綜采工作面液壓支架立柱快速供回液方案研究

周如林， 喬子石， 孟令宇

(北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

自動化、智能化技術(shù)和裝備的逐步發(fā)展及其在煤礦綜采工作面中的不斷推廣應用，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障[1-2]。在綜采工作面生產(chǎn)工藝中，液壓支架自動跟機控制能夠極大地降低工人勞動強度，提高支護效率[3-4]，是實現(xiàn)智能化綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)地質(zhì)條件較好且液壓支架功能少、支撐力小的中薄煤層煤礦(如黃陵礦業(yè)集團有限責任公司、陜西神木榆家梁煤礦等)已成功實現(xiàn)跟機自動化[5-7]。

液壓支架自動跟機控制的主要目標是使液壓支架順利跟機、及時支護，防止出現(xiàn)跟機丟架情況，并實現(xiàn)綜采工作面高效推移。為此，其應具備高支護、快速移架、大推移距離等性能[8]，其中在保障采場安全的前提下，縮短工作面空頂時間是一個極為關(guān)鍵的問題。但目前液壓支架自動跟機控制存在動作時間長、較手動操作效率低、控制參數(shù)憑經(jīng)驗設定等不足[9]，導致綜采工作面推移速度慢、液壓系統(tǒng)壓力與流量匹配不佳等問題。針對上述問題，許多學者從液壓系統(tǒng)角度研究了減少液壓支架動作時間的方法。于玲等[10]提出升柱動作時間與流量相關(guān)性較大，流量越大，升柱速度越快，但當流量達到一定值后對升柱動作時間的影響較小；劉寶龍[11]研究了液壓系統(tǒng)壓力損失與移架時間之間的關(guān)系，結(jié)果表明當移架負載較小時，增大泵站額定流量可提高移架速度，當移架負載較大時，減小液壓系統(tǒng)回液背壓和沿程壓力損失可提高移架速度；黃蕾[12]建立了支架液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型，通過仿真調(diào)整管路管徑和單向閥通流面積，降低了液壓系統(tǒng)供液阻力和回液背壓，提升了移架速度。

研究表明，減小液壓系統(tǒng)阻力以增大系統(tǒng)工作流量，是提高綜采工作面移架速度的主要途徑，且系統(tǒng)背壓對降柱速度影響較大。為降低液壓支架動作時的背壓，提高綜采工作面推移速度，本文通過研究液壓支架閥控缸單元中液壓缸瞬態(tài)伸縮時的流量-壓力關(guān)系，提出了3種液壓支架立柱快速供回液方案，采用AMESim仿真模型對比分析了3種方案的快速性和穩(wěn)定性，得到最佳立柱快速供回液方案。

1 液壓支架組成及其控制

液壓支架基本結(jié)構(gòu)包括底座、推移桿、推移千斤頂、立柱、平衡千斤頂、頂梁、護幫板等，如圖1所示。不同液壓支架單元的控制原理相似，均為液壓閥控制液壓缸伸縮，區(qū)別僅在于液壓閥和液壓缸參數(shù)不同。

1-護幫板；2-頂梁；3-立柱；4-推移桿；5-推移千斤頂；6-底座；7-后連桿；8-掩護梁；9-平衡千斤頂；10-前連桿。

單臺液壓支架在自動跟機控制過程中主要完成降柱、移架、升柱、推溜4種動作，其中降柱-移架-升柱為循環(huán)動作，在自動跟機控制過程中時間占比最大，且這3種動作與推溜在時間上是分離的，因此，本文主要研究液壓支架降柱-移架-升柱動作。液壓支架自動跟機控制通常依靠時間估計和壓力檢測進行粗略的開環(huán)控制，支架執(zhí)行各動作的時長取決于自動跟機控制時間參數(shù)的設定[13]。若設定時間過長，會造成降柱行程過大，影響跟機效率；若設定時間過短，則工作流量過大，系統(tǒng)背壓過高，造成降柱行程過小，拉架時頂梁與煤壁存在接觸，導致拉架、跟機失敗。上述問題的主要原因是沒有明確液壓系統(tǒng)在不同狀態(tài)參量條件下，液壓支架完成降柱-移架-升柱動作的動態(tài)特性和完成各動作的時間。為保證液壓支架動作的快速性和可靠性，需對閥控缸單元建立液壓缸伸縮的流量-壓力數(shù)學模型，分析閥控缸單元工作原理。

