9 9 2 年 4 月通过初步鉴定，在此基础上改进的第二代b m 卜i i 型支架电液控制系统，于1 9 9 2 年1 2 月至1 9 9 5 年5 月在井下进行工业实验取得成功，但从此被搁置一边。 郑州煤机厂1 9 9 1 年5 月研制出d y z k i 型支架电液控制系统，并于1 9 9 2 年5 月 在大同四台矿完成2 0 架井下工业性实验。在i 型的基础上又经过多次改进设计，于1 9 9 3 年9 月开发出d y z k i i 型支架电液控制系统，并于1 9 9 3 年l o 月在邢台煤矿进行井 下工业性实验，通过了专家对该系统的功能鉴定和科技成果鉴定。但从此即完全停止。 国家为上述两厂支架的科研项目投入的经费近3 0 0 万元。 此外，煤炭科学研究总院太原分院为大同矿务局马脊梁矿研制出国产全套高产高效 薄煤层z z 5 2 0 0 1 1 1 8 型电液控制液压支架。于1 9 9 7 年7 月通过部级鉴定。又于1 9 9 8 年在东胜不连塔煤矿进行了1 6 架实验，现已撤出。国家和协作单位先后为该项目投入科 研经费达5 0 0 多万元。 由此看出，我国研制液压支架电液控制系统起步较晚，虽然对液压支架电液控制系 统的研究已经历了十几年的时间，进展缓慢，目前处于进一步完善阶段，还没有在井下 推广使用。从我国己研制出的支架电液控制系统来看，也还处于单架和成组程序控制的 3 初步阶段，而液压支架与采煤机、输送机联动的全工作面自动化控制还处在探讨研制阶 段。 目前国内的神东集团、兖矿集团、铁煤集团、开滦集团业已引进国外电液控制支架 得到了成功的应用，取得了很好的技术经济效果。液压支架电液控制系统是实现综采工作 面高产高效的关键技术设备，也是今后的发展方向，这是我国国民经济快速发展和煤炭生 产高产高效集约化发展的需要，是煤炭生产技术发展进步的必然结果。 ( 3 ) 我国支架与国外的差距 1 ) 液压支架制造技术水平落后 a 在支架材料、加工工艺、性能和使用寿命等方面与世界先进国家相比还有 很大差距： b 德国支架结构件材料s t 5 2 ，屈服极限5 0 0 0 k g c m z ，前苏联的更高。我国基 本长期使用1 6 阮，屈服极限3 0 0 0 m p , 左右，近年来只有少数支架构件的部分 材料用高强度钢板。 c 支架液压系统的阀类使用的是乳化油，防锈蚀的要求很高。国外一直使用 合金阀壳和高强度不锈钢阀芯。我国是4 5 号钢加表面防腐处理。 d 料的寿命的大于5 年，我国是2 年左右。 e 国外的支柱和千斤顶缸体内壁是复镀，我国是不镀。使立柱出现麻斑、划 伤、密封漏夜等现象，影响支护效果 f 美国的支架耐久性实验要求是 4 5 0 0 0 次，我国 7 0 0 0 次 以上这样技术质量水平的支架在国内一般矿井勉强可以使用，但在国内高产、高效工 作面及国际上是没有竞争力的，综采工程技术人员普遍认为目前我国支架的工艺技术水 平尚未达到1 9 7 9 年引进的1 0 0 套支架的技术水平，可想落后远不止2 0 年。 2 ) 液压支架控制系统的研究处于落后状况严重制约支架移架速度的提高和综采经 济效益发挥。 4 西方主要产煤大国始终把支架控制系统作为提高整个综采经济效益的重要方面来 抓。6 0 年代采用手动直控操作系统；7 0 年代初即开始重视液压支架液压先导控制的研究； 7 0 年代中后期广泛采用液压多芯管先导控制系统：8 0 年代开始西方开始大力着手电液 先导程序控制的研究和使用。因此，现在美、德、英、日等基本上全是可编程电液控制， 波兰除了电液控制以外，都是液压多芯管先导控制。9 0 年代开始，为了提高移架速度满 足工作面高产、高效发展的需求，我国加大常规手控操纵阀的流量方面取得进展，加上 综合措施，也实现了平均移架速度小于1 2 秒架的成绩。 1 1 2 液压支架研究发展趋势 随着科学技术的高速发展，新技术、新方法、新材料的不断应用，微机和计算机技 术进一步普及，为液压支架的发展提供了有利的条件。目前，液压支架研究的发展趋。 1 ) 液压支架的结构形式正朝着简单实用方向发展。如液压支架的架型明显的向两柱 掩护式支架和四柱支撑式掩护式支架发展。 2 ) 在已有支架设计与应用经验的基础上，利用有限元和计算机辅助设计相结合，研 究支架的智能化设计方法、结构与参数的优化，进一步提高支架的科学性、可靠性、结 构性的优化性。