綜采支架液壓系統動態特性研究及改進設計

文章編號：1671?251X（2024）08?0020?10 DOI：10.13272/j.issn.1671-251x.2024060046

關鍵詞：綜采工作面；液壓支架；液壓系統；支架初撐力；移架時間；液壓沖擊；動態特性

中圖分類號：TD355.4/67 文獻標志碼：A

0引言

在現代煤礦綜采工藝中，液壓支架是保障作業安全與機械設備穩定運行的關鍵裝備。液壓支架與綜采工作面煤層及圍巖共同構成復雜的力學系統，其通過調節初撐力、工作阻力、移架時間等關鍵參數，實現對圍巖運動的適應與調控，尤其在減緩頂板下沉、維持頂板完整性方面發揮著重要作用[1]。研究表明，液壓支架通過對靜載荷主動承壓、動載荷被動讓壓來適應圍巖運動，提高液壓支架與圍巖的系統剛度，可改變基本頂的斷裂位置[2-4]。雖然液壓支架的支護強度不能改變基本頂斷裂后的最終下沉量，但通過調節頂板下沉速率，可有效減小頂板快速下沉對支架的沖擊，改善綜采工作面作業環境[5-6]。

液壓支架的初撐力、移架時間是調控圍巖運動的關鍵因素[7-9]。但實際工作中，常存在支架初撐力不足和移架速度慢等問題。目前針對該問題的研究大多集中在增大泵站流量和降低壓力損失上[10-13]，如采用多臺大流量乳化液泵、在泵站配置大容量蓄能器等方法增大泵站流量，通過增大供回液管路、電液換向閥和液控單向閥的通徑，以及采用環形或梯形供液方式來降低壓力損失[14-15]， 也有采用增壓閥[16]、增壓缸[17]來提升初撐力的嘗試。上述方法主要基于支架液壓系統的穩態運行規律，目前對液壓系統動態特性的研究較少。對此，本文分析了綜采工作面支架液壓系統的動態特性和乳化液管路系統的液壓沖擊特性，得出了支架液壓系統壓力大幅下降波動的主要原因，揭示了液壓沖擊現象的發生機理，提出一種液壓系統改進方案：采用蓄能器產生穩壓作用，利用液壓沖擊的壓力峰值產生超壓作用，從而提高初撐力，縮短移架時間。通過仿真驗證了改進方案能夠有效穩定液壓支架的初撐力，加快系統動態響應。

1綜采支架液壓系統動態特性分析

1.1支架液壓系統的動態壓力

綜采工作面支護系統通常包括100多臺液壓支架。單臺支架液壓系統結構如圖1所示[18]。

液壓支架大部分時間處于恒阻工作狀態，屬于靜壓支撐。支架降柱、移架、升柱為快速運動狀態，三者時間和為移架時間。移架過程中液壓系統壓力隨時間動態變化，同時在液控單向閥、電液換向閥和進回液管路上產生壓降，形成動態壓力分布，引起整個綜采工作面液壓管路供液壓力波動，進而影響液壓支架初撐力和移架時間。

初撐力是液壓支架移架完成后對頂板的初始支撐力，等于液壓支架在升柱過程中立柱下腔的最大壓力與有效面積的乘積。初撐力可通過設定泵站壓力來調控，也可以通過安裝增壓閥或增壓缸來調控。但不論哪種方式，支架液壓系統的供液壓力須達到一定值才有效，因此支架液壓系統的供液壓力波動必然影響初撐力，有必要研究支架升柱過程中立柱下腔的壓力變化規律，探討支架液壓系統供液壓力波動幅度及主要原因。

支架升柱過程可分為立柱上升和觸頂加壓2個階段。立柱上升階段的負載包括支架頂梁等運動部分的重力、慣性力和阻尼力，動力平衡方程、立柱下腔和上腔的流量方程如下。

式（1）—式（8）構成支架立柱上升階段的封閉方程組。由于壓力損失和摩擦阻尼消耗了振蕩能量，所以系統方程是收斂的，存在所有變量的唯一解。由此得出以下推論。

1） 立柱上升階段下腔壓力p₁很小，近似空載運行。由于立柱下腔有效面積遠大于上腔有效面積，頂梁和立柱的運動部分質量相對較小，所以立柱上升階段近似空載運行，只需要很小的壓力即可驅動負載。

