煤矿液压支架参数化设计系统研究报告摘要液压支架是煤矿开采领域的重要设备,它的安全可靠性能将直接影响综采过程。
由于液压支架的设计涉及到机械、液压、控制等多学科领域,为了全面提升设计产品的综合性能,本文采用联合仿真方法对液压支架的整体动态特性进行研究。
首先建立液压支架运动学模型。
采用Pro/E软件建立某型液压支架的主要结构件模型,并完成整机装配;然后将该样机模型导入动力学仿真分析软件ADAMS中,添加约束和驱动,实现液压支架机械系统的运动学和动力学仿真。
仿真结果验证了该样机运动学模型建立的正确性,为液压支架的机械液压联合仿真做准备。
其次,采用多学科领域建模仿真软件AMESim建立立柱液压回路的模型,对回路中的关键元件立柱、液控单向阀、安全阀重点建模和参数设置,运行仿真,获得立柱液压回路的动态特性。
通过改变关键元件的参数设置,对立柱回路的动态特性结果进行定性和定量的对比分析。
仿真结果接近立柱回路实际工作过程,表明该立柱液压回路模型的正确性。
在液压支架动力学模型和立柱液压回路模型正确建立基础上,选择AMESim软件为主控软件,设置ADAMS和AMESim的接口模块ADAMS/Control,建立液压支架的机械液压联合模型,进行联合仿真。
主要分析联合仿真下的机械系统动力学结果和液压回路动态特性,将联合仿真结果与单一平台仿真结果进行对比。
采用液压支架联合仿真方法可以较全面的反映整个系统的工作特性,为液压支架物理样机性能的预测和新架型幵发提供一种可行方法。
关键字：液压支架；参数化设计；运动仿真分析1.1课题背景和意义随着我国经济的快速增长,中国对能源的需求也急剧增长。
能源的持续供应,为经济社会发展提供有力的保障;同时,日益增长的能源消费为能源市场带来广阔的发展空间【1-3】。
在我国的所有能源中,煤炭是我国第一大能源,应用于社会生活和工业生产的多个领域。
随着国内煤炭消耗的加剧,如何高产高效的获取煤炭资源成为当前关键问题,也对煤炭开采技术提出更高的要求。
在我国倡导的“资源节约型、环境友好型”、煤矿安全坚持“以人为本”的原则下,当前我国煤炭工业提出“高产高效、安全、洁净、结构优化”的发展方向。
基于此,需要投入更多先进的高产高效综采技术和现代化的生产装备。
在煤矿开采领域广泛使用的液压支架,作为煤矿高产高效和安全生产的重要支护设备,该设备的安全可靠生产至关重要,同时,该类设备在煤矿开采设备总投资成本中占据较大比重【2】。
液压支架主要用于可靠支撑顶板,隔离采空区,防止破碎的岩石影响开采工作;当完成此处煤层的开采后,支架可以继续向工作面方向移动由于开釆工况的复杂多变和用户对液压支架更高技术的需求,如要求液压支架具有更大的支护高度范围、更大的支撑力等。
因此,在进行液压支架设计时,需要首先考虑支架工作煤层的地质条件,既要保证支架机械结构的合理准确设计,更要保证支架液压系统性能的完善和可靠。
为了较全面系统的研究液压支架的整体动态特性,本文通过采用仿真软件建立整个系统的物理样机模型,实现对液压支架机械结构和液压系统的联合仿真,为掌握液压支架整个系统的工作特性提供指导,为产品研发提供新方法【3】。
1.2国内外液压支架的研究现状液压支架技术的发展为煤炭开采带来了巨大的进步,支架技术水平体现了现代综合开采技术的先进程度。
国内外许多国家也十分重视液压支架技术的研究,液压支架在研发过程中经历了几个发展阶段。
(1)国外很多国家对液压支架的研究和探索起步比较早。
