《综采装备及其智能化技术》课件（下）

第六章液压支架及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS6.1概述6.2基本结构与原理6.3液压支架电液控系统6.4液压支架自动跟机移架技术6.5综采工作面自动调直技术6.6液压支架智能感知及控制策略6.1概述概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1液压支架是以高压乳化液为动力，由若干液压元件与一些金属结构件组合而成的支撑和控制顶板的支护设备。它能实现升架、降架、移架、推动刮板输送机前移以及顶板管理等一整套工序。早期液压支架主要采用手动操纵方式，20世纪70年代国外开始研发电液控技术，

到90年代电液控技术基本成熟。电液控技术实现了液压支架的自动化。近年来，液压支架开展智能化研究，提出发展支护状态的自感知、自分析及自调整等功能，实现支架对围岩的自适应支护，达到工作面“有人巡视、无人值守”的智能化开采目标。

图6-1两柱掩护式液压支架6.2基本结构与原理基本结构战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2承载结构件主要包括前梁、顶梁、掩护梁、前、后连杆及底座等金属结构件。液压支架一般由承载结构件、执行元件、控制元件及辅助装置四大部分组成。顶梁——直接与顶板接触，承受顶板载荷的支架部件叫顶梁。支架通过顶梁实现支撑、控制顶板的功能。顶板载荷

图6-2液压支架顶梁承载示意图底座——直接与底板接触，承受立柱传来的顶板压力，并将其传递至底板的部件叫底座。支架通过底座与推移装置相连，以实现自身前移和推移输送机前移。底板载荷

图6-3液压支架底座传递载荷示意图前梁——前梁通过前梁千斤顶可实现上下摆动，这种摆动能力使得前梁能够适应不同高度的顶板，从而提高整个液压支架的适应性和稳定性。基本结构战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3掩护梁——阻挡采空区垮落的矸石串入工作面，并承受采空区垮落矸石的载荷和承受顶板通过顶梁传递的水平推力的部件叫掩护梁。掩护梁与前、后连杆、底座共同组成四连杆机构，承受支架的水平分力。当底板不平时，掩护梁还将承受扭转载荷。前、后连杆——前、后连杆与掩护梁、底座组成四连杆机构，既可承受支架的水平分力，又可使顶梁与掩护梁的铰接点在支架调高范围内做近似直线运动，使支架的梁端距基本保持不变，从而提高了支架控制顶板的可靠性。

图6-4液压支架掩护梁承载示意图采空区工作区顶板底板煤壁梁端距铰接点

图6-5前、后连杆及支架调高示意图前连杆后连杆6.2基本结构与原理

基本结构战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造46.2基本结构与原理执行元件主要包括立柱和各种千斤顶。立柱——支架上凡是支撑在顶梁(或掩护梁)和底座之间直接或间接承受顶板载荷，调整支护高度的液压缸称为立柱。千斤顶——液压支架中除立柱以外的液压缸均称为千斤顶。依其功能分为前梁千斤顶、推移千斤顶、平衡千斤顶、护帮千斤顶、侧推千斤顶和复位千斤顶等。它们完成推移刮板输送机、移设支架、调整支架及各种保护动作等。当液压支架设置防倒、防滑装置时，还设有各种防倒、防滑千斤顶和调架千斤顶。

图6-6液压支架立柱和各类千斤顶

基本结构战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造56.2基本结构与原理辅助装置包括推移装置、护帮装置和防倒防滑装置等。推移装置——实现支架自身前移和刮板输送机前移的装置。推移装置分为正拉结构和反拉结构，一般重型支架采用反拉结构。反拉式推移装置主要由推移油缸、活塞杆、推移杆、连接头等组成。推移油缸通过缸底的圆销与底座连接，推移杆通过连接头与刮板输送机的中部槽连接。推移油缸前、后连杆活塞杆底座推移杆连接头中部槽

图6-7反拉式推移装置结构示意图动作原理——推溜时，先升起立柱，支架顶梁支撑顶板，支架保持不动，活塞杆缩回，推移杆向煤壁方向移动，实现推溜；移架时，先降低立柱，支架顶梁脱离顶板，活塞杆伸出，由于溜槽被固定，成了拉架的支点，支架被推移油缸顶向煤壁。

动作原理战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造66.2基本结构与原理（1）升架

当需要支架上升支护顶板时，将操纵阀1置于升柱位置，高压液体经液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔回液，高压液体推动立柱活塞上升，使与活塞杆相连接的顶梁升起支撑顶板。液压支架在工作过程中，主要进行升架、降架、移架和推溜这四个基本动作，这些动作是利用泵站供给的高压乳化液通过工作性质不同的液压缸来完成的。（2）降架当需要支架下降时，将操纵阀1置于降柱位置，高压液体经液控单向阀进入立柱上腔，立柱下腔回液，高压液体推动立柱活塞下降，于是顶梁脱离顶板。

图6-8液压支架工作原理图

动作原理战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造76.2基本结构与原理（3）移架

在完成降架卸载后，将操纵阀2置于移架位置，高压液体进入推移千斤顶活塞杆腔，活塞腔回液，以输送机为支点，缸体前移，把支架拉向煤壁。（4）推溜支架升架支撑顶板，将操纵阀2置于推溜位置，高压液体进入推移千斤顶活塞腔，活塞杆腔回液，以支架为支点，活塞杆伸出，把输送机推向煤壁。

图6-8液压支架工作原理图6.3液压支架电液控系统概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8液压支架电液控系统是将计算机控制技术、电子技术和液压技术结合为一体的新技术。由计算机、传感器和液压回路控制部件等组成，能够根据生产需要而控制液压支架自动动作。其核心是通过计算机程序控制电子信号来驱动电液阀动作将手动操作变计算机控制的电子信号操作。支架电液控系统可以大大提高支架的动作速度、自动化程度和安全保障功能，同时减轻操作人员的劳动强度，提高生产效率。其自主动作、实时监测等功能，避免了因操作人员的误动作而带来的不必要的人员和财产损失。6.3液压支架电液控系统液压支架电液控系统组成战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9工作面液压支架电液控系统由井下主控计算机、网络转换器、隔离耦合器、隔爆兼本安型电源、支架控制器、电液控制阀组、压力、位移等各类传感器、各种线缆等元件组成，各部分通过电缆及其它电控辅助配套部件连接。井下主控计算机是液压支架电液控系统的控制枢纽，主要实现对工作面液压支架工况信息的集中监测、显示和分析，对支架的启停、动作进行远程控制，对支架跟机自动化的相关参数进行设置等。井下主控计算机还负责将设备运行数据通过以太网上传至井上。

