ZFG5600/16.5/26綜放液壓支架立柱升柱穩定性研究

賈建強

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業有限公司，山西 臨汾 041204)

科技發展日新月異，煤礦機械化開采水平不斷提升，作為采煤工作面機械化支護設備，液壓支架的動態特性將影響煤礦的生產效率，而放頂煤液壓支架作為支護設備的一種，不僅維護采煤空間的安全，而且能夠隨著工作面的推進而機械化移動，不斷地將采煤機和輸送機推向煤壁，同時還承擔關鍵的放煤任務，直接影響工作面的產量[1].本文研究適用于大傾角、松軟煤層及仰采等復雜條件的綜放工作面放頂煤液壓支架升架過程中的動態特性，通過研究不同參數下液壓支架的動態響應，分析其響應性能的準確性和穩定性，檢驗工作中液壓支架立柱控制系統的穩定性。

1 液壓系統主要控制回路分析

以ZFG5600/16.5/26液壓支架為研究對象，對其立柱控制回路進行了模型建立和工作原理分析[1]，在理想工作條件下進行參數設置，根據仿真結果研究其在理想條件下的相應性能。

立柱控制回路的模型建立見圖1[2]. 恒壓源提供31.5 MPa的高壓乳化液，恒流源提供180 L/min的乳化液，設定安全閥的壓力為50 MPa，設定溢流閥的壓力為31.5 MPa，通過控制先導閥和換向閥的開啟來控制立柱的升降。

圖1 立柱控制回路模型圖

立柱升柱過程仿真如下：

立柱位移曲線見圖2，立柱速度曲線見圖3.

圖2 立柱位移曲線圖

結合圖2與圖3可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現短時波動，約0.15 s后速度保持0.089 m/s的穩定值穩定上升。約1.8 s時速度減為0 m/s，立柱達到0.15 m的最高處。

圖3 立柱速度曲線圖

進出口壓力曲線見圖4.由圖4可知，約1.8 s前，立柱處于升架階段，支架所受阻力較小，故此時進出口壓力均較小，在1.8 s后，立柱升到最高處，進出口壓力幾乎同時迅速攀升，最終達到安全閥設定的31.5 MPa.

圖4 進出口壓力曲線圖

考慮支架應用中的實際工況，立柱在升架過程中會受到外負載的影響，設定外載信號為：0～10 s時外載信號為0 null，10～20 s時外載信號為10 null，20～30 s時外載信號為0 null，30～40 s時外載信號為10 null. 建立考慮外載情況的立柱模型見圖5[3].

圖5 外載下立柱控制回路模型圖

在外載前提下，設定進回液管道長度分別為1 m、10 m、100 m，得到立柱升架過程中仿真曲線[1]. 管道長度設為1 m時仿真曲線見圖6，7.

圖6 立柱位移曲線圖

圖7 立柱進出口壓力曲線圖

由圖6可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現短時波動約0.12 s，周期性外載使得支架位移曲線出現短時波動。約2.2 s時立柱達到0.15 m的最高處，其后受周期外載影響，位移曲線仍然會出現短時波動。從圖7可看出，外載變化會使支架內腔壓力發生明顯變化。在管道長度為1 m，外載為唯一變量時，對比圖2與圖6可得，周期性外載延長了支架升架所用時間，延長時間僅約為0.4 s，可見支架穩定性良好，不會因外載的增加出現劇烈運動。

管道長度設為10 m時的仿真曲線見圖8，圖9.

圖8 立柱位移曲線圖

圖9 立柱進出口壓力曲線圖

由圖8可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現短時波動約0.15 s，約2.4 s時立柱達到0.15 m的最高處。與管道設為1 m相比，管道設為10 m時，開始升架時間延遲了約0.03 s，升架到最高處的時間延遲約為0.2 s，進出口壓力變化非常明顯，此時起作用的僅為管道長度，說明管道長度變化小時對支架運動無明顯影響，對立柱腔體內壓力變化影響較大。

管道長度設為100 m時的仿真曲線見圖10，圖11.

圖10 立柱位移曲線圖

圖11 立柱進出口壓力曲線圖

由圖10可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現短時波動約2.05 s. 約4.15 s時立柱達到0.15 m的最高處。與管道長度為10 m相比，管道長度設為100 m時，可明顯看出升柱時間向后延遲約2.02 s，故管路長度增加將會延長支架響應速度，不利于生產，同時立柱升架前，出口壓力明顯攀升，立柱的突然位移使得出口壓力瞬間減小，將會使立柱承受較大的沖擊。

3種管道長度對比可知，管道長度對立柱進出口壓力有較明顯影響，壓力變化較復雜，同時管道長度增加，阻力增大，會使立柱升架明顯延遲，故在實際應用中應盡力縮短管道長度，以提高立柱反應速度。

2 不同管道長度供回液管路壓力損失

因為液壓支架乳化液流動通常處于阻力平方區[4]，所以供回液λ的計算式為：

(1)

則供液管路：

回液管路：

式中：

λ—沿程阻力系數；

d—管路直徑，mm.

供液管路：

(1.235 -1)2=0.02+0.007 2=0.027 2

(2)

則

∑ζ1=0.027 2×571=15.53

回液管路：

0.018 7+0.007 2=0.025 9

(3)

則

∑ζ2=0.025 9×571=14.79

式中：

ξ—局部阻力系數。

管路的流量為：Q=180 L/min=0.003 000 m3/s

回液管路：Q2=Q=0.003 000 m3/s

式中：

Q—管路流量，m3/s；

Q1—供液管路流量，m3/s；

Q2—回液管路流量，m3/s.

供液管路的液體的流速為：

(4)

式中：

v1—供液管路液體流速，m/s；

d1—供液管路直徑，mm.

回液管路的液體流速為：

(5)

式中：

v2—回液管路液體流速，m/s；

d2—回液管路直徑，mm.

供回液管路壓力損失計算公式為：

(6)

式中：

ρ—流體密度，kg/m3；

l—管路長度，m；

v—平均流速，m/s.

取進液管道d25 mm，回液d30 mm，分別計算管道長度為1 m、10 m、100 m時壓力損失，結果如下：

1 m時進液壓力損失為0.75 MPa，回液壓力損失為1.36 MPa，總壓力損失約占液壓源提供壓力的6.7%；10 m時進液壓力損失為1.11 MPa，回液壓力損失為1.91 MPa,總壓力損失約占液壓源提供壓力的9.6%；100 m時進液壓力損失為4.75 MPa，回液壓力損失為7.36 MPa,總壓力損失約占液壓源提供壓力的38.4%. 對比3組數據可明顯看出，管道直徑一定時，壓力損失隨著管道長度增加而明顯增加，當長度為100 m時將嚴重影響支架的工作穩定性。故此時應采取相應措施，如使用增壓裝置、選用直徑大的管道或者減小管道長度等，以達到安全生產目的[4].

3 結 論

從仿真結果及理論計算得出，周期性外載的施加使支架升起所用時間有所延長，而管道長度的增加影響了支架開始升起的時間，升架所用時間幾乎不變，同時管路長度的變化將會明顯改變壓力損失，故在實際生產應用中要結合外作用變化與支架自身的特性，尋求最合適的支護時間，以達到最大的經濟效益與安全生產。