液压支架工作阻力的预报分析.pdf

第 3 O卷第 7期 2 0 0 9年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 3 0 No． 7 J u 1 ．2 0 o 9 液压支架工作阻力的预报分析 闵玉婷 。赵亚玲 陕西能源职业技术学院， 陕西 咸阳7 1 2 0 0 0 摘要液压支架工作阻力受各种 因素的干扰 ， 其工作阻力的大小会受到很大的影响 ， 进而影 响液压支架的工作效率。将 贝叶斯方法应用到液压支架工作阻力的动态分析 中， 结合实际测量的 数据建立了液压支架工作阻力的动态模型， 通过建立的贝叶斯动态模型可以预报液压支架工作阻 力的变化趋势， 为合理控制液压支架的工作阻力使液压支架维持正常工作做 了 铺垫。 关键词 工作阻力 ；贝叶斯方法；动态模 型；预报 中图分类号 T D 3 5 5 文献标志码 A文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 7 0 0 6 6 0 4 Pr e d i c t i o n An a l y s i s o f W o r ki ng Re s i s t a n c e o f Hy dr a ul i c Su pp o r t M I N Yut i n g， Z HAO Yal i n g S h a n x i E n e r g y V o c a t i o n a l T e c h n o l o gy I n s t i t u t e ， X i a n y a n g 7 1 2 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o di s t u r b a n c e f a c t o r s o f t h e wo r k i ng r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u p p o ，t h e v a l u e o f w o r k i n g r e s i s t a n c e w i l l b e t r e me n d o u s a f f e c t e d，t h u s i n fl u e n c i n g w o r k e f f i c i e n c y o f h y d r a u l i c s u p p o ．T h e Ba y e t h e o r y wa s a p p l i e d t o t h e d y n a mi c a n a l y s i s o f t h e wo r k i n g r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u p p o ，a n d t h e a c t u a l me a s u r e d d a t a wa s us e d t o e s t a b l i s h t h e Ba y e d y n a mi c mo d e l wh i c h ma y f o r e c a s t t h e c h a n g e t e n d ． e nc y o f t h e wo r k i n g r e s i s t a nc e．wh i c h wi l l s u p p l y t h e b a s e t o k e e p t h e h y d r a u l i c s u pp o n o r ma l wo r k f o r t h e r e a s o n a bl e c o n t r o l t h e wo r k i n g r e s i s t a n c e o f h y d r a u l i c s u pp o f1． Ke y wor d s wo r k i n g r e s i s t a n c e；Ba y e t h e o r y；d y n a mi c mo d e l ；f o r e c ast 表3 活塞 一活塞杆组件有限元分析结果 0-I ／ MP a 2 ／MP a 0 “3 ／MPa ／MP a 前滚筒截煤时 1 8 ． 0 1 4 ． 8 5 2 ． 2 1 1 ． 5 后滚筒不截煤对 1 1 0 ． 0 2 8 ． 4 2 0 ． 2 8 6 ． 0 图5 滚筒截煤时前摇臂调高油缸活塞 一活塞杆组件 Y o n m i s e s 等效应力云图 图6 滚筒不截煤时后摇臂调高油缸活塞 一活塞杆组件 V o n mi s e s 等效应力云图 由有限元分析结果可以看出 ， 该采煤机调高油 缸活塞 一活塞杆组件结构合理 ， 受力 比较均匀 ， 应 力变化 比较平坦 ， 分布规律 。但 最高 V o n mi s e s 应 力仅为 8 6 ． 