基于三化综合设计的液压支架研究.pdf

8 煤 炭 科 技 C0AL S CI ENCE TECHNOLOGY MAGAZI NE 2 0 1 0年第 3期 No ．3 2 01 0 文章编号 1 0 0 8 3 7 3 1 2 0 1 0 0 3 0 0 0 8 0 3 基于三化综合设计的液压支架研究 宋东生， 王悦勇， 魏栋梁， 薛仁龙 三一重型装备有限公司 支护研究院，辽宁 沈阳1 1 0 0 2 7 摘要引入先进 的“ 三化” 综合设计方 法 动态化 、 智 能化、 可视化 ， 对液压 支架进 行“ 三 化” 综合设计 ， 对其动态特性进行分析 ， 工作过程进行智 能化控制 ， 最后建立其可视化模 型， 对其整体工作性能进行分析。结果表 明， 采用“ 三化” 综合设计法可简化液压 支架的开发设 计过程 ， 提高总体设计水平 。 关键词 “ 三化” 综合设计法； 液压支架； 动态化设计 ； 智能化设计 ； 可视化设计 中图分类 号 T D 3 5 文献标 志码 A 产品设计的理论与方法很多， 这些对生产过程起 重要作用的或加快设计进度的各种设计方法， 对提高 产品及零部件质量或技术性能为目标的各种单一设 计法的研究， 均有其广阔的发展空间。但在产品设计 中全面采用所有这些设计方法是不现实的。 采用一种 基 于“ 动态优化设 计 、 智能 化设 计和 可视 化设计 ” 的三 化综合设计法 ] ， 可以在较大程度上使产品获得良好 的总体质量 ， 进而满足用户对产品的各种要求。 1 “ 三化” 综合设计理论和方法的内容 “ 三化” 综合设计法 ， 即综合动态优化设计 、 智能 控制系统设计和可视化设计三法为一体的设计法 ， 可 在较大范围内考虑对产品广义综合质量或总体质量 的基本要求。 1 ． 1 动态化设计 现代机械动态优化设计所涵盖的内容正在向广 素的分布与含量有关。 4 2 、 4煤密度均表现为宽的高异常，曲线形态 呈微弱的锯齿状，说明两煤层的煤岩成分无明显差 异 ， 从顶至底密度较均一， 4煤中上部密度更均一 ， 下 部近底板处密度有一较明显的渐变形态， 这与 4 煤近 底板处硬度较大、 密度较高相吻合。 通过上述对 比与分析 ， 可确定 3～3 、 3 4孔控制 的厚煤层为 4 、 2煤， 由于地壳下降速度低于第三系地 层沉积速度而被剥蚀。 1 ． 3 剥蚀位置的确定 2 、 4煤剥蚀位置主要由第三系地层与下伏煤系 地层 不整合 角度确定 。三维地 震资料 显示 一 8 5 0 I n的 水平三采区 2 、 4 煤剥蚀边界呈一 N E方向“ s ” 形态。 3 4 孔第三系底界面与 4煤间距 2 1 ． 0 m， 近似等 于 2 、 4煤两层间距 2 1 ． 5 m， 33孔第三系底界面与 4煤 间距 1 5 ． 8 m， 32孔 处则 为 1 8 ． 7 lq q ， 45孔为 4 2 ． 5 n q ， 而与 2 煤 间距为 2 6 ． 3 IT I 。 2 8 0 o 方位 45 、 3 3 孑 L 连线方 向 煤岩层倾角 3 。 ， 根据上述间距推算 的 第三系地层倾角为 2 1 ． 5 。 。则通过计算 ， 在 1 0 0 。 方 向 上 33孔东 7 4 1 T I 处为 2煤剥蚀边界位置 ， 33钻 孔西 3 2 0 m处为 4煤剥蚀边界位置 ； 在 1 3 2 。 方向上 4 5 、 3～ 4孔连线 34孔东 1 2 1 1 1 处为 2 煤剥蚀边界 位置 ， 34孔西 2 8 0 I T I 处为 4煤剥蚀边界位置 ； 在 6 3 。 方向上 45 、 3 2孔连线 32钻孔东 4 0 m处 为 2煤剥蚀边界位置 ， 32孔西 1 8 0 m处为 4煤剥 蚀边界位 置 。 2 结论 经上述计算圈定的 2 、 4煤剥蚀边界与三维地震 勘探资料相比有较大区别， 2 煤剥蚀边界位置 比三维 地震勘探资料向东偏移 了2 0～6 0m，而 4煤则 向西 偏移了 2 3～7 5 13 1 。 作者简介 于绪峰 1 9 6 9 一 ， 男 ， 山东新泰人 ， 1 9 8 9年毕 业于山东科技大 学煤 田地质专业， 新汶矿 业集团 内蒙古 鲁 新 能源开发公司工程 师。 收 稿 日期 2 0 1 0 0 2 0 7 2 0 1 0年第 3 期 宋东生等 基于三化综合设计的 液压支架研究 9 度和深度扩展。 要很好地完成这项任务有相 当大的难 度 ， 它是 现代 机 械产 品研 究 、 开发 和设 计 工作 的一项 核心内容。