立柱上升階段，在進回液管路、電液換向閥和液控單向閥上形成壓力降，壓力降與流量的平方呈正比。壓力在進液通道上經泵站、進液管路、電液換向閥、液控單向閥和立柱下腔逐級下降，最小壓力為立柱下腔壓力p₁；壓力在回液通道上經立柱上腔、液控單向閥、電液換向閥、回液管路逐級下降為0。

2） 立柱上升階段立柱下腔流量Q₁主要取決于進液通道的綜合阻力系數（包括進液管路壓力損失系數、電液換向閥和液控單向閥的進液阻力系數），與泵站的額定流量弱相關。

由于泵站蓄能器與乳化液泵聯合供液，蓄能器頻響很高，瞬時流量可以達到很大值，即使乳化液泵的額定流量較小，聯合供液的瞬時流量仍能達到較大值，所以供液瞬時流量只受限于進液管路阻力損失、電液換向閥和液控單向閥的壓力降。因升柱時間較短，只需增加蓄能器容積，以提供升柱所需的流量，即可減小泵流量，降低設備成本。升柱階段立柱上升速度取決于供液流量，采用蓄能器能夠有效加快移架速度，提高生產效率。

3） 立柱上升或除推移千斤頂之外的其他千斤頂近似空載運行是綜采工作面液壓支架供液壓力大幅下降波動的主要原因。

立柱上升或其他千斤頂近似空載運行時，驅動壓力近似為0，急劇拉低了綜采工作面支架液壓系統的供液壓力，支架進液通道形成逐級下降的壓力分布。蓄能器安裝在泵站附近，因此泵站出口壓力波動較小，泵站壓力隨蓄能器輸出流量而不斷下降，下降幅度取決于蓄能器容量。綜采工作面支架供液壓力因長距離供液管路的壓力損失而產生更大的壓力波動。其他空載運行的千斤頂也會造成壓力急劇波動，如護幫千斤頂伸出或縮回將導致整個綜采工作面支架系統的壓力急劇下降。

立柱上升接觸頂板后壓實浮矸即進入觸頂加壓階段。此時立柱活塞的速度和加速度均為0，回液管路流量和阻力損失為0。力平衡方程、立柱下腔和上腔流量方程、進回液壓力損失方程分別為

式（9）—式（13）構成了支架立柱觸頂加壓階段的封閉方程組。可看出液壓系統只在進液通道上具有動態參數變化，而在回液通道上因沒有流量，所以立柱上腔壓力為0。

觸頂加壓階段的起始段延續了立柱上升階段的流體慣性，即方程組的初始條件為立柱下腔壓力p₁近似為0，瞬時流量Q₁仍具有很大值，所以壓力的時間變化率dtp₁/dr很大，p₁急劇上升，使得p_p-p₁ =0時，瞬時流量急劇降為0。此時立柱下腔乳化液在長距離供液管路流體慣性作用下將產生液壓沖擊。

結合立柱上升階段的推論可知：

1）在觸頂加壓階段，立柱下腔壓力雖然急劇上升至泵站壓力，但泵站壓力在立柱上升階段的空載運行中大幅下降，且蓄能器無法及時恢復充液，因此立柱下腔壓力無法達到支架初撐力要求。

2）觸頂加壓階段立柱停止動作，不需要流量供給，下腔瞬時流量降為0。此時泵站為蓄能器充液，以恢復供液壓力。充液過程中關閉電液換向閥，結束觸頂加壓階段，初撐力必然達不到要求；如果等待充液過程結束再關閉電液換向閥，結束觸頂加壓階段，則移架時間延長，生產效率降低。

1.2管路液壓沖擊對初撐力的影響

乳化液泵站距綜采工作面任意一臺支架的進回液管路均在200 m 以上，應考慮管路液壓沖擊的影響。管路液壓沖擊是指當閥門突然開啟或關閉時，管路內液體流速急劇改變，流體的慣性使管路內壓力急劇升高或降低[19-20]。支架升柱過程中立柱觸頂進入加壓狀態時，立柱速度突然降為0，相當于液流突然降為0，必然產生液壓沖擊現象。