其中在设计中应注意： a 提高液压支架的设计强度，加大支架的工作阻力，加大支架的设计强度系数，还 有选材等方面。 b 如何提高支架的移架速度。 c 改进支架个别部件结构，加大联结件强度。 d 改进制造工艺，保证制造质量；对支架的阀类，从材料、热处理、加工条件和密 封件入手，制定更严格的质量和抗腐蚀要求。 3 ) 针对不稳定顶板、松软底板、地质构造较复杂等，加大投入，研制进行大量的特 殊支架，以适用不同的开采条件。 4 ) 研究新型元件与材质，已减轻支架重量，提高支架性能和使用寿命。 s 5 ) 寻求克服四连杆的新型架型。 6 ) 加快支架电液控制系统的研制和投入，研究支架的遥控、程控控制和性能自动监 控，为回采工作面的半自动化与自动化创造条件。 1 2 课题的提出 由于我国在液压支架及其液控系统的动态特性、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，远远落后于美国、澳大利亚、德国等先进国家。尤其是 液压支架液压系统及其控制技术方面的研究投入较少，存在的问题最为突出，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： a 设计中以静态的、经验的方法为主； b 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： c 工作过程中在线动态监测的技术还比较落后，对许多综采工作面而言还是空白。 导致以上落后局面的主要原因是： 1 ) 对工作面的一切设备和仪器都有防爆要求，控制系统的电源必须是本安型的； 2 ) 工作空间很小，所有装置的体积和形状都受到一定的限制： 3 ) 在有限的空间内密集布置相当数量的设备极其控制系统，抗干扰问题是一个重大 难题； 4 ) 支架距泵站较远( 属于远距离供液) ，压力损失和管路震动等问题较为严重； 5 ) 液压支架具有升、降、推、移和调架等工序，有时同时出现同架不同工序的组合 作业、或不同架相同或不同工序的组合作业，给液压支架的自动控制带来了许多困难。 目前，在采煤工作面的机械化生产作业中，主要存在着两大问题： 1 ) 支护速度太慢，难以适应高产高效生产的需要，特别是不能与采煤机牵引速度相 6 匹配： 2 ) 是工作面支架初撑力严重不足不均，给工作面顶板的管理、维护和安全生产带来 了许多困难，有时严重影响工作面的正常生产。 支护速度主要取决于移架速度( 即完成液压支架升、降、推、移等动作的快慢) ，它 直接影响着工作面的产煤量。液压支架初撑力决定着液压支架与顶板之间控制与被控制 的特性关系。项板管理不好，必然影响移架速度的正常发挥，从而间接影响工作面产煤 量。提高移架速度，必然要求提高泵站额定流量、供液系统大通径管路和阀件的承压能 力。然而，大流量高压力的乳化液泵、液压阀件、大通径高压管等的研制问题有相当大 的难度。德国、英国、日本等国在这一方面的研究有所突破，而我国在这一方面的研究 相对落后，目前还没有适用于高产高效工作面的配套产品。 针对影响移架速度的因素分析和提高移架速度的方法和途径，已有不少文献给予论 述。他们指出影响支架移架速度的主要因素有系统的额定流量和额定压力、供液系统的 管路通径及阀件的过流量、液压支架立柱升降行程和推移千斤顶的行程、立柱活柱直径 与活塞直径的比值、立柱及顶梁重量等；而提高移架速度的主要措施有：增加泵站流量、 采用电液自动控制、利用大流量阀件、改进液压支架的进液和回液系统。在这些文献中 介绍的支架移架速度的计算方法仅为静态计算，只反映了移架动作的操作时间和运行时 间。对于那些动态特性较差的液压支架系统，其移架动作过程所需要的时间远远超过静 态计算的运行时间，文献还指出，要保证实施煤矿关于对初撑力的规定要求( 达到设计 初撑力的8 0 以上) ，往往需要保证1 0 一3 0 s 的升柱和初撑供液时间。 关于液压支架初撑力问题存在的原因在有关的文章中指出：泵站实际调定压力较低 且具有一定的波动、远距离供液压力损失严重、顶底版起伏不平的影响、浮煤和浮矸的 影响、不能保证液压支架的初撑时间、多人操作或多架同时操作等。