具体说 ， 其 目的为 在完成初步设计后 ， 对所设计的机械结构进行建 模 ， 研究 、 分析其动态特性 ， 并在可能的情况下进行试 验分析 ， 检验其动态特性 ， 进而对机械设备的图样进 行审核 、 修改或重新设计。 通过以动态优化设计为核心的三化综合设计 ， 可 使产品获得 良好的结构性能 安全、 可靠 、 耐用等 ， 即 在设计中全面考虑机械设备工作的可靠性 、 安全性及 工作寿命等。 1 ． 2智 能化设计 为了满足现代机械高速化 、 高效化、 自动化 、 大规 模 、 连续性生产的要求并使其在运转过程中具有高可 靠性 、 高安全性和高经济性 ， 应对设备的工况进行智 能监 测 。 智能化包括两个方面 。首先是设计过程 的智能 化 ， 即将最优化 、 专家系统等先进理论应用于设计过 程 ； 其次是将先进的计算机技术 、 控制技术等应用到 设计产品中， 使机械产品成为机 电一体化产品 ， 且具 有 智能化 特性 。 1 ． 3可视 化设计 可通过虚拟实用性较强的虚拟设计平台来实现 。 该技术除了可在虚拟的环境下对产 品的可制造性 、 可 装配性等进行检验和评价 ， 还可对设备工作过程的功 能进行 检验 和评价 。 在设计过程中采用各种先进的可视化 C A D技术 和三维造型技术 ] ， 将机械设备的结构及外形特征形 象地表现出来。在设计 阶段通过对虚拟样机的分析 、 评价和修改 ， 保证机械产品具有优 良的性能 ， 从 而可 取消或缩短样机的实物制造 、检测和修改定型的过 程， 缩短产品开发周期 。 2 液压支架的“ 三化” 综合设计 在液压支架的设计过程中， 综合使用各种方法， 采 用 C A D技术， 对整个液压支架进行分析。 凭借 P r o ／ E 、 Ma t l a b和 A N S Y S Wo r k b e n c h的功能， 完成参数化并行 建模过程， 最后在 P r o ／ E中集成液压支架虚拟仿真环 境 。本文 以Z Y1 0 0 0 0／ 2 7／ 5 6 D型掩护式支架为例进 行论 述 。 2 ． 1 动 态化设计 液压支架在工作过程 中， 必须具备升 、 降 、 推 、 移 4个基本动作 ， 这些动作是利用泵站供给的高压乳 化液通过工作性质不同的几个液压缸完成的。 在 立柱控制 回路 中 ， 安全 阀 的作 用是 防止立柱 过 载 ， 保证 支架具 有可缩 性和 恒阻性 。如采煤 工作相 隔 较短时间重复一次 ，且支架在较低初撑力状态下工 作 ， 则安全阀通常不开启。这时立柱在被动支撑阶段 的弹性伸缩状态下工作 ， 体现了支架的可缩性 ， 其动 态数学模型由式 1 表示 p h Vl s Pi ll S A P m 8 V ls 争 址 一 y 一 鲁 擎 式中 ， s 为升柱标志 ； 为立柱活柱等效动量 ， N s ； 为顶板对顶梁 的作用力 ， N； 为第 i 段进液管对 应支路进入立柱换 向阀液体的压力 ， P a ； 为从对应 第 i 段回液管的立柱换向阀流 出液体 的压力 ， P a ； ， m 为立柱活柱的等效惯性元 ； Y为立柱活塞的位移 ， m m； 为支架顶梁 的等效重力 ， I n／ s ； A。 为立 柱活 塞腔面积， m m。 ； A 为立柱活塞杆腔面积， m m ； 。 、 R 2 、 3 、 R 4 为换向阀四通道的液阻， P a s ／ 1T I ； C 1 、 C 2 、 V l 、 I ， 为活塞腔和活塞杆的液容和液体体积 ， m l 。 当采 面无 生产过程 时 ，顶板 的下沉 速度很慢 0 ． 0 0 5～0 ． 0 5 1 1 1 11 1 ／ m i n 。 故处于被动支撑阶段的立 柱活塞腔压力增长很慢 ， 需长时间才能使立柱处于恒 阻阶段， 而后安全阀经长时间间隔偶尔开启。但在割 煤放顶或来压时 ，顶板下沉速度较快 6 0～8 0 m m／ m i n ， 立柱增阻较快 ， 安全阀可能出现较频繁的开启， 体现了支架的恒阻性。由此可见 ， 支架的恒阻性主要 取决于顶板下沉速度和安全阀的特性。 在液压支架上使用 的安全阀一般为直动式单极 安全阀， 其动作过程 主要取决于液压力与弹簧力 或 压缩气体力 的平衡原理。立柱活塞腔内的压力液体 直接作用在阀芯上 ， 阀芯与密封副的接触力随着立柱 内压力 的升高而增大。当阀芯移动一定的位移后 ， 安 全阀开启溢流 ，直到立柱压力降到安全阀的关 闭压 力。安全阀和立柱的结构如图 1 所示。 根据结构简图绘制 出立柱恒阻阶段的功率键合 图 见 图 2 。 1 0 煤炭科技 2 0 1 0年第 3期 s j 月 f 图 1 直动式安全 阀与立柱 结构 c c ” c 上ao g ／ I I ， 卜 专 A 风 专 ． 圈 ． 