根據液壓流體力學的管路液壓沖擊理論和1.1節分析結果，在立柱觸頂加壓階段，立柱活塞速度首先降為0，使立柱下腔壓力p₁急劇上升，瞬時流量Q₁急劇降為0，此時流速突然降為0，緊鄰活塞的一薄層乳化液先停止流動，之后這層乳化液被壓縮，壓力增大Δp，然后第2層乳化液被壓縮，壓力增大。依此類推，形成一個高壓區與低壓區分界的增壓波面，以速度c沿管路向泵站傳播，到達泵站時降為泵站輸出壓力，增高的壓力Δp突然消失，形成減壓波面并以速度c沿管路向立柱下腔傳播。之后壓力先降低再升高，形成壓力沖擊。此時電液換向閥處于全開狀態，相當于全開通道，不影響液壓沖擊；而立柱上的液控單向閥仍是正向開啟、反向截止狀態，不影響正向壓力升高，但截斷了反向壓力降低過程。因此，完整的液壓沖擊過程發生在立柱下腔液控單向閥至泵站的長距離供液管路內。理想的沖擊壓力波形為振幅Δp、周期4L=c（L為管路長度）的方波，如圖2所示[21]，其中p₀為初始壓力。

實際上，液壓阻力及管壁變形需要消耗一定能量，因此實際管路液壓沖擊波形呈逐漸衰減的復雜曲線，如圖3所示。

液壓支架的進回液管路屬于長距離管路，所以液壓沖擊波具有相對較長的持續時間，大于立柱上液控單向閥的啟閉時間。而液控單向閥的單向流動特性截斷了反向的壓力降低過程，保留了正向升高沖擊壓力。因此可利用液壓壓力沖擊現象提升立柱下腔的初撐壓力。

2綜采支架液壓系統壓力波動實測數據分析

為驗證綜采支架液壓系統壓力波動理論分析結果，于2024年4月8日9：00—21：00在棗莊礦業（集團）有限責任公司濱湖礦16108工作面現場采集大量實測數據進行分析。綜采工作面6號、46號、86號液壓支架附近管路壓力部分實測數據如圖4 所示。可看出綜采支架液壓系統管路壓力具有壓力波動特性，大多集中在高壓區域，每隔幾十秒有1 次壓力急劇下降，降幅較大，直達低壓區域。液壓系統壓力急劇下降時3 個支架附近管路壓力基本上都有不同程度的下降。

6號、46號、86號支架附近管路壓力部分實測數據峰谷值及對應時間見表1。可看出壓力急劇下降時，3 個支架附近管路壓力具有同升同降的特點，但下降幅度和起止時間并不相同。去除實測誤差的影響，造成該現象的主要原因是測點到引起壓力波動的千斤頂的距離導致管路壓力損失和時間滯后。

支架附近管路壓力即支架電液換向閥的輸入壓力，實測數據證實了綜采支架液壓系統存在劇烈的壓力波動，與前文理論分析結果一致。

3綜采支架液壓系統仿真分析

3.1仿真建模

基于理論分析結果，在AMESim 軟件中建立綜采支架液壓系統仿真模型（圖5），分析液壓支架降柱、拉架和升柱過程的動態特性。仿真參數根據現場實際情況設置，具體見表2。泵站到支架的長距離進回液管路采用液壓沖擊管路模型。

3.2液壓支架壓力仿真結果分析

對液壓支架降柱、拉架和升柱全過程進行仿真分析。輸入信號為電液換向閥的開關信號。

立柱位移和速度曲線如圖6所示。降柱過程從1s 開始，給定持續時間為3s，立柱上端由2.8 m 下移至2.6m，位移為0.2m，速度為0.08 m/s，降柱結束時因電液換向閥切換引起立柱速度強烈振蕩。拉架過程從4s開始，給定持續時間為2s（根據拉架實際距離調整），立柱穩定在2.61 m 位置，起始段有振蕩。升柱過程從6s開始，給定持續時間為5s，立柱上升0.2m，起始速度強烈振蕩，然后穩定在0.15m/s 左右。7.3 s時立柱觸頂加壓，8s時達到壓力峰值，表明升柱過程結束。電液換向閥延時2s 關閉。