0 MP a ， 远 小 于材 料 的屈 服极 限 3 4 0 MP a ， 显然原设计存在着严重的过设计现象 ， 有必 要做进一步优化。 4结语 通过以上对调高油缸活塞 一活塞杆 组件的有 限元分析 ， 可以得出如下结论 1 活塞杆 V o n m i s e s 应力变化均匀 ， 应力分布 较规律，在活塞杆铰接端存在应力集 中，应力在此 处达到最大。 、 、 、 、 、 、 、 2 活塞 一活塞杆组件结构设计 和材料的选用 均符合设计要求 ， 但安全性能过 于保守 ， 即使在应 力集中点其上应力分布也远远小于材料屈服极限 ， 造成材料较大浪费 ， 因此 ， 这些 结构 尚有很 大的优 化空 间 。 3 分析过程具有一定 的通用性 ， 对于相似类 型的， 使用类似工况的调高油缸可使用相同的计算 分析方法。根据 以上结论可 以对调高油缸进行适 当的改进设计 由于原设计过于保守 ， 结构安全 系 数过高 ， 因此可 以适 当减小活塞及活塞杆 的直径 ， 这样油缸 的内径和体积也随之减小 ， 从而可 以节约 材料 、 降低成本。如果 由于其他因素 的限制 ， 油缸 尺寸不能再减小 ， 则 可以采用屈服极 限较小 ， 相 对 较廉价的材料 ， 以节约成本。在活塞杆铰接端有应 力集中， 可以在设计或加工工艺方面采取适 当措施 以减少应力集 中。 参考文献 [ 1 ] 韩军 ， 李祥君 ，姜艳华． MG 4 0 0 ／ 9 8 5 一WD电牵引采煤机油缸 的 设计计算[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 3 ， 2 4 1 3 1 3 2 ． [ 2 ] 龚曙光．A N S Y S在应力分 析设 计中的应用 [ J ] ． 化工装备技 术， 2 0 0 2 1 2 93 3 ． [ 3 ] 刘朝辉， 柳翼， 李轶鹤． A N S Y S 在结构稳定性 中的应用[ J ] ． 湖南 工程学院学报 ， 2 0 0 2 6 3 3 3 5 ． [ 4 ] 戴少度． 材料力学[ M ] ． 北京 国防工业出版社， 2 0 0 0 ． 作者简 介王 义亮 1 9 6 9一 ， 山西静乐人 ， 工学博 士， 太原 理工 大学机械工程学院副教授 、 硕士生导师， 主要从事矿山机械 、 机械动力学 、 机械振动及 噪声 、 机械结构有 限元分析及优 化设计 等领域的教学与科研工作 ， 近年来作为主要研究人员参加国家及 省部级科研项目多项， 发表学术论文 l O多篇， 电子信箱 w a n g y i l - i a n g wy l 1 6 3 ． c o m． ’ 一 6 6 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 2 1 V o 1 ． 3 0 N o ． 7 液压支架工作阻力的预报分析 闵玉婷， 等 第 3 0卷第 7期 1 液压支架的工作原理 液压支架是依靠高压液体 、 立柱和相应的动力 千斤顶来实现升架 、 降架 、 推溜和移架 4个基本动 作。如图 1 所示 ， 操纵 阀 7把由泵站经压力胶管 P 输送来的高压液体通过液控单 向阀 8送入立柱 的 下腔， 上腔液体通过操纵 阀流至 回液管 T来实现升 架 ， 降架则相反。在这个过程 中， 根据液压支架 的 支撑承载原理 ， 即顶板与支架间的相互力学作用原 理来分析 ， 将支柱 的工作过程可以分为 4个阶段 即 初撑增阻阶段 、 承载增 阻阶段 、 承载恒 阻阶段和降 柱移架 阶段 ， 在这 4个 阶段 的承载增阻阶段末了 ， 支架和立柱呈现出的支撑力即为液压支架的工作 阻力， 每根立柱的工作阻力 1 ． 竹 D P 1 一 式中D 每根立柱的缸体内径； P 安全阀的调定压力。 支架的工作阻力 F n Ln 2 式中n 每架支架的立柱数； 支架效率， 与架型有关 。 P T 图 1 液压支架工作原理图 1 ． 立柱2 ． 顶梁3 ． 掩护梁4 ． 连杆5 ． 底座6 ． 推移装置 7 ． 操纵阀8 ． 液控单向阀9 ． 安全阀1 0 ． 工作面输送机 2液压支架工作阻力的贝叶斯模型 液压支架为一支撑设备， 在运行过程 中要求能 够实现稳定的支撑 ， 即要求支撑力能够在有效 的范 围内工作。但是 由于矿山的地质条件如煤 层厚度 变化与支架伸缩范围的关系； 煤层倾角变化与支架 稳定性 的关系； 开采范围内断层 ， 褶皱等地质构造 ； 煤层及围岩的含水性； 煤层及顶 、 底板的稳定与破 碎情况， 煤层瓦斯含量及有无瓦斯突出的危险等的 影响， 在液压支架工作 中， 工作 阻力将受到这些环 境因素的影响， 随着时间的持续将使液压支架处于 不安全的环境下工作， 这将严重影响安全生产 。如 果在事故或故障前就能够估计出在环境等因素的 影响下 以后的工作阻力的变化值 ， 就能够根据估计 的数据得出误差 ， 在误差不允许的情况下 ， 就能够 根据实际要求调整和控制液压支架 ， 使其处于误差 允许的范围内工作。