图6-9工作面液压支架电液控系统组成

图6-10单台液压支架电液控系统组成6.3液压支架电液控系统液压支架电液控系统组成战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10支架控制器是电液控制系统的核心部件，每一台支架配置一台支架控制器。支架控制器向下连接电磁阀驱动器、红外接收器、压力、位移、姿态等传感器。支架控制器与电磁阀驱动器之间通过一根4芯电缆连接，其中2芯为电源线、2芯为数据线。驱动器再通过数根电缆分别与相应的电磁阀连接。驱动器接受控制器的控制命令，实现对每个电磁线圈通/断的控制，使相对应的液控主阀通/断，实现支架的各个动作。压力传感器安装在支架立柱和千斤顶上，用来检测立柱和千斤顶的工作压力。位移传感器通常内置于推移千斤顶中，用以测量工作面的累计推进量和推进速度。红外、压力、位移、姿态等传感器连接至控制器，是电液控系统中用于反馈支架工作状态的元部件。红外接收器一般安装在支架的立柱上，主要功能是监测采煤机的位置和方向，用以实现液压支架跟随采煤机的自动控制。姿态传感器，即倾角传感器，安装在支架的顶部或侧面，用以计算当前液压支架的姿态。

图6-9工作面液压支架电液控系统组成6.3液压支架电液控系统液压支架电液控系统组成战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11支架控制器之间由架间电缆进行串行连接，通讯方式采用CAN总线或以太网。通常每4个支架控制器为一组，组与组之间由隔离耦合器进行隔断。隔离耦合器隔断组与组之间的电气连接，只允许通过数据信号，从而确保煤矿井下的安全生产。隔爆兼本安型电源为支架电液控系统提供电源。每个支架控制器组配备1台隔爆兼本安型电源，该电源由AC127V供电，输出两路独立的DC12V，经隔离耦合器后向两侧的支架控制器组供电。服务器安装在靠近刮板输送机机头（或机尾）处，外观和支架控制器相同，其功能是处理工作面所有支架控制器的数据，并把数据通过网络转换器传输给井下主控计算机。电液控系统主要元部件介绍战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造126.3液压支架电液控系统

图6-11ZDYZ-Z型支架控制器防护标准：本安型;防护等级：IP68;额定工作电压:DC12V;额定工作电流:≤130mA;20路开关量输出，驱动电流为100~120mA;5路模拟量输人，其中电流型为12~110mA，电压型为0.5~4.5V;通信接口为双冗余型CAN总线支架控制器：以ZDYZ-Z型支架控制器为例，其外观如图所示，采用不锈钢外壳结构，其内部采用橡胶密封、环氧树脂全灌封等措施，使支架控制器防护等级达到IP68，提高了支架控制器的抗潮能力。控制器有足够的各种类型的输入口、输出口，通信口总共12个，它们的电缆插座都分布在控制器后面，插头座的型式都是统一的4芯结构，1号芯为电源12V、4号芯为0V或接地、2号芯和3号芯的用途随功能而异。控制器的人机界面设有22个操作键、一个闭锁按钮、一个急停按钮、2×10中文汉字波晶显示屏、LED信号显示灯以及蜂鸣器，这些硬件设施保证了操作者方便地进行各种提作控制和参数设置，并及时获得系统的提示和状态信息。电液控系统主要元部件介绍战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造136.3液压支架电液控系统隔爆兼本安型直流稳压电源是一种允许在瓦斯、煤尘爆炸危险环境中使用，作为支架电控系统专用的电源变换装置。从工作面接入127V交流电源，变换成额定的12V直流电源，向系统各类设备供电。

图6-12KDW127/12型隔爆兼本安型电源电源箱内装有两个独立的AC/DC胶封模块构成独立的双路电源，每路额定负载电流为2A可向多至6个相邻的支架控制器供电，每路电源都具有输入过压保护、双重截止式快速过流和过压保护、可带载启动和自动恢复。电液控系统主要元部件介绍战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造146.3液压支架电液控系统隔离耦合器是用来实现支架控制器的电源组隔离和信号耦合。一个电源箱只能带4~6个支架控制单元，在工作面内需要有多个电源箱，分别给所在区域的支架控制单元供电。为防止控制信号干扰，使用隔离耦合器对电信号进行隔离，还可以实现通信网络节点的扩展。

图6-13SAC-I型隔离耦合器如图所示为SAC-I型隔离耦合器，该耦合器有4个插口，分别为A1、A2、A3和A4，两侧(每侧2个口)分别连接被隔离的两组控制器，靠外的插口接控制器，靠内的插口接12V电源。隔离耦合器器工作电压为DC12V，工作电流A1侧不大于35mA，A4侧不大于25mA。电液控系统主要元部件介绍战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造156.3液压支架电液控系统压力传感器：目前矿用压力传感器主要采用高温烧结工艺的硅应变技术，这种烧结工艺能有效避免用胶粘贴应变片带来的蠕变问题，并且其灵敏度是普通金属应变式和溅射薄膜式的5~10倍，因此在同样压力量程下，能将膜片直径做小而厚度加大，从而提高压力传感器的可靠性和抗过载能力。如图所示为矿用压力传感器及其半剖图，传感器压力腔体是采用整块17-4PH沉淀硬化不锈钢棒料，CNC加工出引压孔，并在引压孔底部保留直径5毫米、厚度2~3毫米的感压膜片，这种一体化结构使压力腔体内部不存在焊缝和“O”型圈，消除了泄露隐患，使传感器具有良好的密封性。矿用压力传感器的主要技术参数有：测量范围为0~60MPa或0~100MPa，测量精度可达±1%，具备1.5倍过载能力。

图6-14矿用压力传感器电液控系统主要元部件介绍战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造166.3液压支架电液控系统位移传感器：目前主要采用干簧管原理，传感器外形为细长管结构，外部套有磁环，管体一端固定在液压缸端部，另一端则插入活塞杆中心的长孔中。磁环安装在活塞杆端部，随活塞杆移动。

图6-15干簧管式位移传感器

图6-16传感器内部结构内部结构和原理：如图所示，管体内沿轴向均匀分布着电阻列和干簧管列，干簧管作用相当于开关，它们连接成网络，构成电位器电路。随着活塞杆移动，磁环的磁场使所到位置的干簧管接点闭合，相当于电位器的移动触刷走到该位置，电位器输出值发生变化，从而反映位移变化。主要技术指标：额定工作电压为DC12V，额定工作电流为15mA，有效测量范围为0~1200mm，测量精度为3mm。6.4液压支架自动跟机移架技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造17液压支架自动跟机移架是根据采煤机当前位置信息和作业循环要求，在采煤机位置前或后的设定距离上自动执行推移刮板输送机、移架(液压支架的降、移、升架)、自动伸缩护帮板等一系列配套动作，完成由液压支架驱动的综采工作面整体推进，其动作工艺流程如图所示。

