掩护式支架平衡千斤顶液压回路分析.pdf

第 5 期 总 第 1 6 2 期 2 0 1 0年 1 O月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON No．5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 5 0 0 1 0 0 4 掩护式支架平衡千斤顶液压 回路分析 马利平 ，廉 自生 太原理工大学 机械工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 分析 了 目前掩 护式支架普遍存在平衡 千斤 顶安全 阀频繁卸液 以及 由于平衡千斤顶两腔供液不足而导致 的支 架支护能力下降等问题 ，探讨 了采用平衡 千斤顶浮动双 向锁控制回路和平衡千斤顶两腔 自动补液控制 回 路解决该 问题的可行性 ，并分别在 AME S i m 和 MA TL AB环境下对两种优化方案进行仿真分析。通 过分析仿 真结果可 知 平衡 千斤顶浮动双 向锁控制 回路可 以有效解决安全阀频繁开启 问题， 而平衡千斤顶两腔 自动补液 控制 回路 可以显著增加主平衡 区宽度 ，提高支架支护能力 。 关键词 平衡千斤顶；浮动双 向锁 ；液压回路 ；支架 中图分类号 TD 3 5 5 ． 4 文献标识码 A 0 引言 掩护 式液 压支架 的平衡 千斤顶起 着调节 顶梁 和掩 护梁角度 ，调整顶梁与顶板的接触状态 ，调节顶梁合 力支撑点的位置， 使支架处于合理的工作状态等作用。 目前这种支架在实际使用过程中普遍存在着平衡千斤 顶随立柱升起接顶压实时，平衡千斤顶活塞腔增压使 安 全 阀频 繁开启 现象 。此外 ，在实 际操作 中 ，由于工 人 对平衡 千斤顶 操作 方式不 当 ，导致 平衡 千斤顶 两腔 供 液不 足 ，不 能正常 发挥支 架 的支 护特性 ，这也 是平 衡 千斤顶 及其 连接耳 座损坏 的重要 原 因。 1 平衡 千斤顶 浮动 双 向锁控 制 回路_ 1 q] 1 ． 1 平衡 千 斤顶 浮动双 向锁 控制 回路 的工作 原理 神华集 团神东矿区的 z Y1 2 O 0 0 ／ 2 5 ／ 5 0 D液压支架 最 先使用 浮动 双 向锁 控制 回路替代普 通双 向锁控 制 回 路 ，浮动 双 向锁 控制 回路如 图 1 所示 ，从 立柱换 向阀 到单向锁间引出液控 口，把该液控 口连接到双向锁外 控 口。 浮动双向锁中低压锁的调定压力为1 8 MP a ， 平 衡千斤顶安全阀调定压力为4 6 ． 2 MP a 。 当操纵立柱换 向阀升立柱时，其控制液同时打开浮动双向锁中的高 压 锁 ，此 时 ，平 衡千 斤顶在 浮动双 向锁低 压锁调 定压 力限下工作 。立柱接顶压实过程中，平衡千斤顶活塞 腔 增压 ，当达到浮 动双 向锁调定 压力 时 ， 低 压锁 打开 ， 平衡千斤顶及时卸压 ，这样在井下频繁升柱时 ，平衡 千斤顶安全 阀就不会开启，同时低压锁起作用 ，浮动 双 向锁带 压浮动 ，确保平 衡千斤 顶具 有一定 的调整顶 梁保持水平状态的作用力 ，也防止了因操作原 因而使 支架 “ 打高射炮” ， 从而影响支架的支护性能。立柱水 平接顶压实后，来 自立柱升柱控制液消失，浮动双向 锁 维持普通 双 向锁功能 。 制 液 图 1浮动 双 向锁 控 制 回 路 1 ． 2 平衡 千 斤顶浮 动双 向锁 控制 回路 可行性分 析 在 AME S i m仿真软件 S k e t c h模式下分别构建普 通双向锁和浮动双向锁控制回路模型，仿真阶段为从 立柱开始升柱到顶梁水平接顶压实过程 。 在此过程中， 换向阀处于中位，高压锁打开，因此普通双向锁模型 中的双向锁用两个普通单向阀代替 ，而在浮动双向锁 *国家 “ 十一五”科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B AB1 3 B 0 1 收稿 日期 2 0 1 O - 0 4 3 0 作者简介 马利平 1 9 8 4 一 ， 男 ， 山西朔州人， 在读硕士研究生． 研究方 向为矿山机电液一体化 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0 年 第 5期 马利 平，等 掩护式 支架平衡千斤顶液压 回路分析 1 1 模型 中将 高压 锁去 掉 ，只连 接低 压锁 。 在 P a r a me t e r s 模式设定系统各元件参数如下 泵 的流量为4 0 0 L ／ mi n ；平衡千斤顶缸径和杆径分别为 q 2 3 0 mm和 1 6 0 mm；安 全 阀调定 压力 为4 6 ． 2 MP a ； 低 压 锁 调 定 压 力 为 1 8 MP a ；平 衡 千 斤 顶 最 大 推 力 1 2 0 0 k N。 