在上世纪中期,英国开发出一款躲式液压支架,在当时采煤设备领域引起了不小的反响;前苏联是一个工业基础雄厚的国家,开发的一款掩护式液压支架,原理比较简单,采用成熟的四杆机构,工作稳定;随着支架研究技术的不断进步,支架新产品设计和开发中采用高新技术,使产品性能在向自动化发展上有很大的提高。
美国、澳大利亚开发的液压支架大多采用了电液控制技术,通过程序设计实现支架的各种动作以及可靠的工作性能【4】。
美国在采煤技术中处于世界先进行列,最早在开采系统中使用乳化液泵站,使支架在需要动作时能够快速移动,使用寿命通常在7年以上,可靠性也较高。
澳大利亚当时使用的液压支架,支撑力可以达到7500KN以上,在幵采过程中起到了很好的支护作用。
英国也进行了掩护式液压支架的研发,满足大工作阻力的要求【5】。
(2)我国对液压支架和其它煤矿开采设备的研究晚于其他国家,需要首先学习国外该行业的先进技术,应用于我国的自主设计和研发。
20世纪末,从国外引进多种经典架型的液压支架,很多煤炭机械企业开展液压支架技术的初步研究,包括设备的结构、工作原理、材料选择和制造工艺等方面的研究。
1984年我国颁布了《中华人民共和国煤炭行业标准MT86-84液压支架型式试验规范》,还开发了多款掩护式液压支架,表明我国液压支架体系的初步形成【1-5】。
随着我国对产品技术的深入掌握,结合我国煤矿煤层的特点,设计和开发了多种架型的液压支架,基本实现了液压支架产品的国产化。
但是,在产品的可靠性方面和设备的电液控制技术研究方面,我国的技术水平与国外还有很大差距,还需要对液压支架的关键技术进行深入研究。
自2004年起,国家开始支持液压支架这种高端设备的研制,大力提倡企业与高校、科研机构相结合,进行合作,共同攻克核心关键技术。
国家科技部设立了多项研究课题,提供大量的科研经费,鼓励技术人员努力钻研新技术,打破国外技术垄断。
很多科研机构积极响应国家的号召,对支架的设计、支架的液压系统及关键元件的设计与制造方面开展了很多研究。
在认真消化吸收国内外先进的液压支架技术基础上,结合我国煤炭开采的现实状况,成功研制出一些高端液压支架、电液控制系统的液压支架,但是我国对液压支架技术研究的整体水平并不高【1-7】为了改善和提高液压支架的技术水平,除了对液压支架的理论研究外,更需要解决采煤工作面机械化生产中存在的一些问题:①支护全过程持续时间长,导致生产效率低;②支撑力不够稳定,增加了液压支架工作的不安全因【4】。
③支架液压系统的动态特性研究方法较少,对整个液压回路和回路中的各关键元件的分析不够深入。
为了保证支护过程中的安全,结合液压支架在实际工作中的特性和出现的待解决问题,必须进行液压支架整体工作特性研究。
1.3液压支架液压系统动态特性研究现状液压支架是一个机电液一体化设备。
支架液压系统中通常采用乳化液栗站作为整个系统的动力源,粟站通过主供液管道向下一级液压回路提供动力,液压系统中的液压控制回路很多,如立柱升降回路、推溜回路等,执行机构为各种液压紅。
由于支架的机械、液压控制回路是相互关联的,因此,支架液压系统的动态特性影响着整个支架系统的运动特性。
为了保证液压支架升降和移架过程的稳定可靠,需要合理设计各个液压控制回路和重点研究液压回路的动态特性。
目前,我国对液压支架液压系统动态特性的研究不是很成熟。
文献中对液压系统单个元件进行静态和动态特性分析,对一些重要的阀类元件采用数值计算和模拟分析的方法研究【3】。
在研究液压支架移架速度的文献中,作者采用静态计算的方法得到支架移架速度,但该方法只能得到移架动作完成所需的时间。
北京煤炭科研院王国法研究员、韩伟等在文献中研究了大流量阀的动态特性,定量分析液压支架的移架速度【6】。