图6-17跟机自动化动作工艺流程

图6-17跟机自动化动作工艺流程6.4液压支架自动跟机移架技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18采煤机在输送机上运行割煤，由采煤机长度的中点定义采煤机当前位置，并以此为基准定义各个动作执行区间。例如，移架距离表示能够执行移架动作的支架与采煤机当前位置的最小距离。如图中移架距离为7，表明允许执行移架动作的支架与采煤机当前位置的最小间距为7，即7台支架的间隔。移架范围指移架距离后面能够执行移架动作的支架范围，如图中移架范围为5，表示在这个范围内的5个支架均可以执行移架动作。

图6-17跟机自动化动作工艺流程6.4液压支架自动跟机移架技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造19同理，推移刮板输送机距离、伸护帮板距离、收护帮板距离表示执行推移刮板输送机动作和护帮板动作与采煤机位置的最小间隔距离。推移刮板输送机范围、伸护帮板范围、收护帮板范围则表示推移刮板输送机和护帮板能够动作的范围。6.4液压支架自动跟机移架技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造20最终，依据图中所规定的工艺流程，当采煤机行走时，处于采煤机运行方向前的液压支架自动收护帮板，运行方向后的液压支架自动完成移架、伸护帮板、推移刮板输送机等功能，实现综采工作面液压支架自动跟机移架。

图6-17跟机自动化动作工艺流程6.4液压支架自动跟机移架技术采煤机位置检测战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造21采煤机位置是自动跟机移架实现的依据，所有自动跟机移架动作序列都必须依靠采煤机的位置来实现，因此必须准确、可靠。采煤机位置以整数数字来表示，通常在1~300之间，表示采煤机的中间部位对应着以整数数字编号的液压支架。目前，检测采煤机位置的主要方法为红外检测法。红外检测法：红外检测装置由红外发射器及接收器构成，如图所示。红外发射器安装在采煤机上，接收器安装在液压支架立柱上，红外发射器的红外二极管和接收器的红外二极管必须面对面安装。一个工作面在采煤机上安装一个红外发射器，每个液压支架安装1个接收器。发射器每隔20ms定时发射红外线信号，附近支架上的接收器接收到红外线信号后转发给支架控制器，由支架控制器对接收到的红外线信号进行处理，得到采煤机位置数据。随着采煤机行走，液压支架上的接收器依次接收到红外线信号，由此得到动态的采煤机位置。

图6-18采煤机位置红外检测方法6.4液压支架自动跟机移架技术自动推移刮板输送机战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造22根据采煤工艺设定及采煤机位置自动成组推移刮板输送机。此功能相对简单，但在井下使用时经常出现推移刮板输送机不到位、煤机速度快时漏架、架间有水泵等设备时不能拉架等问题。为此需采取多种措施：一是每次推移刮板输送机到100%行程，同时传感器到位后再多推5~10s，确保每架推到位；二是增加漏架检测功能，推移刮板输送机前及时补拉；三是程序上增加拖架功能，如支架故障拉不到位或架前有设备不能拉架时，推移刮板输送机时程序自动将未拉到位的支架立柱降下周边支架推移刮板输送机时可将此支架拖出。6.4液压支架自动跟机移架技术自动跟机拉架战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造23根据不同工艺，按照采煤机不同位置和牵引方向，实现自动跟机拉架。针对井下使用时出现跟机速度慢的问题，采取了多种措施：一是提高支架移架速度，主要措施是增加泵站系统乳化液供液流量，加大主供(回)液管直径，采用双供双回系统；二是支架拉架速度滞后采煤机时，控制系统立即启用成组拉架功能，成组拉架时采用擦顶拉架方式；三是每次拉架拉到100%行程，同时传感器到位后再多拉1~28，确保每架拉到位；四是本架拉架时，旁边2~4架支架推移刮板输送机，以防止刮板输送机倒退导致支架拉不到位；五是位移传感器失效时，程序会以时间判断拉架，防止漏架。护帮板自动控制自动收打护帮板主要是根据采煤机运行速度调整程序运行参数，防止采煤机速度过快出现干涉。一般在采煤机速度达到10m/min左右时，采煤机前方收护帮板动作超前架数设定为20~25架。液压支架自动跟机移架是工作面智能化系统的基本功能，是否自动跟机移架直接关系到工作面自动化生产的实现。6.5综采工作面自动调直技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造24工作面在连续推进过程中必须保证在倾斜方向始终处于直线状态，确保输送机、支架排列整齐，避免因弯曲度过大导致设备的损坏。工作面推进时，支架和刮板输送机互为支点，通过推移千斤顶的伸缩动作实现向前移动。因此支架和刮板输送机的位置是一个相互之间没有约束的浮动系统，真正实现二者的直线度控制较为困难。目前，综采工作面的自动找直有多种技术，包括安装调直行程传感器、激光传感器、LASC技术等。工作面每个支架都是独立的，没有相对参考物，如何明确支架自身的姿态、与相邻架的相对位置，并在支架移动过程中实现移架距离、姿态的精确控制是支架控制系统首先需要解决的问题。因此，综采工作面的自动找直技术研究的重点集中在设备的姿态、相邻支架的相对位置和推移千斤顶行程的检测方面。6.5综采工作面自动调直技术基于测距仪的工作面直线度控制方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造25该方法在液压支架的顶梁上安装测距仪，用于测量液压支架与煤壁之间的距离；同时，安装角度传感器用于检测液压支架顶梁的姿态。液压支架在移架过程中，通过测距仪检测液压支架与煤壁之间的距离，并进行液压支架移架行程的控制，使移架后的液压支架与煤壁保持相同的距离，从而实现工作面液压支架直线度的控制。通过液压支架推移刮板输送机实现整个工作面的直线度控制。基于支架相对位移的工作面直线度控制方法直线度控制的目标是相邻设备间的相对位移为零，因而只要测量设备的相对位移即可作为直线度控制的依据。研究的重点在于基准的选取和传感器的应用。若选取相邻已经移动的支架作为参照，则需采用可以测量两支架相对位置变化的行程传感器。传感器本体和永磁体分别安装在液压支架之间两侧顶梁侧护板内，根据行程传感器的输出值确定相邻支架的相对位移。该方法对相邻支架顶梁侧护板的距离有要求，永磁体长时间安装在侧护板内也会产生磁化，对行程传感器的输出精度造成影响；同时，由于是相邻支架作为参照，因而从工作面整个范围内来看会产生误差积累，会对直线度控制带来难度。6.5综采工作面自动调直技术基于支架相对位移的工作面直线度控制方法战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造26为此，可以选取某一固定基准作为所有支架相对位置的参考，这种方法可采用激光传感器进行测量。将激光传感器的发射端安设在工作面的一端支架上，其他支架都安装有接收装置，每个支架的相对位置都与安装有发射端的支架位置相比较，这样工作面整体直线度就有一个统一的标准，有利于后续的控制执行。在明确支架的相对位置后，还要通过安装在推移千斤顶上的位移传感器获取液压支架与刮板输送机之间的相对位置，据此来调直指定范围内的刮板输送机。LASC技术澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)推出了基于陀螺仪导向定位的自动化采煤方法，英文名称为LASC，是以承担此项技术研究团队ongwalAutomationSteeringCommittee(译为“长壁自动化指导委员会”)英文缩写命名这种技术。LASC技术采用高精度光纤陀螺仪和定制的定位导航算法，解决了惯性导航系统与采煤机高度通信、采煤机起始点校准、截割曲线生成、支架推移调整控制等难题。LASC技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造276.5综采工作面自动调直技术LASC系统的核心是应用高精度(军事级别)惯性导航系统进行采煤机位置、姿态精确检测，描绘工作面运输机的实际形状。然后通过对每个液压支架推移行程单独闭环控制来达成直线度控制目标。LASC机架通过与采煤机通信，获得初始空间位置，当采煤机行走时，陀螺仪(INS)检测采煤机的运行轨迹，当一刀煤完成时，LASC机架生成采煤机运行轨迹曲线，并通过LASC服务器发出。主机Longwangmind(LM-SAC)软件收到数据后，下发给控制器，控制器会根据收到的数据，“找直目标”参数写入满行程值减去收到的数值，于是，在下一刀采煤时，“找直目标”作用在成组移架中，根据上一刀的曲线数值进行补偿，从而达到工作面的找直功能。基于LASC技术实现工作面直线度控制的流程如图所示。