而增大立柱数目和 直径、提高泵站压力、采用双供液系统、监测工作面支护质量、增设初撑力保证阀等用 来提高初撑力的方法和措施都存在着一定的不足。为了提高移架速度，就很难保证初撑 时间，从而就不能保证初撑力达到规定的要求。由此可见，提高移架速度和初撑力之间 7 存在着矛盾。 电液控制技术在液压支架上的应用能够提高液压支架的自动化程度和移架速度( 将 不同工序和不同支架的操作时间间隔缩短到最小程度) 。能够实现定压初撑和远距离程序 控制等功能。带压移架控制系统可以实现液压支架卸载和移架工序的同步化，改善了液 压支架的支护特性和控顶效果，消除了支架的升降行程，故在一定程度上可提高移架速 度。初撑增压阀的研究和开发，可用于解决初撑力的问题，同时有利于解决高压力和大 流量的制约关系。因此，对电液控制技术、带压移架控制系统、初撑增压阀的研究和应 用，目的在改善液压支架的支护特性、提高移架速度和初撑力。由此可见，移架速度和 初撑力问题是研究和设计液压支架极其液压系统的核心问题。 基于液压支架在国内外的发展状况和研究动态，研究液压支架极其液控系统的动态 特性，分析决定液压支架支护特性二核心要素( 移架速度和初撑力) 之间的动态关系。 因此，将论文的题目确定为“液压支架动态特性的研究”。 1 3 课题的主要研究工作 ( 1 ) 探索和研究适用于能对液压支架及其控制系统进行动态特性分析的理论和方 法，提出建立动态数学模型以及解决一些特殊问题的途径； ( 2 ) 应用进行动态特性分析的理论和方法，分析液压支架的各种工况和特性，建立 液压支架在各种工矿下的动态数学模型，分析研究典型工矿的动态特性。 1 4 研究的技术路线 ( 1 ) 进行现场调查研究，了解液压支架在各种工矿下的实际特性，应用矿压监测技 术，测取液压支架在实际工作中压力的变化规律，分析移架速度、初撑力等重要参数； ( 2 ) 应用功率键合图的理论和方法，建立液压支架在各种工矿下的动态数学模型， 提出针对液压支架进行动态特性分析研究的具体方法； ( 3 ) 整理分析理论研究结果，提出有关定性或定量的结论。 堡墅雀垄墼塞型耋磐 第二章液压支架简介 2 1 液压支架的作用与特点 回采工作面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、转 载机和乳化液泵站等配套使用，实现采煤综合机械化。在回采过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进行，必须对项板进行支护。而 液压支架能够可靠有效的支撑和控制工作面的顶板，隔离采空区，防止矸石冒落进入工 作面，并能实现支撑、切顶、移架和推溜等一整套的工序。 由于回采工作面项板的稳定程度和压力大小不尽相同，故出现了多种形式的支架， 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。 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。架体包括顶梁、 掩护梁、连杆、底座、和侧护板等金属构件，但对于支撑式液压支架，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 单向阀和安全阀) 、测压阀、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套这些附件。 所有液压支架的功能基本是相同的。支架操作工序的组成一般与其结构形式无多大 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单独进行的，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。 l u 堡驽些垄墼堡型耋绺 2 2 液压支架结构型式简介 1 、支撑式 支撑式支架适应于直接顶比较完整的工作面，使用采高范围一般应在2 5 米以下，它 不适用于机道上方顶板来压。支撑式支架立柱工作阻力的变化在一定的条件下是能够反 映顶板压力大小的，由于其抗水平能力较差，防矸性能也不好，所以不适用于不稳定顶 板条件和较大采高条件煤层使用。 2 、支撑掩护式 支撑掩护式支架既能承受来自支架后方的矿山压力，又能承受来自机道上方的顶板压 力，它具有支撑式和掩护式液压的优点。