曾庆良等首先建立立柱液压回路的数学模型,采用仿真软件得出安全阀工作中的动态特性曲线和数值结果【7】。
李继周等采用理论分析与实验结合的方法研究液控单向阀的工作特性。
王永强采用功率键合图法建立支架各个工作阶段的数学模型,选择相应的求解算法,计算得出支架中关键元件如新型换向阀、液控单向阀、安全阀的动态特性【8】。
明平美研究了液压支架初撑阶段供液系统特性,采用瞬态流理论和特征线数值计算方法,分析了影响初撑阶段动态特性的因素和引起初撑力不足的原因【9】。
国外文献对支架液压系统动态特性的研究,首先考虑到周围岩石的作用和液压回路中各元件密封可靠【9】。
液压系统的研究首先需要确定液压支架的动载荷,设定液压支架的动载荷系数,然后调整各个元件的参数设置,对仿真结果对比分析。
主要分析了支架在升柱初期的压力变化原因;提出了液压系统的压力流量变化曲线。
液压系统动态特性分析时,采用试验方法获得单个元件的压力、速度、流量变化曲线,并与采用公式法估算的瞬态、稳态液动力结果进行1.4液压支架的简介煤炭综采设备由如图1.1 所示的液压支架、采煤机和刮板运输机三部分构成。
液压支架作为“三机配套”的核心设备之一，是实现综采自动化、机械化的有效途径，是实现安全可靠生产的有力保障，是实现综采工作面高产高效前提条件【11-13】。
它不仅起到了综采工作面的固定支撑作用，还有效的隔离了开采区和空采区，避免粉尘、矸石落入已开采区推进机构导致综采设备无法正常作业的情况。
它与采煤机的配套使用，不仅实现了煤炭综采自动化，还解决了顶板管理落后于采煤工作的矛盾，改善了采煤作业的环境，提高了运输设备的效能，提高了开采效率，降低了矿工的劳动强度，保障了矿工的作业安全。
图1.1 煤炭综采设备配套图以高压乳化液为动力的液压支架是由顶梁、液压支柱、掩护梁、前后连杆、底座以及若干液压元件组成的【14】。
它实现了采场顶板的支护，安全作业空间的维护，工作面采运设备的推移，支撑——切顶——移架——推移输送机等一整套工序的有效工作循环【15】。
由于我国地质条件复杂、煤层工况条件多样，液压支架产品的系列多、专用性强【16】，小批量的模式成为当代液压支架主要生产形式。
液压支架的生产成本，时耗和技术难点等主要在于设计仿真和优化。
在计算机技术蓬勃发展的时代契机下，采用CAD/CAE 等先进的设计仿真手段，对液压支架进行的设计研发、分析优化，是提高液压支架设计质量、效率和安全系数的最为有效的途径之一。
煤炭工业初期，由于科学技术落后、生产技术水平低等原因，煤炭采掘的工作面支护设备主要以人工木支架和金属支架为主；上世纪中叶，英制的垛式支架和法制的节式支架的相继登台，吹响了煤炭采掘工作面支护设备技术革命的号角；上世纪60 年代，前苏联研制的以平面四连杆机构作为子结构的OMKT 型掩护式支架，从技术上根本的解决了液压支架梁端摆幅ε变动范围大，水平方向负载能力差的问题，开创了液压支架架型技术的新纪元；到了上世纪70 年代，以“即时支护”方式为代表的液压支架成为架型主流，液压支架技术得到稳步发展；上世纪80 年代以来，世界上的煤炭采掘大国围绕“降时提产、减员提效”的主题，为实现矿井集中生产而积极努力地研究新的开采技术。
这些新技术，在高性能、高采率、高安全性、高稳定性的新一代重型液压支架的研制得到了广泛的应用，大幅度的提高了液压自动化程度和动静力性能。
如美国、澳大利亚等国的大部分长壁工作面都采用了电液控制技术，从而以多种方式实现了液压支架的运动学特性和动力学特性的程序控制和监测【17】。