移架過程中立柱下腔、液控單向閥進口、電液換向閥P 口和泵站供液口的動態壓力曲線如圖7所示。

在移架過程中，泵站供液壓力曲線因蓄能器的作用而穩定且平滑，降柱和拉架過程中基本上穩定在泵站設定壓力31.5 MPa 處，在升柱過程中泵站壓力下降到22MPa，原因是立柱近似空載運行而蓄能器輸出大流量導致壓力下降，表明立柱空載運行拉低了整體系統壓力。

電液換向閥P 口壓力因長距離進液管路中流體液壓沖擊而呈現壓力急劇波動，尤其是在換向閥突然開啟瞬間，壓力急劇下降，如拉架開始瞬間壓力下降至24 MPa，升柱開始瞬間壓力下降至19.8 MPa，然后呈斜方波急劇波動，與液壓沖擊理論分析的壓力波形一致，隨后波形衰減變形，呈現阻力損失消耗能量的實際波形特征。這表明電液換向閥開啟引起液壓沖擊現象，千斤頂和立柱啟動運行會急劇拉低綜采支架液壓系統壓力，空載運行比帶載運行對系統壓力的影響更大。

立柱下腔壓力在整個移架過程中較低，降柱開始0.5 s 內瞬時壓力從42 MPa 急劇下降至4.3 MPa，然后立柱穩定下行。拉架過程中立柱下腔壓力為0，推移千斤頂動作。在升柱過程的立柱上升階段，立柱下腔壓力接近0，表明立柱上升近似空載運行；在觸頂加壓階段，立柱下腔壓力快速升高，在0.5 s 內瞬時壓力達到泵站壓力，之后超過泵站壓力產生振蕩。

另外，在降柱、拉架、升柱過程中壓力波動始終存在，支架運動結束后壓力波動呈現衰減振蕩特征并趨于穩態。這表明降柱、拉架、升柱各個過程持續時間都很短，電液換向閥迅速切換，使得液壓沖擊現象始終存在，系統壓力大幅波動，在液壓支架完成移架動作進入恒阻工作狀態后，液壓沖擊現象才消失。因此，液壓沖擊作用是移架過程的主要影響因素之一，與立柱或千斤頂的近似空載運行共同導致系統壓力大幅波動。

升柱過程的壓力曲線如圖8 所示。可看出在立柱上升階段，立柱下腔壓力呈現小幅衰減振蕩，穩定在0.5 MPa，與最大壓力相比很小，表明立柱上升近似空載運行。泵站供液壓力從31.5 MPa 降到19.8 MPa，電液換向閥P 口壓力從19.8 MPa 降到7.8 MPa，液控單向閥進口壓力從7.8 MPa 降到約0.5 MPa，此時管路壓力降最大。當第1 個液壓沖擊壓力峰值結束后，管路壓力降變小，進一步表明了立柱空載運行和管路液壓沖擊是壓力大幅波動的主要因素。在立柱觸頂加壓階段，立柱下腔壓力、液控單向閥進口壓力、電液換向閥P 口壓力曲線快速上升，泵站供液壓力曲線因蓄能器充液而緩慢上升，上述3 條壓力曲線同時達到峰值，之后立柱下腔壓力因液控單向閥的隔壓作用而保持在峰值，液控單向閥進口壓力、電液換向閥P 口壓力曲線產生衰減振蕩。由于蓄能器充液提升了泵站供液壓力，使得第2 個振蕩壓力峰值大于第1 個，所以第2 個峰值壓力沖開液控單向閥繼續為立柱下腔加壓，壓力沖到34.2 MPa，峰值時間在9.0 s。這表明升柱過程的觸頂加壓階段存在液壓沖擊引起的壓力振蕩，使得立柱下腔壓力能夠超越泵站設定壓力，發生超壓現象。