这种架型通风断面大、防矸性能好。是广泛使 用的一种架型之一。 3 、掩护式 掩护式支架主要承受来自机道上方的顶板压力，同时具有一定的切顶能力，由于其掩 护性能、防矸性能好、通常顶梁长度短、控顶面积小、结构紧凑、支护强度高、所以不 仅在不稳定顶板中得到广泛应用，而且在较稳定顶板条件下也得到了推广应用，这种支 架的通风断面小，不适用瓦斯涌出量较大的矿井。 图2 1 支架的几种类型 f i g 2 1t y p e so fh y d r a u l i cs u p p o r t 黧镰镊积 堡堑些垄墼垄墼壁堡些 第三章液压支架工况与特性分析 3 1 液压支架工况分析 液压支架是以乳化液泵站的高压液体作为动力，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、推移运输机以及防护等动作。从而实现支护工作的机械 化，其中卸载、降柱一推移和升柱支撑的主要操作工序，而支架间的相对位移、支架及 部件在空间里保持规定的位置和前梁伸缩等辅助操作工序。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。 液压支架的支撑过程中，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，所以在研究支架动态特性时，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的一定的差异，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， 且在时问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。 从液压支架和刮板运输机与工作面煤壁的相对位置而言，液压支架的工况又可分为 有代表性的四种位置工况在采煤机前方煤壁尚未切割时，支架推移千斤顶的活塞杆处于 伸出状态，刮板输送机紧靠煤壁，支架底座前端与运输机槽帮之间有一个截深的距离。 在该状态下，支架的控顶距最小，但当采煤机截煤后支架尚未前移时，支架的控顶距最 大。当支架前移且升柱支撑时，其控顶距又最小。支架前移时是以刮板输送机( 被相邻 支架固定) 为支点的。在支架升柱接顶后，按一定波形方式逐步推移刮板输送机，直到 输送机紧靠煤壁。经过以上几种位置工况后，支架完成了一个工作循环。随着回采工作 面的推进，工作面液压支架不断重复以上几种位置工况。 上述支架的工作循环基于及时支护( 先移支架，后推输送机) 、程序移步方式。这是 目前综采工作面最常使用的工作方式。但对于某些矿山条件和回采工艺方式，也可以采 用滞后( 先推输送机后移架) 方式。移架时也可采用交错移步，分组对角线移步或分组 直线移步等方式。有时也可能在同一回采工作面同时出现及时支护与滞后支护方式。对 于具有电液控制的系统、或带压移架系统、或初撑力保护系统的工作面液压支架，完成 其工作循环的过程与普通液压支架相比可能有局部的差异，但液压支架无论是采用什么 工作方式、无论是具备什么特殊的液控系统，都具有相同的基本工况和基本工序。 3 2 液压支架立柱的工作过程 3 2 1 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3 - 1 所示为最基本的立柱控制回路。图3 - 2 所示为立柱的 工作过程。 0 d 图3 - 1 基本的立柱控制回路 f i g 3 1t h eb a s i cc o n t r o l l i n gl o o po ft h er i s i n gj a c k 卜立柱2 一安全阀3 一液控单向阀4 一换向阀p 一高压管路o - 回液管路 1 、升柱初撑阶段 把操纵阀置于i 的位置后，来自泵站的高压液体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t 。：从顶梁接触到顶板到关闭操纵阀为初撑过程，立柱活塞腔压力从p 。增到p c ，所需 时间为t c ( 主要取决于支架液压系统特性和支架操作工的主观判断，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、顶粮等自重所需的 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t c ，也有一定 的随机性。