故需要对液压支架工作 阻力 进行动态预报。在液压支架监控系统 中可以测得 一 些实际的工作阻力数据， 通过这些少量 的实际数 据 ， 选用贝叶斯方法对系统进行动态建模分析 ， 就 能够预测工作 阻力 的变化趋势。贝叶斯理论 能够 充分应用这些少量数据建立较为准确的动态模型 ， 且能够准确地预报数据的发展趋势。 贝叶斯预测是建立在利用先验分 布求 出后验 分布的基础上的， 即先验信息 样本信息 后验信 息。而贝叶斯预测 的一个基本方法是建立 动态模 型， 将研究对象 或系统 的过程通过状态方程和观 测方程来描述 。而状态方程是反映系统随时间的 变化情况 ， 表示 系统 内部的动态变化和 随机扰动 ； 观测方程反映测量数据如何依赖于系统状 态的情 况。其贝叶斯线性动态模型的形式如下 观测方程Y F 0 ， 一 N[ o ， ] ； 状态方程 G 0 ∞ ， ～ U[ 0， ] ； 初始信息 I D 。 ～ Ⅳ[ m。 ， C 。 ] 式中y ￡ 时刻的测量数据 ； 一 系统在 t 时刻状态的 维未知参数 ； 已知回归矩阵 ， 描述测量数据与系统 状态参数间的关系； G 状态转移函数 ； 、 观测误差和状态参数的随机变量噪 声， 分别为r 维和n 维的正态零均值误 差项 ， 方差分别是 和 ， 它们各 自 独立 ； D 。 t 0时初始信息的集合， 其表示为在 初始状态下未知参数的初值， 即 为 服从均值 为 m。方差为 C 。的正态分 布。 0。 I D 0 一 Ⅳ[ m 。 ， C 。 ] 为 0 的先验分布 ； 方程中的 F 、 G 虽与 无关， 但仍随时间而变化 ， 不 同时刻有不同的值。当式中 F 、G 、 wl 、 是常数 矩阵时称为常量模型。 根据液压支架上立柱内工作液体压力 的测量 数据 ， 通过式 1 和式 2 可以得到工作阻力的值， 通过在某矿井中实际测量 Z Y系列液压支架工作阻 一 6 7 第 3 O卷第 7期 液压支架工作阻力的预报分析闵玉婷 ， 等 V o 1 ． 3 0 N o ． 7 力大小的3 0组平均数据如表 1中的观测值 Y ， 拟合 这些数据得 到如 图 2所示 的实测数据拟合 曲线变 化趋势图。 l 2 l | 罚试序列， 个 图 2 贝叶斯 k步预测结果 1 ． 实测数据2 ． 预测数据 从图 2中可 以得 出液压支架在承载增 阻阶段 是一个常均值 的动态系统。因为在增 阻过程 中， 工 作阻力的序列水平或均值是基本保持不变的或变 化缓慢。对于这样的动态序列， 就可 以采用 常均值 贝叶斯动态模型来描述 ， 即在线性动态模型中的回 归矩阵F 和状态转移函数 G 都为常数 1 ， 故液压 支架工作阻力的贝叶斯模型为常均值模型 D L M{ 1 ， 1 ， ， Wt } 。其常均值模型的递推公式为 t 一1 时刻 的后验分布 一 。 I D 一 N[ m ， C ] t 时刻的先验分布 I D 一N[ m ， R ] 一 步预测分布 Y l D ～ NE f , ， Q 。 ] t 时刻的后验分布 l D ～N[ m ， C ] 其中 R C 一 1 ； m 一 l ； Q R ； m m 一 l A e ； C A ； A R ／ Q ； e Y 一 。 常均值模型 k 步预测公式为 根据已知某时刻 t 的状态参数 和 t 时刻前 面的有效信息 D 集合来 估测 t k ≥1 时刻的状态分布 0 t k 和 k步超前预 测分布 Y Ⅲ 。 J D 一N[ m ， R k ] ； Y ⋯ I D ～ N[ m ， Q k ]； k 其 中R k C ∑ ； k Q k C ∑wl 。 3 液压支架工作阻力的预报分析 根据液压支架工作阻力 的动态常均值模型 ， 进 行模型的一步预测分布分析 ， 分析流程如图 3 。 | ． 1 时期的后验分布 。 I t 时刻的先验分布 ， I 。 t 时刻 的一步预测分布 p l ． 求t 时捌的后验分布 1 观测值 图 3贝叶斯一步预测流程 图 根据实际测量 的 3 0组平均数据在 Ma t l a b上进 行程序的调试 ， 利用一步预测算法分析可 以预报第 3 1个工作阻力的数值 。一步预测分布计算过程如 表 1所示。一 步预测分 布计算过程是 根据实际测 量的 3 O组数据即表中的观测值 Y ， 通过常均值模型 及其递推算法分析递推出后验信息的均值 m 和方 差 c ， 预测分布均值 在测量序列 t 3 1时的预测 数值和每一测量序列的方差 ， 以及在算法分析中的 修改系数 A ， 可以看出经过不断地修正 A 逐渐趋向 0 ． 2， 这表明了随着时间的变化 ， 主观先验信息迅速 减少 ， 而得到的是符合实际的后验信息。同时可以 得到每次预测过程 中预测值与观测值 之间的误差 e ， 此误差反应了所建模型预测结果与真值之间的 精确度。 根据常均值 k步或多步超前预测理论在 Ma t l a b 上调试程序 ， 其预测结果如图 2所示。