2 閥控缸單元數(shù)學建模及分析

由于液壓支架各液壓系統(tǒng)工作原理相似，所以采用同一等效閥控缸單元模型進行分析，如圖2所示，其中F為工作阻力，pin為壓力源壓力(供液壓力)，pout為回液壓力，p1為液壓缸伸縮時無桿腔瞬態(tài)壓力，p2為液壓缸伸縮時有桿腔瞬態(tài)壓力，q1為供液流量，q2為回液流量。

1-液壓缸；2-液控單向閥；3-供液閥1；4-過濾器；5-回液斷路閥；6-供液閥2。

液壓缸無桿腔為主要的流體壓縮區(qū)，當液壓支架立柱升柱觸頂后，無桿腔內(nèi)部的壓力由低升高至設定值與降柱時負載壓力釋放過程都是封閉容腔內(nèi)介質(zhì)體積變化的過程。此時存在流體的單向流入或流出，但液壓缸對外無行程變化，是一個非線性壓縮過程。根據(jù)封閉容腔體積壓縮方程[14]，得

(1)

式中：Δp為動態(tài)封閉容腔壓力變化值；E為動態(tài)封閉容腔有效體積彈性模量；Δq為流入與流出動態(tài)封閉容腔的流量差；V為動態(tài)封閉容腔總?cè)莘e；Δt為時間間隔。

此處液壓缸為單側(cè)閉鎖系統(tǒng)，其動作包括伸出和縮回。二者流向不同，對應的阻尼通道也不同，但原理相似，因此僅對液壓缸伸出動作進行建模。

液壓缸伸出動作的流量-壓力數(shù)學模型[13]如下。

(2)

(3)

式中：AF1為液壓缸伸出時供液側(cè)等效閥口過流面積；t為時間；k為壓力源到液壓缸無桿腔的綜合流量系數(shù)；k1為過濾器綜合流量系數(shù)；k2為供液閥1的綜合流量系數(shù)；k3為液控單向閥的綜合流量系數(shù)。

對式(2)積分，得到液壓缸伸出時的無桿腔瞬態(tài)壓力：

(4)

式中p0為液壓缸無桿腔初始壓力。

可見液壓缸伸出動作過程中無桿腔瞬態(tài)壓力由壓力源壓力和無桿腔有效體積彈性模量共同決定，且與時間存在二次方的關(guān)系。液壓支架通常處于高壓工況，此時彈性模量隨壓力變化可忽略，因此液壓缸伸出瞬間無桿腔壓力由壓力源壓力確定。

同理，液壓缸縮回動作過程中無桿腔瞬態(tài)壓力由回液壓力確定。

3 液壓支架立柱快速供回液方案設計

為提升液壓支架跟機效率并保證穩(wěn)定性，提出立柱供液閥直供、二級控制+立柱快速供液閥、電液控換向閥直供3種快速供回液方案，如圖3所示。

1-液壓缸；2-溢流閥；3-液控單向閥1；4-供液閥1；5-過濾器；6-回液斷路閥；7-供液閥2；8-組合閥；9-液控單向閥2；10-換向閥。

(1)立柱供液閥直供方案(方案1)。立柱升柱時，供液閥1快速開啟,經(jīng)液控單向閥1供液，實現(xiàn)立柱快速伸出；立柱降柱時，液壓缸無桿腔通過組合閥(由630 L/min液控單向閥1，2并聯(lián)而成)的2個液控單向閥，經(jīng)過供液閥2接通主回液。

