兩柱掩護式液壓支架姿態監測技術研究

文治國，侯 剛，王彪謀，任懷偉，趙國瑞

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

由于液壓支架應用在煤礦井下，工作環境惡劣，為適應工作面采場圍巖及煤層的變化，支架姿態經常發生變化，如果姿態異常將會導致支架整體失穩甚至造成關鍵零部件損壞。尤其在工作面推進距離達到周期來壓步距或產生沖擊地壓等災害事故時，頂板下沉量及下沉速度會成倍增加，支架姿態的合理變化就顯得尤為重要［1－3］。因此，本文基于工作面實際工況，以ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護式支架為例，對兩柱掩護式液壓支架姿態監測方法進行研究。

1 液壓支架姿態監測方法的提出

為了實現對液壓支架姿態的實時監測，需要在支架相關部件上安裝傳感器。考慮到安裝的方便及易維護性，以三傾角傳感器作為數據來源進行分析計算。其中在頂梁和底座各布置1臺傾角傳感器，而另外1臺傳感器雖經理論分析布置在掩護梁、前連桿、后連桿均可，但考慮到傾角傳感器測量角度大于60°后精度會顯著下降，而ZY6800/11.5/24D型支架前連桿角度在15～48°之間變化，因此將第3臺傾角傳感器布置在前連桿上，并由此確立了以頂梁、底座、前連桿角度為自變量的支架姿態監測方法。在此基礎上，通過創建模型，對姿態算法進行推導。

1.1 姿態數學模型建立

建立如圖1所示的支架二維桿系模型，不考慮銷軸間隙影響。

圖1 支架二維桿系模型

圖1中，L1～L5分別為頂梁、掩護梁、前連桿、后連桿及底座的長度;L6～L9是立柱的定位尺寸;L10～L13是平衡千斤頂的定位尺寸;H為支架的支撐高度;X，Y分別為立柱和平衡千斤頂工作時的長度;α，β，γ分別為頂梁、前連桿、底座與水平面夾角 (由3個傾角傳感器實時測得)，其他參量如圖1所示。

1.2 姿態數學表達式求解

為提出支架姿態數學表達式，根據圖1所示支架桿系模型，建立以O為原點，豎直向上為+Y，水平向左為+X的平面坐標系，A～K代表支架不同結構件間的連接鉸點，XA～XK，YA～YK為不同鉸點在該坐標系下的坐標值，以α，β，γ為自變量可直接建立的鉸點坐標計算公式為:

利用上述鉸點坐標公式建立支架姿態的參數式方程并進行求解，可得出支架在縱向平面內任意時刻的姿態參數，根據兩點間的距離公式，支架支撐高度H、立柱工作長度X、平衡千斤頂工作長度Y可分別表示如下:

2 液壓支架虛擬樣機的建立

選用 SolidWorks軟件建立 ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護式液壓支架虛擬樣機，并對整架進行運動學仿真。

液壓支架結構復雜，因此建模時在不影響支架運動學仿真的前提下忽略次要因素，簡化模型結構，提高建模速度。其基本建模假設原則如下:

(1)不改變液壓支架部件軸心的距離和位置。

(2)不改變主要部件和零件的尺寸。

(3)簡化次要零件受力小的部分，如豎筋板、橫筋板與頂 (或底)蓋板交結部以外的頂 (或底)蓋板部分。

(4)忽略樣機的次要零件對整架主要結構件的受力狀況產生的影響［2－5］。

基于上述原則，按照所選ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護式液壓支架零部件二維尺寸圖，在SolidWorks環境中建立支架零部件三維幾何模型并進行裝配。操作中按照各部件間相互運動關系，使配合定位準確，并利用SolidWorks的干涉檢查評估體系對支架結構進行靜態干涉檢查［3］，經過多次修改和優化，得到如圖2所示虛擬樣機模型。

圖2 虛擬樣機模型

3 液壓支架運動學仿真

采用SolidWorks軟件的Motion插件，對已建立好的虛擬樣機進行運動學仿真。為便于分析，首先做如下假定:

(1)不考慮各連接處的間隙。

(2)銷軸端面與所連接的構件表面平行且距離值恒定，即約束了銷軸在X和Y平面的自由轉動及Z平面的移動。

(3)立柱和千斤頂的活塞桿與其所配合的油缸同軸心，即不考慮偏斜情況的存在。

(4)機構的主動力源作用于立柱，將活柱和內缸體作為運動件來考慮，二者沿軸線方向運動，其行程即為運行位移［4－8］。

基于上述假定，在SolidWorks/Motion環境中，設定各仿真參數，仿真結果以excel文件存儲，對不同數據量化處理，進行二次分析，結果如下:

(1)當平衡千斤頂伸長量為零，底座水平時，立柱伸長量由零升至最大過程中，頂梁在不同高度允許最大俯角值如圖3所示。

分析圖3曲線可知，支架立柱伸長量為最大時，頂梁允許最大俯角值約為5°，當大于5°時支架平衡千斤頂將發生干涉，行程為負值，并可能造成連接件 (如銷孔、銷軸)的斷裂或平衡千斤頂結構件的永久損壞。因此，在檢測到支架頂梁俯角接近5°時，需對平衡千斤頂活塞腔及時補壓，即進行推平衡千斤頂操作，并同時適當降柱，調整姿態，避免支架損壞。而在使用過程中，支架實際支撐高度小于最大支撐高度，因此選取圖中相應高度所對應的最大俯角值 (此時大于5°)作為支架姿態監測調整的新判據，并以圖5所示相同立柱伸長量時對應支架高度為理想調整狀態對支架進行合理調控。

圖3 頂梁最大俯角

(2)當平衡千斤頂伸長量為全部行程，底座水平時，立柱伸長量由零升至最大過程中，頂梁在不同高度允許最大仰角值如圖4所示。

圖4 頂梁最大仰角

由圖4可知，支架立柱伸長量為零時，頂梁允許最大仰角值約為8°，當大于8°時，支架平衡千斤頂行程全部用完，并產生干涉，造成平衡千斤頂或支架的永久性損壞。當檢測到支架頂梁仰角接近8°時，需對平衡千斤頂活塞桿腔及時補壓，即進行拉平衡千斤頂操作，調整姿態，避免支架損壞。在使用中，根據支架實際支撐高度，選取圖中相應高度對應的最大仰角值 (此時大于5°)作為支架姿態監測調整的新判據，并以圖5曲線為目標對支架進行調控。

圖5 支架高度與立柱長度關系曲線

4 姿態算法校驗

假設支架頂梁與底座水平，并勻速上升，利用SolidWorks/Motion仿真插件繪制支架高度隨立柱長度變化的關系曲線，如圖5系列1所示。同時，利用VS2008將支架姿態算法編寫為C++程序，通過編譯運行，得到β由16°到48°并以2°遞增時，支架高度與立柱長度變化量的17組對應數據，并擬合為曲線，如圖5系列2所示。

由圖5可知，姿態算法擬合曲線與虛擬樣機模擬曲線走勢基本相同，但有最大約為70mm的相對誤差，經分析誤差由三方面造成:一是程序運算中數據保留位不同;二是虛擬樣機的構建存在一定誤差;三是算法中對高次方程的求解不夠準確。但從總體趨勢來看，姿態算法基本正確，可作為支架姿態監測的理論基礎。

5 結論

給出了兩柱掩護式液壓支架二維桿系模型，推導出了該型支架的姿態算法，并采用SolidWorks軟件對支架進行了運動仿真，驗證了支架姿態算法的正確性，結果表明，該算法可以用于液壓支架姿態監測。

［1］白雪峰.掩護式支架姿態監測與控制的研究［D］.太原:太原理工大學，2006.

［2］朱殿瑞.掩護式液壓支架姿態監測的理論與主要部件的有限元分析［D］.太原:太原理工大學，2012.

［3］楊培舉.兩柱掩護式放頂煤支架與圍巖關系及適應性研究［D］.徐州:中國礦業大學，2009.

［4］王國法，徐亞軍，孫守山.液壓支架三維建模及其運動仿真［J］.煤炭科學技術，2003，31(1):42－45.

［5］任錫義.液壓支架整體動態特性仿真分析［D］.太原:太原理工大學，2010.

［6］徐亞軍，崔 柳，朱 軍.基于虛擬樣機的液壓支架運動仿真和動態干涉檢查 ［J］.煤礦機械，2004(12):67－69.

［7］彭 霖.液壓支架靜力學與運動學分析以及優化設計［D］.武漢:華中科技大學，2009.

［8］徐亞軍，王國法，柴賓元，等.液壓支架虛擬樣機構建技術的研究［J］.煤礦開采，2003，8(4):8－10.