在图中使用 前 3 O组实测平均数据来实现系统盼动态模 型的建 立 ， 从而预报出后 3 0组预测数据 ， 还可以将 k值在 程序中取其他值 ， 这样就可以递推出更多的预测数 据， 实现液压支架工作阻力变化的预报， 且为更好 地控制液压支架实现安全生产提供 了数据依据。 4结语 液压支架是煤矿长壁开采工作 面的主要设备 ， 它的稳定性 、 适应性 和可靠性是决定工作面能否安 全高效生产的关键 因素。 本文通过使用贝叶斯方 一 68 4 4 4 3 3 3 蚤 _／ 骧赣嚣器碡璐馘 第 3 0卷第7期 2 0 0 9年 7月 煤矿机械 Co a l Mi n e Ma c h i n e r y Vo 1 ． 3 0 No ． 7 J u 1 ．2 0 0 9 液压支架的力学分析 李厚常 西安科技大学 能源学院， 西安 7 1 0 0 5 4 摘要 介绍液压支架在我 国综合机械化采煤 中的应用， 以及两柱掩护式液压支架顶梁、 掩护 梁与底座的设计结构， 并对各结构件进行 了受力分析 ， 分析结果对液压支架的设计和性能评估具有 参考价值。 关键词 液压 支架；力学分析 ；工作压力；受力模型 中图分类号 T G 3 5 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 3 0 7 9 4 2 0 0 9 0 7 0 0 6 9 0 3 F o r c e An a l y s i s o f Hy d r a u l i c S u p p o r t L I Ho uc h l u l g E n e r g y C o l l e g e ， X i ’ a n S c i e n c e＆T e c h n o l o gy U n i v e r s i t y ， X i ’ an 7 1 0 0 5 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e a p p l i c a t i o n o f h y d r a u l i c s u p p o rt i n c o mp r e h e n s i v e me c h a n i z e d c o a l mi n i n g i n C h i n a a n d d e s i g n s t r u c t u r e o f t o pb e a m ，s h i e l db e a m a n d b a s e f r a me o f t wop r o p s hi e l d h y d r a u l i c s u p p o r t wa s i n t r o d u c e d ． As we l l a s a n a l y s e d t h e f o r c e o f s t r u c t u r a l c o mp o n e n t ．T he a n aly s i s r e s u l t h as r e f e r e n c e v alu e f o r h y d r a u l i c s u pp o s i n d e s i gn a n d p e r f o r ma n c e a s s e s s me n t ． Ke y wo r d s hy d r a u l i c s u p p o r t ；f o r c e a n aly s i s ；wo r k i n g pr e s s u r e；f o r c e mo d e l 、 、 、 、 ， 法对液压支架工作阻力的变化进行分析 ， 建立 了液 压支架工作阻力的预报模型。该模型能够实现多 步预测， 预测液压支架工作阻力 的变化情况， 据此 便可以根据系统所允许的误差来分析工作阻力的 变化是否符合要求。如果不符合设备所允许的误 使 阻 力使液压支架维持正常工作做下了铺垫， 从而 使安 全生产得到保证。 表 1 一步预测分布计算过程 参考文献 [ 1 ] 李飞谷． 煤矿液压支架故障分析及应用[ J ] ． 科技信息， 2 0 0 8 1 O 3 0 4 ． [ 2 ] 邵林波． 如何确定液压支架的工作阻力[ J ] ． 昆明冶金高等专科 学校学报 ， 2 0 0 2 9 l 4一l 5 ． [ 3 ] 张璐璐， 陈晓怀， 程真英． 加工装置的精度动态损失贝叶斯建模 预报[ J ] ． 黑龙江科技学院学报 。 2 0 0 6 2 1 0 21 0 6 ． [ 4 ] 刘慧颖． M A T L A B R 2 0 0 6 a基础 教程 [ K】 ． 北 京 清 华大 学 出版 社 ， 2 0 o 7 ． 作者简介 闵玉婷 1 9 7 4一 ， 女 ， 陕西渭 南人 ， 1 9 9 7年毕业 于阜新矿业学院机械系 ， 现任陕西能源 职业 技术学院讲师 ， 从 事 机电教学工作． 一 6 9 一 收稿 日期 2 0 0 9 0 1 0 l