在 r u n模式 下仿 真运 行 ， 得 到安全 阀 阀 口压 力 变化对 比曲线 ， 如 图 2所 示 。 从仿 真 结果 可 以看 出， 在平衡千斤顶活塞腔增压过程 中，普通双向锁回路达 到安全阀开启压力并卸载 ，而浮动双向锁回路安全 阀 未 达到开 启压力 。 2 平衡 千斤顶 两腔 自动 补液 控 制回路 2 ． 1 平 衡 千斤顶及 其连 接耳 座损 坏原 因分析 到 目前为止，已有许多文献对二柱掩护式支架的 支护特性及其平衡千斤顶的问题进行了论述，但还是 没 有找到 有效解 决该 问题 的方 法 。从 现 有资料 和现 场 实 际 中可 以看 出 ， 平衡 千斤 顶 的损坏 有 多方面 的原 因 ， 如 平衡千斤顶的定位尺寸不合理 ，造成平衡千斤顶 的行程与采高不相匹配；平衡千斤顶连接耳座强度与 刚度 不足 ；支架 操作 工对 平衡 千斤顶 的操 作方 式和维 护也在很大程度上影响着平衡千斤顶的寿命 。从平衡 千斤顶液压控制回路来考虑，现有平衡千斤顶的控制 回路无法保证活塞腔和活塞杆腔 自动充满压力液体 从而导致平衡千斤顶难 以形成足够的推拉力，不能实 现掩 护式支 架 的设 计支 护 特性 。故有 必要设 计一 种 自 动补 液 回路 来解决 该 问题 _ 4 ] 。 O t l s 图 2 AME S i m 环境下安全阀 口压力变化对比曲线 2 ． 2 平衡 千斤顶 两腔 自动补 液控 制 回路 自动补液控 制 回路如 图 3所示 ，它 是在原 有平 衡 千斤 顶 控 制 回路 基 础 上 增 设 的一 个 自动 补 液 控 制 系 统 ，该控制系统 由一个液控三位三通换向阀和两个单 向阀组成 ，其工作原理如下 液控三位三通换 向阀的 调定压力与平衡千斤顶两腔安全阀调定压力相同，当 平衡 千斤 顶活塞 腔受 压 ，安全 阀开启 卸 载时 ，液控 三 位三通换 向阀处于左位，高压液体经单向阀给平衡千 斤顶活塞杆腔供液，使之充满压力液体；当平衡千斤 顶 活塞腔安 全 阀关 闭 ， 液控 三位 三通换 向阀处 于 中位 ； 反之 ，当平 衡千 斤顶 活塞杆 腔安 全 阀开启 ，液控 三位 三通换 向阀处于右位 ，高压液体经单 向阀给平衡千斤 顶活塞腔供液，使之充满压力液体；当平衡千斤顶活 塞 杆腔 安全 阀关 闭 ， 液 控三 位三通 换 向阀处 于 中位 。 该 回路不影响平衡千斤顶液压 回路的手动操作 。 2 ． 3 掩 护 式 支架承载 能 力 区模 型 的建立 液 压支 架 的承载能 力 区 ，是 指在某 一特 定 的工作 高度下 ， 支架顶梁所承受的外载荷 Q与其在顶梁上的 作用位置 间的变化关系。通常选取顶梁与掩护梁的 铰接点为坐标原点 ，沿顶梁长度方向为横坐标轴，以 垂直 于顶 梁 长度方 向的外载 荷 Q 为纵 坐标轴 ， 建立 液 压支 架 承载能 力 区的平 面 曲线 ，如图 4所示 。根据 掩 护式支架力学和运动学分析可得出掩护式支架承载能 力 区的方 程式 为 ] 图 3 自动补液控制 回路 fQ 二 R Lm ． S 1S3 ∈ [。 ， ] l p Q { Q 2 z ∈ [ n z 。 lQ 3x 一 R TmxS ]S 3 z E [a 2,L ] ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 其 中 Q 、Q 、Q 。 分别 为平衡 千斤 顶受 最大 拉力 、立 柱 受最 大工作 阻力 、平 衡千斤 顶 受最大 压力 时支 架顶 梁 所 承 受 的外 载 荷 随 其 在 顶 梁 上 的作 用 位 置 的变 化关 系 ； 口 、 a 为支 架 主平衡 区起 点和终 点位 置 ； R 、 如 ⋯ 分 别 为平 衡 千 斤 顶最 大拉 力 为 负 和 最 大 推 力 为正 ； R ⋯ 为立柱最大工作阻力的合力 ； L为顶梁长 度；S 为掩护梁与顶梁铰接点 P到平衡千斤顶 的距 离 ； S 为掩 护梁与 顶梁 铰接 点 P 到立柱 的距 离 ； S 。 为 连杆瞬心 0 到立柱的距离 ； L 。 为 P点到顶梁的距离； 为顶梁 与顶 板之 间 的摩 擦 系数 ； K 为 顶梁倾 角系数 。 2 ． 4 平衡 千 斤顶 两腔 自动补 液控 制 回路 可行 性分析 ∞ ∞ ∞ ∞ m 0 垒＼ 出口 垦州 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 2 机 械 工 程 与自 动 化 2 0 1 0 年第 5期 现以 D B T2 4 3 1 9支架为例分析平衡千斤顶两腔压 应性增强 ，承载能力增大。 力对二柱掩护式支架承载能力区的影响。 已知支架所处高度 日4 0 0 0 mm， 立柱最大工作 阻 力R 一8 6 3 8 k N，根据 运动 学和力 学计 算公 式并 在 MATI AB编程环境下编制 C z NL Q． M 程序进行 仿真分析，不同工况下的仿真结果如图 5 所示 。