(2)二級控制+立柱快速供液閥方案(方案2)。立柱升柱時，供液閥1快速開啟，經(jīng)液控單向閥1供液，實現(xiàn)立柱快速伸出；立柱降柱時，為降低系統(tǒng)背壓，提升降柱速度，將液控單向閥2連接通斷閥接通主回液，實現(xiàn)快速回液，液控單向閥2經(jīng)供液閥2接通主回液。

(3)電液控換向閥直供方案(方案3)。立柱升柱時，電磁換向閥通過液控單向閥1向立柱供液，使立柱伸出；立柱降柱時，液控單向閥2快速開啟接通主回液，實現(xiàn)快速回液，液控單向閥1通過電磁換向閥接通主回液。

4 液壓支架立柱快速供回液方案對比分析

4.1 AMESim仿真建模

采用AMESim軟件建立基于不同立柱快速供回液方案的液壓支架仿真模型，如圖4所示。

(a)基于方案1

仿真模型主要包括負載、立柱、壓力源、回液口、移架推溜系統(tǒng)、立柱供回液方案和延時控制系統(tǒng)。K1-K4分別為延時控制系統(tǒng)、回液口、換向閥、壓力源輸入信號；λ為移架液壓缸伸出量；x為實際移架量；τ為時間延遲；P為回液口壓力；Q為壓力源流量。

4.2 仿真參數(shù)設置

為在同一參考條件下對比液壓支架在不同方案下跟機動作的穩(wěn)定性與快速性，按照實際控制器參數(shù)設定仿真參數(shù)，見表1、表2。

表1 閥類參數(shù)

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

降柱-移架-升柱循環(huán)動作控制方案：液壓支架立柱降柱位移達0.15 m后，液壓支架開始執(zhí)行拉架動作，當行程達1.1 m時停止拉架；延時0.5 s后，支架執(zhí)行立柱升柱動作，支架接頂后，液壓缸無桿腔壓力繼續(xù)增大，滿足要求后停止升柱動作，實現(xiàn)液壓支架自動跟機。

4.3 方案對比

在自動跟機控制過程中，液壓支架需按照降柱-移架-升柱的動作次序?qū)崿F(xiàn)綜采工作面推移。以液壓支架AMESim仿真模型為基礎，對比分析3種立柱快速供回液方案的快速性和穩(wěn)定性。

3種方案下執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時液壓缸有桿腔、無桿腔壓力曲線如圖5所示(圖5中對方案2標注了降柱-移架-升柱分區(qū))。可看出經(jīng)過2 s的初始穩(wěn)定狀態(tài)后，立柱開始降柱，無桿腔初始壓力為43 MPa，流體壓縮建壓時間接近1 s。當液壓缸無桿腔壓力降至約3 MPa且趨于穩(wěn)定時，有桿腔壓力上升并穩(wěn)定在31.5 MPa。在之后的立柱穩(wěn)態(tài)降柱過程中，無桿腔和有桿腔的壓力均保持不變。在支架移架與控制信號延時期間，液壓缸閉鎖，液壓缸有桿腔、無桿腔及壓力源壓力均保持較小值不變。立柱升柱過程中，立柱在接頂前主要克服較小的負載自重，壓力源壓力處于較低水平，在立柱接頂后，液壓缸無桿腔壓力逐漸增大并進行瞬態(tài)壓縮，該過程持續(xù)時間約為2 s，最后穩(wěn)定至系統(tǒng)額定壓力25 MPa。

(a)液壓缸無桿腔壓力曲線

3種立柱快速供回液方案下，液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時，液壓缸有桿腔、無桿腔壓力變化趨勢和峰值基本一致，因此3種方案的穩(wěn)定性基本一致。

3種方案下執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時的立柱位移曲線如圖6(a)所示，相應的移架位移曲線如圖6(b)所示。

