綜采工作面中液壓支架動態特性的研究

殷俊龍

（山西寧武大運華盛莊旺煤業有限公司，山西 忻州 036700）

1 液壓支架支護的基本原理

在煤炭的綜合開采面通常由掘進機、輸送機以及液壓支架組成，三者相互協調配合，完成煤炭的開采。掘進機主要負責煤炭的掘進與破碎，具有連續開采，高強度作業的能力，是煤炭開采的第一道工序。輸送機置于掘進機內部，可直接將掘進機截割下來的煤炭通過皮帶源源不斷地向井外輸送。液壓支架在煤炭開采中主要負責對巷道的支護，為人員與設備提供良好安全的作業環境[2]。

以平陽重工ZY12000型大采高液壓支架為研究對象，見圖1。液壓支架主要包括頂梁、立柱、掩護梁、底座等結構，液壓支架的結構可以簡化為一個四桿機構，為了分析液壓支架的受力特征，可以對其結構進行適當簡化，研究液壓支架不同走行速度對穩定性的影響。液壓支架架體與液壓控制系統共同組成了液壓支架系統，液壓支架的動作是通過控制不同的液壓油缸的行程來實現對液壓支架動作的控制[3]。

圖1 液壓支架結構簡圖

2 液壓支架系統的建模方法

為了研究液壓支架的動態特性，需對其移動特性進行分析，一般采用傳遞函數、信號流圖、功率鍵合圖等方法來研究，不同的研究方法具有不同的特點，根據實際需求進行分析。已知，傳遞函數法一般基于古典控制理論，比較適用于較為簡單的單輸入、單輸出的系統；信號流圖分析方法可解決多點輸入與輸出的設計，但圖像信號的處理過程比較復雜，沒有比較成熟的仿真分析工具可使用。而功率鍵合圖方法主要針對動力學問題，具有比較成熟的仿真軟件。

基于對液壓支架實際動作過程的研究與受力分析，建立液壓支架移動的數學模型，并基于現有的仿真軟件對液壓支架的運動特性進行分析，現有的AMESim是法國Imagine公司基于鍵合功率圖開發的軟件，該軟件功能強大。軟件內部包含比較豐富的庫，包括液壓元器件、機械彈簧、阻尼等，基本模塊的組合，即可實現對復雜模型的建模分析。

結合對液壓支架移架運動的分析與液壓支架的運動模型分析計算，利用AMESim軟件對液壓支架的運動特性進行模擬分析，利用該軟件可以清晰明了分析整機系統各部件的關系，系統之間的功率傳遞效率，對研究液壓支架移動過程具有重要意義。由分析得到液壓支架功率傳遞關系以及分析結果，由于篇幅所限，在此不再一一列舉[4]。

3 液壓支架運動模型的建立

3.1 液壓支架運動特性

ZY12000型大采高液壓支架的運動幾何模型，見下頁圖2。根據液壓支架的工程設計圖紙，可以確定其各部件的尺寸關系，其中頂梁長度L為4 850 mm。前端的搖桿支撐長度為L1為2 670 mm，后側支撐搖桿的長度L2為2 560 mm，掩護梁前后鉸支點之間的中心矩L3為680 mm，前搖桿與掩護梁所形成的鉸接點與掩護梁與頂梁所形成的鉸接點之間中心距L4為3 820 mm，掩護梁上分別與后搖桿和頂梁所形成的鉸點間距離為3 760 mm[5]。

圖2 ZY12000液壓支架的運動幾何模型

對圖中所涉及的參數做簡要說明，其中α為前搖桿傾角；α1為掩護梁傾角；θ1為平衡千斤頂的水平傾角；θ2為后搖桿與水平傾角；液壓支架各關鍵節點的傾角與距離對其運動特性的分析至關重要，因此需特別注意其模型的處理。

3.2 支架數學模型的建立

液壓支架的移動驅動動力來源主要是液壓油缸、千斤頂等，頂梁能實現的各種動作均是通過控制液壓油缸的動作來實現的，最終達到對液壓支架的整體控制目標，尤其是調整液壓支架移動。液壓支架的運動學模型，以底座后端點為坐標原點，根據各個節點的傾角與距離建立運動方程。

水平方向設為X軸，立柱的伸縮方向設定為Y軸，以前搖桿的水平傾角α和頂梁的水平傾角β作為分析液壓支架運動特性的自變量，構建起液壓支架關于兩個傾角與各關鍵節點坐標值之間的關系。如下所示為前搖桿與掩護梁之間的鉸點的坐標關系可以表示為[6]：

式中：L1為前搖桿長度；Lx、Ly分別為前搖桿與底座的鉸接點橫坐標與縱坐標；α為前搖桿傾角。建立坐標系，并根據起傾角建立各個點的函數關系，從而實現了對液壓支架移動特征的量化分析，其中的中間變量表達式為：

4 液壓支架移動特性的分析

4.1 VC++6.0的求解過程

根據液壓支架的運動學模型，可以得到液壓支架在不同傾角下運動情況，根據第3節中建立的數學模型，如果在已知液壓支架的頂梁傾角和支架前搖桿傾角的基礎上，理論上可以計算出液壓支架各關鍵點的位置情況，結合液壓支架姿態仿真分析結果，即可實現對液壓支架運動特性的分析與判定，有助于提高液壓支架姿態的控制能力。

液壓支架的頂梁傾角和前搖桿傾角可以通過角度傳感器進行測量，而數學模型的計算可以基于計算機編程實現，所以采用VC++實現液壓支架姿態分析可視化操作程序。在編程過程中，液壓支架的傾角等輸入輸出的可視化操作，作為程序的一個重要組成部分，基于VC++進行液壓支架參數化界面設計，Visual C++6.0設計的具體思路及程序流程如圖3所示。

圖3 VC++設計的程序流程

4.2 可視化界面的設計

要實現分析系統的可視化操作，首先需要在VC++界面中創建一個程序框架，將各個簡單的計算公式編程封裝作為可視化操作程序的子程序，其次將各個區塊的功能進行有效連接。由此構成可視化操作程序，即可根據不同的輸入計算液壓支架的姿態，見圖4。

圖4 初始狀態下可視化界面

輸入傾角參數經軟件的分析計算，確定相應狀態下液壓油缸的運動位移量，由此可以計算出液壓系統平衡油缸液壓系統所需的流量，從而確定需要操作的液壓油缸操縱閥開啟的時間，繼而完成對液壓支架姿態的控制，可以有效地提高液壓支架的移動速率。

5 結論

1）基于解析分析列出液壓支架運動特點的表達式。

2）在完成液壓支架的數學模型建模的基礎上，基于VC++語言將數學算法程序化程序，從而實現液壓支架姿態分析的可視化操作，解決了液壓支架移架過程中相關參數數值的計算等問題，通過輸入與輸出快速化計算得到液壓支架液壓平衡油缸的動作參數，為液壓支架的移動提供理論參考。