不同 工况条件下对主平衡区的影响见表 1 ， 其中， 宽度和面 积百分比均为与额定推拉力工况下主平衡区宽度和面 积相比所得比值 。 从 以上分 析结果 可以看 出 ，支架在 平衡千斤 顶活 塞腔和活塞杆腔没有充满压力液体情况下工作时，其 主平衡区宽度分别为额定 主平衡区宽度的 3 0 ． 9 和 4 1 ． 2 ％，主平衡区面积为额定主平衡区面积的 3 1 ． 1 和 4 1 ． 1 ； 而支架在平衡千斤顶 自动补液系统下工作 时，主 平 衡 区宽 度 可 达 到 额 定 主 平 衡 区宽 度 的 6 9 ． 9 ，而主平 衡 区面 积可达到 额定 主平 衡 区面 积 的 7 o 。由此可见 ，在顶梁发生偏转之前保证平衡千斤 顶两腔充满压力液体 ，可以使支架对外载荷变化的适 1 0 0 0 0 8 O ∞ 互6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 a 8 0 2 ． 6 ＆ 9 O 4 ． 2 l f l／ ， ＼ 、 ～ ～ O 1 O ∞ 2 O O 0 3 0 0 0 4 0 0 0 8 0 0 0 Z 蔷 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 x ／ m m 尼 9 O 0 k N , R r ． -1 2 0 0 k N a 额定工况 l 8 ． 5 ． 8 a 2 8 4 6 ． 7 1 J ， 1．_ L ／ O 1 O O O 2 o o 0 3 0 0 0 4 0 0 0 x ／ m m 兄 一 6 3 0 k N , ‰ 2 6 ． 7 k N c 活塞腔无液工况 Q Q 2 x i ／ Q Q 、 x ／／ ／／ ／ ai a2 平 衡千斤顶受拉工作旦 平衡千斤顶受压工作区 1 0 0 0 0 8 0 0 0 6 0 0 0 4 0 0 0 2 0 0 0 l 。_ 8 【4 ． 舀 a 8 8 6 ． 4 j f O 1 0 0 o 2 O O o 3 0 0 0 4 0 0 0 x i 尼 一 2 0 k N , 月 8 4 0 k N b 活塞杆腔无液工况 b 8 1 5 ． a - 8 8 6 ． 4 1 ／ 』 ／ 、 、 一 图 5 不同工况下的仿真结果 表 l 不 同工况条件下对主平衡 区的影响 x 7 呱 月 一 6 3 0 k N ． R m , 84 0 k N d 自 动补液工况 工况 主平衡区宽度 ram 主平衡区宽度百分 比 主平衡区面积 ramz 主平衡区面积百分比 额定推拉力 1 0 1 ． 6 1 0 0 9 1 0 2 9 1 ． 3 l O O 活塞杆腔无液 4 1 ． 9 4 1 ． 2 3 7 4 0 9 1 ． 6 4 1 ． 1 活塞腔无液 3 1 ． 4 3 O ． 9 ％ 2 8 2 9 0 0 ． 6 3 1 ． 1 ％ 两腔 自动补液 7 1 ． 1 6 9 ． 9 6 3 6 7 9 0 ． 8 7 O ㈣ 0 8 6 4 2 委 ＼ 口 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 5期 机 械 工 程 与自 动 化 1 3 参考文献 [ 1 ] 刘 国柱． 矿用液压支架 带压浮动控制 系统 [ J ] ． 煤矿机 械， 2 0 0 8 4 1 0 9 1 1 1 ． 1 2 3 王伟 ． 两柱掩 护式 支架 平衡 千斤顶 控制 方式 的分析 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 0 0 9 1 1 6 8 1 7 0 ． [ 3 ] 李 聚领 ， 杨卫书． 平衡 补偿双 向锁 的可行性探讨 I- J ] ． 煤矿 [ 4 ] [ 5 ] 机械 ， 2 0 0 9 3 6 8 1 7 0 ． 寇子 明． 液 压支架动 态特性 分析与 检测[ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 1 9 9 6 ． 王 国彪 ， 饶 明杰． 