图6-19基于LASC的工作面直线度控制流程示意6.6液压支架智能感知及控制策略概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造28目前，液压支架的电液控制系统主要完成的仍然是支架在煤矿综采中的过程控制，如自动跟机移架、自动推移刮板输送机、工作面调直等，而对支架的智能自适应控制则尚未涉及。支架的智能自适应控制是指支架除了目前的被动支撑功能外，还应具有自主感知、自主分析、自主改变支护状态等主动支护功能，从而实现支架关键参数随围岩状态变化自动调节，满足围岩支护需求。

支架与围岩的适应性主要由支架的支护状态体现，而支架的支护状态则主要由支架的姿态及承载状态体现，因此应首先实现对支架姿态及承载状态的感知，其次应建立评判支架支护状态优劣的准则，最后依据评判准则给出调整策略或进行预警。

6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架的姿态模型及姿态感知战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造29液压支架的姿态是指组成液压支架的各构件的位姿信息，可抽象为机构简图进行展现。以两柱掩护式液压支架为例，其机构简图如图所示。

1-底座；2-后连杆；3-前连杆；4-掩护梁；5-顶梁；6，7-平衡千斤顶；8，9-立柱图6-20两柱掩护式液压支架机构简图为简化分析，图中忽略了支架的前梁和护帮板。由图可知，支架可简化为9个构件，用数字1-9表示。铰接点为转动副，共包含9个转动副，用字母A-I表示。此外，平衡千斤顶和立柱简化为移动副，用字母U和V表示。若考虑底座固定不动，支架的活动构件数目为8，而支架所包含的低副个数为11，由此可知支架的自由度为2。因此理论上只需要给定除底座以外任意两个构件的位姿信息，即可确定液压支架的姿态。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架的姿态模型及姿态感知战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造30然而在实际工作过程中，支架的底座会随底板的起伏呈现倾斜的情况，因此为确定支架的姿态，还需额外增加底座的位姿信息。基于上述分析，为确定液压支架的姿态，应选择三个构件的位姿信息作为输入，考虑到构件的倾角易于检测，因此选择底座、顶梁和后连杆的倾角作为输入，并利用坐标系变换原理建立支架的姿态模型。

1-底座；2-后连杆；3-前连杆；4-掩护梁；5-顶梁；6，7-平衡千斤顶；8，9-立柱图6-20两柱掩护式液压支架机构简图为应用坐标系变换原理，在机构简图上建立1个全局坐标系和4个局部坐标系。全局坐标系为XOY，局部坐标系分别为X1OY1、X2AY2、X3DY3以及X4GY4，如图所示。不失一般性，假设底座、后连杆和顶梁与水平方向的夹角分别为α、β和γ。为方便推导，还需引入一些辅助角，如λ，λ为铰接点AB的连线与局部坐标系X2轴方向的夹角。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架的姿态模型及姿态感知战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造31建模过程以求取D点坐标为例：首先求取D点在局部坐标系X2AY2中坐标。由于局部坐标系Y2轴方向定义为后连杆AD方向，且后连杆AD长度固定，该长度记为l3，因此D点局部坐标为：

1-底座；2-后连杆；3-前连杆；图6-21底座及前、后连杆局部坐标系示意图

其次，由图可知，局部坐标系X2AY2相对全局坐标系XOY的平移向量为：

，旋转角度为

由几何关系又易知:

最后，基于坐标系变换原理可求得D点在全局坐标系坐标，公式如下所示：

基于以上思路可易于建立支架的姿态模型，当测量得到α、β和γ三个倾角，即可通过姿态模型求得支架任意铰点的全局坐标，从而求得任意构件的位姿信息。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架的承载载荷模型及承载载荷感知战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造32液压支架在井下的实际工作条件是复杂的，顶板来压的大小、支架顶梁和顶板的接触情况都会随时间和地点不断变化。而支架承受载荷大小及位置对其稳定性有重要影响，因此应实现支架的载荷感知。外部载荷作用于支架顶梁，若仅以顶梁为隔离体对其进行受力分析，将外部载荷简化为垂直顶梁方向的载荷Q和平行顶梁方向的载荷Qf，载荷作用位置为x，如图所示。顶梁除受外部载荷作用外，还受到立柱对其的作用力PJ、平衡缸对其的作用力PB以及顶梁与掩护梁铰接处的销轴对其的作用力FS。其中立柱和平衡缸的作用力PJ和PB易于通过压力传感器获得，而销轴对顶梁的作用力FS则难以通过传感器获得。图6-22支架顶梁受力分析图为解决上述问题，目前采用的方法是在建立载荷模型时避开销轴力，一方面以顶梁为隔离体进行分析时，仅以顶梁铰接点O1为矩心建立力矩方程；另一方面，以顶梁和掩护梁作为整体进行分析，将销轴力视为内力。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架的承载载荷模型及承载载荷感知战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造33该方法需要引入四连杆机构的运动瞬心，如图所示，图中前、后连杆延长线的交点O即为四连杆机构的运动瞬心。载荷模型建立思路如下：首先以顶梁为研究对象，对O1点建立力矩平衡方程如下，O1点为顶梁与掩护梁的铰接点。得到如下方程：图6-23引入四连杆运动瞬心的掩护式支架受力分析图其次再以顶梁和掩护梁整体为隔离体，对四连杆运动瞬心O点建立力矩平衡方程如下：联立两方程即可求得载荷Q及位置x，如下所示：式中参数如r1、r2、r3、e、d等为几何参数，均可通过姿态模型进行求取。将载荷Q的分子定义为力矩M，当M为零时，载荷Q必然为零，因此可将力矩M作为一个判断特征，用以快速识别支架是否承受外部载荷。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架支护状态分析及智能控制策略战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造34液压支架支护状态由支架的姿态及承载状态决定，而支护状态的优劣则由支架是否失稳来判断。液压支架与围岩处于耦合状态时，主要表现为承载失稳。力平衡区理论研究了液压支架的承载能力与载荷位置的关系。力平衡区是指以顶梁长度位置x为横座标，以支架承载能力Q为纵座标的Q-x曲线下的面积，如图所示。图6-24液压支架的Q-x曲线及力平衡区Q-x曲线表示支架的承载能力随外载荷作用位置而变化的特性。由图可知，当载荷位置小于x1时，支架承受载荷由Q1曲线决定；当位置介于x1和x2之间时，载荷由Q2曲线决定；当位置大于x2时，载荷由Q3曲线决定。显然，Q2段支架承载能力大。该段成为立柱承载区，此时极限载荷由立柱最大工作阻力决定。力平衡区理论为判断耦合状态下的支架支护状态提供了依据。将顶梁所受外部等效集中载荷Q幅值大小及作用位置x与Q1(x)~Q3(x)进行比较，判断该载荷是否在液压支架的力平衡区，从而判断支架是否失稳。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架支护状态分析及智能控制策略战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造35当液压支架顶梁与顶板脱离接触时，主要表现为几何失稳，此时支架的重心和临界失稳角是判断几何失稳的重要依据。当底板倾斜时，沿工作面走向方向，液压支架主要表现为前翻和后仰两种失稳类型。图6-25液压支架后仰失稳分析图以后仰失稳为例：如图所示，设底板倾角为α，由于顶梁脱离顶板，因此支架受力仅为重力G、底座支撑力R及摩擦力Rf。通过姿态模型可求取重心O，坐标记为(xG，yG)。随着底座倾角α增大，支撑力R作用点将趋近于O2点。当支撑力R作用点位于O2点时，支架处于临界失稳。支架对O2点的力矩平衡则全部由重力G的分量提供，通过对O2点的力矩平衡方程可得到临界失稳角，记作αCh，结果如下：由此可知临界失稳角仅由重心坐标决定。在支架的实际使用过程中，应在达到临界失稳角之前就对支架进行姿态调整或发出预警，因此规定安全许用倾角[α]，定义[α]=β∙αCh，β为小于1的安全系数。6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架支护状态分析及智能控制策略战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造36基于以上分析建立了液压支架的智能控制策略，如图所示。由图可知，液压支架控制器首先读取压力、倾角、行程等各类传感器的信息，然后以传感器的信息为输入对液压支架的姿态模型进行解算，并计算四连杆机构的运动瞬心及相关几何参数，然后计算判断支架是否承载的特征M。若M=0，则进入几何失稳分支，继续计算支架在该姿态下的重心坐标、临界失稳角以及安全许用倾角[α]。然后判断液压支架的倾斜程度是否大于[α]，如果大于[α]，则立即降低立柱以降低重心，并发出预警，如果没有大于[α]则继续保持原有姿态。该分支程序执行完再返回开始进行循环。图6-26液压支架智能控制策略流程图6.6液压支架智能感知及控制策略液压支架支护状态分析及智能控制策略战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造37若M≠0，则进入承载失稳分支，进一步计算顶梁载荷Q及作用位置x，然后将其与力平衡区进行对比，分析其稳定性。若已失稳，则提出预警。若未失稳，则进一步判断载荷是否位于立柱工作区，如果是则表明液压支架的支护状态良好，可以保持姿态不变。如果不是，则表明支架的支护状态并非最优，应该尽快调整姿态使液压支架的承载状态回归到立柱承载区。液压支架的执行机构只有立柱和平衡缸，因此应根据一定的智能算法以支架的姿态、载荷Q及作用位置x为输入计算出支架立柱和平衡缸的调整位移。该智能算法可以是模糊控制、神经网络、专家系统等方法，目前学术界仍在探索中。图6-26液压支架智能控制策略流程图THANKS第7章高水基液压系统及其智能化技术7.1高水基液压系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造煤矿井下高水基供液系统，由清水泵向乳化液泵站液箱供水，在乳化液液箱与乳化油完成自动配比，再经过泵站出口出由高压过滤站过滤，经过管路到达液压支架，经过液压支架的手动反冲洗过滤装置，再达到电液控换向阀，通过电液控换向阀控制液压支架的各个动作，最后液压支架回液经过管路和回液过滤站返回液箱。7.1.1概述41第7章高水基液压系统及其智能化技术7.1高水基液压系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造由于煤矿井下独特的防爆、阻燃、环境友好等要求，液压支架液压系统一般采用难燃型高水基乳化液——采用3-5%乳化油+95-97%水混合。7.1.2高水基液42第7章高水基液压系统及其智能化技术7.1高水基液压系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造高水基液特点：黏性低润滑性弱导电性强易汽化弹性模量大7.1.2高水基液43第7章高水基液压系统及其智能化技术7.1高水基液压系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1.3系统组成由于支架每一个执行元件的动作一般情况下是相互独立的，所以控制一个执行元件的液压系统是一个独立的单元，整个液压系统是由若干个这样的独立单元并联组成的。44动力元件：乳化液泵控制元件：换向阀（手动换向阀、电液换向阀）执行元件：（立柱、各种千斤顶）辅助元件：单向阀（液控单向阀、单向锁、双向锁），辅助液压元件（安全阀、截止阀、过滤器等）、管路辅件（高压胶管、接头及辅件等）第7章高水基液压系统及其智能化技术7.1高水基液压系统战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1.3系统组成以煤矿最常用的中厚煤层两柱掩护式支架单架液压系统为例，一般由立柱系统和千斤顶系统组成。立柱系统包括：立柱、换向阀、液控单向阀及安全阀。千斤顶系统包括：推移油缸、伸缩梁油缸、护帮油缸、平衡油缸、侧护油缸、底调油缸、抬底油缸，以及换向阀和若干安全阀、单向锁、双向锁等。45第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路46第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路①互帮回路47第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路48一、二级护帮同时伸展第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路49一级护帮收回、二级护帮保持第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路50一级、二级护帮均收回第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路②平衡、推移、侧护回路51第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路③立柱、抬底回路52第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路④底调回路53第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.1高水基液压系统7.1.4支架回路⑤喷雾回路54第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造55乳化液泵站是智能化采煤工作面的主要装备之一，是把机械能转变为液压能的能量转换装置，是液压支架的动力源。