通常将p c 与立柱活塞腔面积的乘积称为立柱的初撑力，而将支架所有立柱初捧 力之和与支撑效率的乘积称为支架的初撑力。当p c 达到泵站压力时，对应的初撑力为额定 初撑力。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之和 的之比。有效支撑力不仅受立柱布置的影响，而且随着有效外载荷在顶梁上作用位置的变化 而变化。即：所有支架在任何工况下的支撑效率都小于1 。 从设计和使用的角度来看，希望p c 接近或达到回采工作面泵站的压力，然而事实上是 难以实现这一愿望。根据流体静力学原理：只要初撑时问t 。足够大，p 。是可以达到泵站压 力，但是支护速度不能小于采煤机的牵引速度的要求不允许有足够的时间t c 。对于多数支架 来说，如果要使p 。达到泵站压力，所需时间t c 往往是t 。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。这是因为顶底版以及支架顶梁、力柱等随着压力的 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。 在计算移架速度的时候，升柱初撑时间应为t 。和t 。之间，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， 1 4 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t 。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。 图3 2 液压支架支柱工作状态示意图 f i 9 3 2t h es k e t c hm a po fw o r k i n gs t a t eo ft h eh y d r a u l i cs u p p o r t 2 、增阻承载阶段 把操纵阀置于中位后，立柱活塞腔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的下沉。顶 板的下沉规律不仅取决于顶板岩层本身的结构特征，而切也受支架对顶板初撑力大小的 影响。足够大的支架初撑力，可以最大限度的保持顶板的稳定，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，支架对顶板支撑力缓慢增加。但在相邻支架处 于降柱移架工序时，支架对顶板的支撑力会发生急剧的上升。对于大多数的支架来说， 在增阻承载阶段其支撑力缓慢增加时，一般不会超过安全阀的调定压力p t 。而是先缓慢 增加到p 。在邻架降柱移架时急剧上升到p ：。其值能否达到或超过p t 取决于许多因素。 当然如果在增阻承载阶段发生顶板来压或特大冲击地压的情况另当别论。 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 发阀的调定压力p t 。此时，安全阀开始溢流，使立柱活塞腔内压力基本恒定于安全阀的 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降移前或后，有一定的随 机性。图3 2 所示为相邻支架降移后立柱活塞腔p ：略超过p 。的溢流承载过程。与p t 的差值取决于顶板下沉的速度或来压的强烈程度，同时也取决于安全阀的溢流特性。对 强烈的周期来压或冲击地压，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顶板压力的变化。故在易发生强 烈周期来压或冲击地压的工作面，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。某些支架在工作循 环内，有可能不会出现溢流承载阶段。 4 、卸载降柱阶段 在采煤机割煤后，必须支护新裸露的顶板，故要降柱卸载，当把操纵阀置于i i 的位 置时，泵站来的压力进入立柱活塞杆腔，同时作用于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闭，允许其经回液