仿真分析表明，升柱過程中立柱空載運行使得泵站壓力急劇降低，在立柱觸頂加壓階段不能及時恢復到泵站設定壓力，而蓄能器充液是泵站壓力不能及時恢復的關鍵因素。若蓄能器在短時間內完成充液，達到泵站設定壓力，則立柱下腔發生超壓現象，提升支架初撐力；若蓄能器充液時間過長，液壓沖擊產生的壓力振蕩已衰減為0，則不發生超壓現象；若電液換向閥關閉時蓄能器仍在充液，供液壓力低于泵站設定壓力，則導致支架初撐力不足。

3.3立柱動態流量仿真結果分析

移架過程中單個立柱下腔流量曲線如圖9所示。可看出降柱過程中回液瞬時流量峰值達到1000 L/min，且快速穩定在300 L/min；拉架過程中立柱下腔流量為0，此時推移千斤頂動作；升柱過程中流量在610～704 L/min 之間波動，在立柱觸頂加壓階段，下腔流量從610 L/min 急速下降到0，此時壓力急速上升到第1 個峰值，接著有1個105 L/min 的流量波峰，對應第2 個壓力波峰。

升柱過程中單個立柱下腔流量峰值為704 L/min，雙立柱流量峰值為1408 L/min， 而泵站有2臺400 L/min 的乳化液泵，流量不足部分由蓄能器提供。這表明蓄能器能夠提供非常大的瞬時流量。

由于升柱時間較短，且立柱上升所需的乳化液體積有限，所以增加多個蓄能器提供瞬時流量可滿足升柱需求。蓄能器具有動態響應快、瞬時流量大的特點，在液壓支架升柱或千斤頂工作時由蓄能器快速供液，支架進入恒阻靜壓支撐時可為蓄能器充液，所以增大蓄能器容積的設計方案具有可行性。

4支架液壓系統改進及仿真分析

4.1改進方案及工作原理

綜采支架液壓系統改進方案如圖10所示。

在綜采工作面液壓支架上設置多個蓄能器，在立柱和千斤頂工作時釋放能量，靜止時儲存能量。新增液控單向閥和電液換向閥組成單向截斷閥組，用于控制支架上新增的蓄能器和泵站上原有的蓄能器，使蓄能器在升柱階段只能釋放流量，不能充液，在升柱之外的任意時間段可以充液和釋放流量。同時減少1 臺乳化液泵，減小主進液管通徑。改進設計參數見表3，其他參數不變。

系統工作原理：新增的多個蓄能器平均分布安裝在不同支架上，近距離驅動支架立柱和千斤頂，減小長距離供液管路的壓力損失，提升支架液壓系統的動態性能。利用蓄能器可穩定系統壓力，提供瞬時大流量的特性，減小壓力波動幅度，加快立柱和千斤頂運行速度，縮短移架時間。利用液壓沖擊壓力峰值進一步提高支架初撐力，使其超過泵站設定壓力。

超壓機理：在升柱過程的立柱上升階段，多個蓄能器提供瞬時大流量，使近似空載運行的立柱快速上升，此時供液管路中流速很大，存儲了很大的流體慣性動能。當立柱觸及頂板時突然停止上升運動，立柱下腔進入加壓階段，由于立柱下腔的綜合體積彈性模量很大，在瞬時大流量作用下立柱下腔壓力急劇升高，瞬時流量急劇下降。當立柱下腔壓力升高到蓄能器壓力時，蓄能器不再供液。因單向閥在升柱期間的截斷作用，蓄能器也無法充液。此時立柱下腔瞬時流量降至200 L/min 以下，泵站單臺乳化液泵額定流量為400 L/min，足以繼續供液，并有富余流量溢流，迅速達到泵站設定壓力。當立柱下腔瞬時流量急劇降為0 時，相當于閥門在極短時間內關閉，必然產生長距離管路液壓沖擊，通過合理匹配泵的額定流量與長距離供液管路通徑來提升管路流速，增大慣性沖擊，即可獲得液壓沖擊壓力；合理設計立柱上液控單向閥的啟閉特性，獲取長距離供液管路的液壓沖擊壓力峰值，使立柱下腔壓力保持峰值壓力狀態，使立柱下腔的初撐壓力超過泵站的設定壓力。