乳化液泵站简称泵站，它在综采工作面有两种布置方式：一种是上、下顺槽各设置一组泵站，从工作面两端同时向工作面液压支架等液压装置供液；另一种是将泵站全部设置在下顺槽的设备列车上，向工作面液压支架及其它用乳化液的液压装置供液。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.1泵站构成56乳化液泵站是由乳化液泵、乳化液箱及附属装置组成。乳化液泵站在实际使用时，往往是同时安装两台乳化液泵和一个乳化液箱，所以通常称“两泵一箱”。有时也可多台泵和多个液箱组成一个泵站系统，当工作面液压设备需要增加供液量时，可让多台乳化液泵并联工作，从而满足生产的需要。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.1泵站构成57国内乳化液泵站由两台泵或三台泵组成，采用一台使用一台备用，或两台使用一台备用的模式运行，乳化液泵上安装有安全阀和液控的机械卸载阀，液箱上安装有高压过滤器、交替阀和蓄能器。国外的乳化液泵站一般由四台泵组成，三台使用一台备用，配备完善的电控系统可根据工作面的需要实现一台泵到三台泵同时供液，满足综采工作面对乳化液流量大范围变化的需求，电控系统为集散式控制，可实现自动和手动两种模式运行。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.1泵站构成58乳化液泵与电动机装在一个滑撬式底座上，乳化液箱装在另一个滑撬式底座上。泵站附件的装设位置随泵站的型式而异，一般多装设在乳化液箱上，有的也装在泵上或泵的底座上。为保证泵站能够安全可靠地运行，设置了安全阀、卸载阀、蓄能器、过滤器及压力表等控制与保护装置。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理59乳化液泵总成主要由电机、机座（联轴器）、泵体部分组成。1-供液集成块；2-高压供液胶管；3-卸载回液主管；4-卸载回液胶管；5-油冷却器；6-单泵体；7-机座（联轴器）；8-电机；9-电控系统（分控）；10-吸液蝶阀；11-吸液主管；12-接线第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理60泵体由泵头组件、卸荷阀组件、安全阀组件、齿轮箱组件等组成。1-强迫润滑系统；2-曲轴箱组件；3-空气滤清器；4-齿轮箱组件；5-安全阀组件；6-泵头组件；7-卸载阀组件第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理611-连杆组件；2-曲轴组件；3-曲轴箱；4-齿轮箱；5-大齿轮；6-小齿轮轴；7-滑块组件；8-滑块密封座组件；9-高压钢套组件箱体传动部分由箱体、一级齿轮减速装置、曲轴、连杆、滑块组成。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理621-滑块组件；2-泵头上盖板；3-排液阀；4-泵头；5-吸液阀；6-泵头前盖板；7-吸液腔；8-高压钢套组件泵头部分主要由泵头体、吸液阀、排液阀、高压钢套(即缸体)和柱塞等组成。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理631-锁紧螺母；2-阀座；3-阀垫；4-阀芯；5-顶杆；6-大弹簧；7-小弹簧；8-阀壳；9-调压螺钉泵用安全阀泵用安全阀安装在泵头上，由阀壳、阀芯、阀座、弹簧座、橡胶阀垫及弹簧等组成。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.2结构与原理641—曲轴；2—连杆；3—滑块；4—滑槽；5—柱塞；6—缸体；7—排液阀；8—排液口；9—进液阀；10—进液口乳化液泵一般为卧式三柱塞或五柱塞往复泵，是通过曲轴的转动经过连杆—滑块机构而使柱塞呈直线往复运动。由于柱塞在吸液过程中不能排液，所以单柱塞泵的排液量很不均匀，是一种周期间断性的脉冲压力液体。为了克服单柱塞泵脉冲压力的不利影响，乳化液泵一般做成三柱塞或五柱塞泵。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.3自动卸荷技术65泵站自动卸荷技术将传感器技术、自动控制技术与液压技术结合，通过压力传感器检测液压系统的实时压力，并根据系统的压力大小决定卸荷阀的开启与关闭。当工作面暂不用液体而泵站继续运转时，高压管路中的乳化液压力急剧升高，需要通过卸荷装置将高压乳化液卸回乳化液液箱。当工作面支架需要用液时，需要将卸载装置关闭，使泵向主管路恢复供液，其中的卸载装置的核心元件是电磁卸荷阀。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.3自动卸荷原理66电磁卸荷阀安装在乳化液泵的出液口，主要包括卸载主阀、装有控制活塞的机械先导阀、电磁先导阀。电磁卸荷阀的工作原理如图:第7章高水基液压系统及其智能化技术7.2高水基液压泵站战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.2.3自动卸荷装置67乳化液箱上的电磁卸载阀主要由单向阀、主阀、先导阀、电磁阀等组成。当液压支架不用液时，泵站出口压力升高，当压力传感器监测到压力达到卸载压力时，使电磁阀通电，卸荷阀打开卸荷，当压力低于下限时，则电磁阀关闭，卸荷阀也关闭，泵站系统开始重新加压。1-主阀体；2-主阀芯座；3-主阀套；4-主阀芯；5-主阀弹簧；6-上盘；7-电磁阀体；8-电磁上球阀；9-电磁阀座；10-杠杆；11-推杆；12-极靴；13-电磁壳体；14-衔铁；15-线圈；16-电磁阀弹簧；17-电磁下球阀第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.1概述68随着煤矿井下对自动化和生产效率要求的提高，传统的手动换向阀已逐步由电液控制阀取代。支架电液控制阀电液控制阀安装位置第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造69立式结构分类：按电磁先导阀的安装形式分为卧式结构和立式结构。7.3.2结构与原理组成：电液控制阀由电磁铁、先导阀、主阀三部分组成。电磁铁先导阀主阀第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造70卧式结构按电磁先导阀的安装形式分为卧式结构和立式结构。7.3.2结构与原理第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.2结构与原理71液压支架电液控制阀，主要由电磁铁、先导阀和主阀三部分组成。电磁铁电磁铁用作电-机械转换器，依靠其电磁力驱动先导阀阀芯部件。电磁铁主要有两种形式，一种是直动式结构，一种是拍合式结构。1-铁芯；2-线圈；3-弹簧；4-壳体；5-挡铁；6-顶杆；7-驱动电路板；8-手动按钮直动式电磁铁第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.2结构与原理72液压支架电液控制阀，主要由电磁铁、先导阀和主阀三部分组成。电磁铁电磁铁用作电-机械转换器，依靠其电磁力驱动先导阀阀芯部件。电磁铁主要有两种形式，一种是直动式结构，一种是拍合式结构。直动式电磁铁第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.2结构与原理73液压支架电液控制阀，主要由电磁铁、先导阀和主阀三部分组成。电磁铁电磁铁用作电-机械转换器，依靠其电磁力驱动先导阀阀芯部件。电磁铁主要有两种形式，一种是直动式结构，一种是拍合式结构。1-阀体；2-线圈；3-铁芯；4-拍合片；5-手动按钮；6-销轴；7-先导阀拍合式电磁铁第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.2结构与原理74先导阀该先导阀为二位三通结构，正常情况下，A-O相同，P-A断开，当阀芯压杆6受力向左运动时，球阀5向左运动，将A-O口关闭，同时在顶杆4的作用下，推动钢球3向左运动，促使P-A口连通，输出先导控制液。当压杆不受力时，弹簧座2、钢球3、钢球5在弹簧1的作用下恢复初始位置。1-弹簧；2-弹簧座；3、5-钢球；4-顶杆；6-阀芯压杆第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7.3.2结构与原理75先导阀早期的先导阀P-A，O-A之间的密封均采用平面密封方式，但这种方式要求密封平面具有较高的平面度，对加工精度要求较高。由于煤矿液压系统易受污染，密封平面之间易进入杂质，密封效果不好。后来经过优化改进，采用球阀结构，具有较好的自动对中和密封性能。第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造76主阀主阀在结构形式上均采用螺纹插装阀。这种阀在安装时只需将阀芯、阀套、弹簧及密封件组成一个组件插入标准孔内，插装阀由此而得名。插装式结构液压阀与普通结构液压阀相比，具有安装拆卸方便、流通能力大、动态特性好、集成化程度高等特点。7.3.2结构与原理第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造77插装阀的组合使用具有很多优点：利用标准的阀芯插件，再借助于连接方式和先导控制方式的改变，可实现多种滑阀换向机能。由先导阀控制压力、流量和阀芯开口量，很容易实现液压系统压力、流量和方向的控制。只需两个插装阀芯就能够实现液压执行元件的双向动作。插装阀结构紧凑，能够方便地实现集成化，降低管路复杂程度，并降低由此引起的压力损失。7.3.2结构与原理第7章高水基液压系统及其智能化技术7.3高水基液压阀战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造78当先导阀没有输出液时，主阀处于图示初始位置。当先导阀有输出液时，输出液到达回液阀套上的控制口，进入控制腔，高压液先推动回液阀芯右移，关闭回液口O，再推动进液阀芯右移，直至进液阀芯达到进液阀套上的机械限位处，使P-A口连通并达到最大开口量，主阀开始工作。电磁铁断电后，主阀进液阀芯会在弹簧力的作用下恢复至初始位置。7.3.2结构与原理1—回液阀套；2—回液阀芯；3—进液阀芯；4—阀座；5—进液阀套；6—弹簧第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造79PAOAO7.3.3工作原理主阀开启PAOAO第7章高水基液压系统及其智能化技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造807.3.3工作原理主阀关闭THANKS81第八章