液压 支架 优 化设计 与计 算机 模拟 分析 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 4 ． Ana l y s i s o n Hy d r a u l i c Ci r c u i t o f t h e Ba l a nc e Ra m i n t he S h i e l d S u pp o r t M A Li pi ng， LI AN Zi - s he ng Co l l e g e o f M e c ha n i c a l En g i n e e r i n g， Ta i y ua n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， Ta i y u a n 03 0 02 4， Chi n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r a n a l y z e d t h e c o mmo n p h e n o me n a o f t h e b a l a n c e r a m s a f e t y v a l v e f r e q u e n t o p e n i n g a n d s u p p o r t c a p a b i l i t y r e d u c t i o n b e c a u s e o f t h e f l u i d s u p p l e me n t s h o r t a g e ，d i s c u s s e d t h e f e a s i b i l i t y o f t wo o p t i ma l d e s i g n p r o j e c t s，o n e a p p l i e d t h e f l o a t r e v e r s i b l e l o c k c o n t r o l ，t h e o t h e r u s e d t h e a u t o f l u i d s u p p l e me n t c o n t r o 1 ． Th e t wo o p t i ma l d e s i g n p r o j e c t s we r e s i mu l a t e d i n AM ESi m a n d M ATLAB r e s pe c t i ve l y． The s i m u l at i on r e s ul t s s how t ha t t he f l oa t r e v e r s i bl e l o c k c ont r ol c an e f f e c t i v e 1 v s ol v e t h e pr ob l e m o f s a f e t y v a l v e f r e q ue nt o pe ni ng an d t he a u t o f l u i d s upp l e me nt c ont r o l c a n s i gn i f i c a nt l y i nc r e as e t h e wi dt h o f b a l a nc e a r e a a nd r a i s e t he s u pp or t i ng c a pa c i t y． Ke y w o r d s b a l a n c e r a m ；f l o a t r e v e r s i b l e l o c k；h y d r a u l i c c i r c u i t ； s u p p o r t l ，I’’’ ，’ ， m，l，m，l●mmm，llllml，， ，l ， ，●， ，，mmmlml⋯⋯⋯l⋯ 上 接第 6页 Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s S i m u l a t i o n o f La r g e Fl o w Re l i e f Va l v e i n Hy d r a u l i c S u pp o r t J I AO Li d o n g LI AN Z i s h e n g Co l l e g e of Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4．Ch i n a Abs t r a c tThe s t r uc t ur e c h ar a c t e r i s t i c s a n d wor ki ng p r i nc i pl e o f t he l ar ge f l o w r e l i e f v al ve us e d i n hy dr a ul i c s upp or t s we r e i n t r o du c e d． The d yn a m i c ma t he ma t i c mod el a nd s i mul a t i o n mo de l we r e bu i l t b y me a n s of p ower bon d g r a ph s a nd s t a t e s p a c e me t ho d． Di gi t al s i mul a t i o n a n al ys i s f or dy na mi c ch a r a c t e r i s t i c s of t h e va l ve wa s ma d e by Si mul i nk．