當增設的多個蓄能器具有足夠容積時，超壓大流量液壓系統相當于一個短時間獨立工作的穩壓系統，蓄能器輸出瞬時流量遠大于泵站額定流量，快速完成立柱或其他千斤頂的運行過程。升柱過程中，由于單向截斷閥組不允許蓄能器充液，在立柱觸頂加壓階段，當壓力大于蓄能器壓力時，液壓系統相當于沒有蓄能器的小流量泵站和支架液壓系統，此時流量需求很小，不僅能實現快速增壓，且長距離管路可以產生液壓沖擊壓力，從而提高支架初撐力。升柱過程結束后，蓄能器可充放液，此時液壓系統相當于減小大幅度壓力波動的穩壓動力源。千斤頂動態特性與立柱升柱過程類似。

4.2系統仿真與動態特性分析

改進的綜采支架液壓系統仿真模型如圖11所示，仿真參數按照表3設置，其余參數不變。

液壓支架降柱、拉架和升柱過程仿真曲線如圖12—圖14 所示。為便于對比分析，各過程的起始時間和持續時間均與圖6—圖9 一致。

對比圖12 與圖6 可知，系統改進后降柱過程中立柱位移和速度完全一致，降柱速度為0.08 m/s，升柱過程位移不變， 升柱速度由改進前的0.15m/s 提升至0.17 m/s，速度略有提高，表明改進系統滿足降柱和升柱的性能要求。

對比圖13和圖7可知，系統改進后蓄能器穩壓特性消除了液壓沖擊，使得泵站供液壓力、電液換向閥P 口壓力平滑變化。在拉架和升柱過程的立柱上升階段，電液換向閥P 口壓力呈現2 次下降，表明推移千斤頂和立柱的運行拉低了系統壓力，采用更大容積的蓄能器可減小壓力下降幅度。在升柱過程的觸頂加壓階段，由于單向閥截斷了蓄能器充液，使得立柱下腔壓力等4 條壓力曲線急速上升，在第1 個液壓沖擊壓力峰值即沖上壓力最高點35.2 MPa，超調量達3.7 MPa，此時為8.3 s。表明改進系統提升了立柱初撐壓力，即提升了支架初撐力。

對比圖14和圖9可知，系統改進對降柱過程沒有影響。升柱過程的動態流量初始即達到峰值流量750 L/min，然后持續下降到650 L/min。雙立柱峰值流量合計達1500 L/min。乳化液泵額定流量為400 L/min，表明蓄能器提供了1 100 L/min 瞬時流量，證實了改進系統具有大流量特征。在立柱觸頂加壓階段， 流量急速下降到70 L/min 后迅速反沖到100 L/min，說明發生了管路液壓沖擊，對應第1 個壓力峰值。表明改進方案提升了動態流量，實現了大流量加速立柱上升的設計目標。

綜上，改進系統在只有1 臺400 L/min 乳化液泵的前提下，瞬時流量達到了1 500 L/min，初撐壓力達35.2 MPa，超調量為3.7 MPa，實現了超壓大流量性能指標。

5結論

1） 升柱或千斤頂的近似空載運行是造成綜采支架液壓系統壓力大幅下降波動的主要原因，通常情況下系統壓力下降會導致液壓支架初撐力達不到要求。采用蓄能器能有效減小壓力降幅。

2） 揭示了綜采支架液壓系統液壓沖擊現象的發生機理：電液換向閥突然啟閉和立柱觸頂加壓均會產生液壓沖擊。液壓沖擊加劇綜采支架液壓系統的壓力波動。在合理設計系統參數的前提下，利用液壓沖擊的壓力峰值可提升立柱下腔壓力，產生超壓作用，進而提高初撐力。

3） 改進了綜采支架液壓系統，融合長距離管路液壓沖擊與蓄能器瞬時大流量技術，顯著提升了液壓支架初撐力和移架速度，在升柱觸頂加壓階段，通過精細控制參數，可在泵站流量減半的情況下保持優異的系統動態性能。