综采装备数字孪生技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造目录CONTENTS8.1数字孪生技术概述8.2虚拟模型与场景构建技术8.3综采工作面虚拟仿真技术8.4综采工作面虚拟监测技术8.5综采工作面虚实双向交互技术8.6综采工作面孪生系统构建与测试8.2.1虚拟装备模型构建技术8.2.2虚拟煤层构建技术8.2.3虚拟场景构建技术8.1数字孪生技术概述战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5真实的综采工作面场景数字孪生虚拟综采工作面场景数字孪生技术特点：实时反应物理实体的状态面向整个生命周期可广泛集成以虚控实、虚实融合的多物理多学科动态扩展数字孪生（DigitalTwin，DT）最初由美国的MichaelGrieves博士提出，该技术最早被应用于航空航天领域内。8.1数字孪生技术概述数字孪生技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5虚拟模型与场景构建虚拟仿真虚拟监测虚实双向控制8.2虚拟模型与场景构建技术虚拟装备模型构建技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5虚拟装备模型构建过程虚拟装备模型构建技术虚拟煤层构建技术虚拟场景构建技术8.2虚拟模型与场景构建技术液压支架虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5虚拟液压支架优化前后的模型（a）优化前；（b）优化后8.2虚拟模型与场景构建技术液压支架虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5将模型导入至Unity3d内，基于液压支架的D-H坐标系及相关运动学，为虚拟液压支架添加控制脚本，实现在虚拟环境下的动作仿真，包括：升柱、降柱、移架、推溜、伸出护帮板、收缩护帮板等。液压支架仿真动作8.2虚拟模型与场景构建技术液压支架虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7液压支架姿态受到煤层底板形态的影响。煤层底板对液压支架的姿态影响发生在液压支架静止状态下和液压支架的移架过程中。液压支架姿态受煤层底板影响（a）液压支架群工作面布置；（b）液压支架连续推进8.2虚拟模型与场景构建技术采煤机虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9虚拟采煤机模型8.2虚拟模型与场景构建技术采煤机虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10为了使得采煤机能够在虚拟物理空间中完成与实际物理世界一样的运动，需要为采煤机添加刚体组件以及碰撞体组件。采煤机物理组件添加8.2虚拟模型与场景构建技术刮板输送机虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11刮板输送机为采煤机的行走提供轨道，并起着运输煤料的作用，为虚拟刮板输送机添加材质球、碰撞体，连接关节以及刚体组件，并进行结构、外观的设计。刮板输送机虚拟模型8.2虚拟模型与场景构建技术刮板输送机虚拟模型构建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11刮板输送机物理组件添加刮板输送机中部槽间通过哑铃销连接，在unity3d中添加HingeJoint铰链关节,模拟中部槽间的连接关系。采煤机行走时需要滑靴与刮板输送机发生碰撞，同时刮板输送机需要与煤层发生碰撞，为刮板输送机中部槽添加碰撞组件，使其与采煤机及煤层底板发生碰撞。8.2虚拟模型与场景构建技术虚拟煤层构建技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造13虚拟煤层的构建分为不随截割变化的固定煤层构建，以及随截割变化而变化的动态可变煤层构建。虚拟固定煤层构建流程图拟合曲面参数设置8.2虚拟模型与场景构建技术虚拟煤层构建技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造17int[]triangles=newint[(xSize-1)*(ySize-1)*6];for(intti=0,vi=0,y=0;y<(ySize-1);y++,vi++){for(intx=0;x<(xSize-1);x++,ti+=6,vi++){triangles[ti]=vi;triangles[ti+a]=triangles[ti+b]=vi+xSize;triangles[ti+c]=triangles[ti+d]=vi+1;triangles[ti+5]=vi+xSize+1;}}

对于动态可变煤层的构建，应用Mesh网格结构技术实现。

8.2虚拟模型与场景构建技术UGUI界面设计技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18UGUI是Unity3d引擎中的一种用户界面开发工具，它支持个性化定制，使用灵活，可以让开发者轻松地创建。