与其相应的状态方程 2 为 D T ， ] V ih y a ， 等一 靠{ 一 一 } 2 争 J 式 中， m 为 安全 阀阀芯质 量 ， k g ； x 为阀芯位移 ， IT l m； 为安全阀弹簧柔度 ； 为阀芯黏性阻尼系数 ； 尼 为立柱 黏性阻尼系数 ； 为 安全 阀阀芯 面积 ， m m 2 ； S a 为阀芯 自重 ， ， 为阀芯惯性元 ； 为阀芯动 量 ， N s ； A为安全阀的标志 ； y为顶板 的下沉速度 ， m／ S 。 安全阀阀芯腔的液容与立柱活塞腔的液容 C 合 并 。 2 ． 2 智能化设计 该液压支架电液控制系统 ] 是综合运用了电子 、 计算机、 通信 、 液压和 自动控制等技术的机电一体化 自动控制系统， 具有安全 、 高效 、 实用的优点， 是煤矿 生产 自动化发展 的趋 势和方向。 通过对液压支架液压系统的设计， 使系统在各施 工方式下能 自由切换，液压系统运行顺畅 ，安全 、 快 速、 可靠 、 准确地完成支架 的动作， 起到及时、 有效的 支护作用， 可实现系统的工作稳定性和工效实用性。 通过智能监控系统 ，实现工作过程智能控制 ， 能 自动完成任 务 ， 并 根据 工作状 况调节 工作参 数 ， 具有 防止误操作 、 自我保护的功能 ， 使产品具有一定的智 能化工作性能， 提高工作效率。 2 ． 3可视化设计 在液压支架的设计过程中， 采用虚拟技术 ， 对整 个支架系统进行分析。凭借 P r o ／ E的功能 ， 完成参数 化并行建模过程 ， 预装配成液压支架运动部件 ， 进行 干涉检查， 简化模型 ， 去掉对运动无影响的零件， 在各 部件中增加必要的约束或连接 ，最后在 P r o ／ E中集 成液压支架虚拟仿真环境。 根据液压支架动态特性的分析结果 ， 采用可视化 三维参数化特征设计软件_ 5 ] 。在三维可视化环境中， 设计 者可 以很直 观地对产 品的设 计合理性 ， 零件 的可 加工性 ， 产品的可装配性进行综合检验和评价， 及时 发现产品设计和工艺过程可能出现的错误和缺陷， 进 行产品性能和工艺的优化。 最后将液压支架工作系统 在虚拟可视化环境中进行工作过程虚拟仿真 ， 进行综 合检验和评价。 3 结论 1 运 用 “ 三化 ” 综合设 计方法 ， 采用 电液控 制系 统使 Z Y 1 0 0 0 0， 2 7， 5 6 D掩护式液压支架的移架速度 加快， 提高了液压支架的工作效率， 减轻了工人劳动 强度， 改善了作业环境， 便于实现支架的工况监测和 工作面的自动控制。 2 用虚拟样机进行产品三维实体运动仿真和 动力学计算 ， 用数字化形式代替传统样机实验 ， 并用 三维设计软件生成的数控代码直接加工部件， 使产品 研制的时间和费用大为降低。 参考文献 [ 1 ] 闻邦椿， 张国忠， 柳洪义． 面向产品广义质量的综合设计理论与 方法[ M] ． 北京 科学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ] Ha r d e e E d w i n ， K u a n g - H u a C h a n g ， J i a n T u ， e t a 1 ． A C A D b ase d d e s i g n p a r a m e t e r i z a t i o n f o r s h a p e o p t i m i z a t i o n o f e l a s t i c s o l i d s [ J ] ． Ad v a n c e s i nE n g i n e e r i n gS o f t w a r e ， 1 9 9 9 ， 3 0 3 1 8 51 9 9 ． [ 3 ] 鲁忠良， 景围勋， 液压支架设计使用安全辨析[ M] ． 北京 煤炭 工业出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 4 ] 马鑫， 张东来． 液压支架电液控制系统的设计[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 7 ， 2 8 2 1 3 ． [ 5 ] 谭同德． 液压支架计算机辅助三维概 念设 计系统 [ J ] ． 中国煤 炭 ， 2 0 0 7 ， 3 3 5 3 43 7 ． 作者简介 宋东生 1 9 7 ， 男 ， 辽宁凌源人 ， 2 0 0 4年毕 业于沈阳航空工业学院机械设计专业， 三一重型装备有限公 司支护研究院助理工程师。 收稿 日期 2 01 0 0 2 1 8