I t ha d t he c ur ve of v a I v e mo ut h on pr e s s ur e，t h e c ur v e of v a l v e di s k on d i s pl a c e me nt a nd t he c u r v e of va l v e d i s k on s p e e d wh e n t he r oo f s i nke d i n t he r a pi d s pe e d ． Si mul a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t he a ppr opr i a t e i nc r e a s e i n t he s t i f f ne s s o f t h e s pr i ng c a n i mpr ov e t he s e ns i t i vi t y of v a l v e，a nd r e d uc e t h e os c i l l a t i on of t he v a l v e di s k， a nd a c hi e v e t he o pt i mi z a t i o n o f t h e l a r g e f l o w r e l i ef v a l v e on dy na mi c c a pa bi l i t y ． Ke y wor dspo we r bon d gr a phs； r e l i e f v a l v e wi t h l a r g e f l ux；dy na mi c c a pa b i l i t y；s i m u l a t i on mmmmm，，●mm，m，’，mmm，l ，lmm，1 8 ． 1ll ，lmlmmm⋯⋯l⋯lll⋯⋯⋯⋯⋯ I- 接 第 9页 No nl i n e a r S t a t e Es t i ma t i o n Ba s e d o n I t e r a t e d Uns c e nt e d Ka l ma n Fi l t e r GUO Pi n g p i n g，J I A J i a n - f a n g S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c tI n o r d e r t o i mp r o ve t he a pp r o xi ma t i o n a c c ur a c y o f t h e me a s ur emen t u pd a t e，t he p a pe r i nt r odu c e d i t e r a t ed Ka l man fli t e r I KF i n t o t h e u n s c e n t e d Ka l m a n f i l t e r UKF ． f o r me d t h e i t e r a t e d u n s c e n t e d Ka l ma n f i l t e r a l g o r i t h m I UKF ． Th e o r e t i c a 1 a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t I UKF c a n i mp r o v e t h e a c c u r a c y o f n o n l i n e a r a p p r o x i ma t i o n wi t h o u t i n c r e a s i n g t h e c o mp l e x i t y o f c a l c u l a t i o n，s o i t h a s b e t t e r p e r f o r ma n c e t h a n t h e s t a n d a r d EKF a n d U KF wi t h s i mi l a r c o mp u t a t i o n b u r d e n ． Ke y wor ds s t at e e s t i ma t i o n； no nl i ne a r；uns c e nt e d t r a ns f o r ma t i on； u ns c e n t e d Ka l ma n f i l t e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m