创建Canvas添加UI元素布局设计UI组件设计贴图素材交互设计UGUI界面设计的步骤8.2虚拟模型与场景构建技术UGUI界面设计技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造18UI元素属性UGUI界面设计用到的组件分为监测组件及交互组件两大类，UI组件及其属性如表。组件功能分类组件名称功能监测Text/TextMeshPro用于文本的显示，文本类型为string类型Image/RawImage用于图片的显示，图片要设置为Sprite类型Panel用于背景底色设置交互Button按钮触发物体动作，添加OnClick()方法实现相应的命令Toggle选择勾选框执行相关命令InputField输入文本显示组件，显示类型为string8.2虚拟模型与场景构建技术综采装备协同推进虚拟场景搭建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造20为了使得综采装备操作、信息方案更易被用户所理解，需构建综采装备协同推进虚拟场景。

综采装备协同推进虚拟场景8.2虚拟模型与场景构建技术综采装备协同推进虚拟场景搭建战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造21虚拟场景中采用了与真实综采场景中完全相同的控制器面板，其中采煤机控制面板如图（a）所示，液压支架控制面板如图（b）所示。(a）采煤机仿真控制器面板；(b）液压支架仿真控制器面板仿真控制器面板8.3.1综采工作面虚拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1综采工作面虚拟仿真技术总体路线如下图所示虚拟仿真技术路线图8.3.1综采工作面虚拟仿真技术采煤机虚拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2

采煤机模型父子关系设计采煤机部分零件8.3.1综采工作面虚拟仿真技术液压支架虚拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3

液压支架模型父子关系设计液压支架部分零件8.3.1综采工作面虚拟仿真技术刮板输送机虚拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造4由于刮板输送机各节中部槽之间都互为整体且具有独立的运动，因此，只需约束各节中部槽之间的运动关系，使其具有各个方向的运动。刮板输送机零部件的父子关系如图所示。刮板输送机父子关系设计8.3.1综采工作面虚拟仿真技术刚体属性添加战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造5在指定合适的父子关系后，需要通过Rigidbody组件为综采装备中主要部件赋予刚体物理属性。刚体物理属性相关参数说明参数参数说明Mass刚体的质量，单位是千克(kg)Drag空气阻力，0代表没有空气阻力，无限大的值代表物体会立即停下来（惯性消失）。AngularDrag物体受到一个扭力旋转时的阻力，0代表没有阻力，但是需要注意的是无限大的值并不能让物体立即停止旋转。UseGravity是否受重力影响IsKinematic是否动力学的：选中时，物体不会受到物理引擎的影响，只能通过修改Transform移动物体。Interpolate插值选项：如果发现刚体移动有卡顿，可以尝试选择此选项。None

不使用插值；Interpolate

根据上一帧的Transform进行平滑；Extrapolate

根据估算的下一帧的Transform进行平滑。Info只读信息：刚体的速度，角速度，惯性张量，质心坐标，唤醒/睡眠状态8.3.1综采工作面虚拟仿真技术关节组件添加战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造6为了使装备模型实现在虚拟场景中的仿真运动，需要在Unity3d中对带有刚体组件的机械部件进行约束装配，这一过程具体可以通过各种关节组件完成。Unity3d中关节组件⼀共分为5⼤类。Unity3d关节组件功能关键组件类型所对应的运动副链条关节（hingejoint）将两个物体以链条的形式绑在⼀起，当⼒量⼤于链条的固定⼒矩时，两个物体就会产⽣相互的拉⼒。固定关节（fixedjoint）将两个物体永远以相对的位置固定在⼀起，即使发⽣物理改变，它们之间的相对位置也将不变。弹簧关节（springjoint）将两个物体以弹簧的形式绑定在⼀起，挤压它们会得到向外的⼒，拉伸它们将得到向⾥的⼒。⾓⾊关节（characterjoint）可以模拟⾓⾊的⾻骼关节。可配置关节（configurablejoint）可以模拟任意关节的效果。8.3.1综采工作面虚拟仿真技术三机协同虚拟仿真技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造7三机协同运行过程中部分自动化状态说明自动化状态执行操作01选择左滚筒割底；选择右滚筒割顶；选择上行牵引方向；选择中部截割牵引速度；开启滚筒截割；执行完毕后进入下一自动化状态。02监听滚筒是否达到指定初始位置；待滚筒达到指定初始位置后进入下一自动化状态。03判断液压支架跟机状态是否正常；若正常，经过指定时间后启动采煤机牵引；执行完毕后进入下一自动化状态；（若不正常则进行提示）。04监听采煤机是否达到工艺段变换位置；待采煤机达到工艺段变换位置后执行：停止牵引；选择左滚筒割顶；选择右滚筒割低；选择斜切进刀牵引速度；选择下行牵引方向；确认执行正常后进入下一自动化状态。05监听滚筒是否达到指定初始位置；待滚筒达到指定初始位置后进入下一自动化状态。06判断液压支架跟机状态是否正常；若正常，经过指定时间后启动采煤机牵引；执行完毕后进入下一自动化状态；（若不正常则进行提示）。......跟机自动化下综采三机协同运行仿真模拟8.3.2综采工作面虚拟监测技术综采装备虚拟监测技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造8

综采装备虚拟监测内容8.3.2综采工作面虚拟监测技术采煤机虚拟监测技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造9采煤机机身位置与三轴倾角采煤机牵引相对位置滚筒坐标、牵引速度与加速度信息8.3.2综采工作面虚拟监测技术液压支架虚拟监测技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造10支架工作阶段初撑阶段（tc）增阻阶段（t1）恒阻阶段（t2）降架阶段

液压支架的工作特性曲线图液压支架工作四个阶段图1.液压支架虚拟监测相关数据8.3.2综采工作面虚拟监测技术刮板输送机虚拟监测技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造11刮板输送机的位置可以由液压支架位姿结合液压支架中推杆的行程与各铰接点转动倾角计算得到，如图所示。刮板输送机位姿推导过程8.4综采工作面虚实双向交互技术8.4.1由虚到实的交互技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造1由虚到实的交互技术是虚实双向交互技术中的一部分，它涉及将虚拟环境中的信息、状态或行为影响到实际世界中对象的运动。以下是一些常见的由虚到实的交互技术

。手柄/控制器交互技术语音识别交互技术手势识别技术目光注视的交互技术8.4综采工作面虚实双向交互技术8.4.1由虚到实的交互技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造2在综采装备数字孪生系统中，主要使用到虚拟控制器对综采设备进行实际控制。结构框架如图所示：具体方法涉及到三个关键步骤：1.构建软件系统—综采工作面数字孪生模型及虚拟监控平台。2.对物理综采装备的相关动作进行编码并构建SQlite数据库对孪生数据及编码指令进行管理。3.上位机虚拟控制平台与实际综采装备控制器之间选择合适的数据通信方式进行双向通信。综采工作面虚实交互结构框架8.4综采工作面虚实双向交互技术8.4.1由虚到实的交互技术战略性新兴领域教材建设团队-重型高端装备制造3（1）数据库管理：数据库的主要任务是确保全系统各种各样的数据互联、交换