從圖6可看出，經(jīng)過2 s的初始狀態(tài)后，立柱開始降柱，流體壓縮建壓時間接近1 s，此時立柱基本沒有位移變化。流體壓縮完畢后進入穩(wěn)態(tài)降柱階段，立柱平穩(wěn)下降。可看出方案3下立柱降柱時間最短，其次是方案2，方案1下立柱降柱時間最長。

(a)立柱位移曲線

當立柱下降0.15 m時，液壓支架執(zhí)行移架動作。由于移架液壓缸為倒裝形式，即閉鎖腔為環(huán)形腔，以保證足夠的拉架力，所以在解鎖過程中，其瞬態(tài)過程較短，可忽略不計，直接為穩(wěn)態(tài)移架過程。3種方案下液壓支架仿真模型中移架推溜系統(tǒng)元件與參數(shù)一致，因此3種方案下移架時間基本一致。

完成移架后，經(jīng)過0.5 s延時，執(zhí)行立柱升柱動作。由于方案3與方案1、方案2相比只使用了組合閥的1個液控單向閥使立柱上升，所以方案3下立柱上升速度較慢，但考慮到立柱升柱過程中的低負載、大流量特性，方案3與其他2種方案的升柱時間差異并不明顯。

根據(jù)仿真結(jié)果得到3種方案下液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作的時間，見表3。

表3 液壓支架動作時間

從表3可看出：方案3下立柱降柱時間最短，為2.31 s，分別較方案1、方案2縮短51.2%，32.4%，但升柱時間最長；從支架降柱-移架-升柱循環(huán)動作總時間看，方案3最短，且比傳統(tǒng)方法總時間(12 s)縮短22.1%，可見方案3下液壓支架自動跟機時間最短、效率最高。

為了研究流量對液壓支架降柱-移架-升柱動作執(zhí)行階段穩(wěn)定性與快速性的影響，對2個立柱伸縮時的總供回液流量進行仿真，結(jié)果如圖7所示。

(a)總供液流量曲線

從圖7可看出：液壓支架執(zhí)行降柱動作初始階段存在供回液流量階躍波動情況，之后立柱總供液流量趨于穩(wěn)定，為200 L/min以下；降柱過程中，方案3下總供液流量最大，因此回液背壓最小，立柱下降速度最快，完成降柱時間最短；液壓支架執(zhí)行升柱動作時，雖然方案1與方案2為全流量供液，方案3為1 300 L/min流量供液，但由于升柱過程中的低負載特性，且實際工況下多支架協(xié)同控制時單臺支架輸入流量較低，所以3種方案下立柱升柱時間區(qū)別不大。

5 結(jié)論

(1)建立了閥控缸單元液壓缸伸出瞬間流量-壓力數(shù)學模型，通過分析得出液壓缸伸縮瞬間壓力主要與供回液壓力有關(guān)，且與時間呈二次方關(guān)系，為動態(tài)分析液壓支架在綜采工作面自動跟機控制過程中的運行狀態(tài)提供了理論支撐。

(2)為減少液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時間，提升綜采工作面推移效率，提出了立柱供液閥直供、二級控制+立柱快速供液閥、電液控換向閥直供3種立柱快速供回液方案，并建立了基于3種方案的液壓支架AMESim仿真模型。

(3)通過AMESim仿真得到了液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時液壓缸無桿腔、有桿腔壓力瞬態(tài)變化曲線。立柱降柱時無桿腔瞬態(tài)壓力變化時長接近1 s，升柱時無桿腔瞬態(tài)壓力變化時長約為2 s。3種方案下液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時液壓缸無桿腔、有桿腔壓力曲線變化趨勢基本一致，因此認為3種方案的穩(wěn)定性基本相同。

(4)通過AMESim仿真得到了3種方案下液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時間。電液控換向閥直供方案可在保證穩(wěn)定性的基礎上，有效提升液壓支架跟機動作的快速性，降柱-移架-升柱循環(huán)動作總時間為9.35 s，較傳統(tǒng)方案縮短22.1%，為最佳供回液方案。