综采工作面液压支架的模拟研究.pdf

分类号分类号TD672TD672密密级 级 公公开开 U D CU D C 单位代码单位代码 1042410424 学学 位位 论论 文文 综采工作面液压支架的模拟研究综采工作面液压支架的模拟研究综采工作面液压支架的模拟研究 综采工作面液压支架的模拟研究 刘立娟刘立娟 申请学位级别申请学位级别硕士学位硕士学位专业专业名名称称资源经济与管资源经济与管理理 指导教师姓名指导教师姓名李李 兴兴 华华职职称称教教授授 山山 东东 科科 技技 大大 学学 二零零七年五月二零零七年五月 论文题目论文题目论文题目 论文题目 综采工作面液压支架的模拟研究综采工作面液压支架的模拟研究综采工作面液压支架的模拟研究 综采工作面液压支架的模拟研究 作者姓名作者姓名作者姓名 作者姓名 刘立娟刘立娟入学时间入学时间入学时间 入学时间 200420042004 2004 年年 9 9 9 9 月月 专业名称专业名称专业名称 专业名称 资源经济与管理资源经济与管理研究方向研究方向研究方向 研究方向 系统工程理论与应用系统工程理论与应用 指导教师指导教师指导教师 指导教师 李李 兴兴 华华职职职 职 称称称 称 教教授授 副指导教师副指导教师副指导教师 副指导教师 冯冯 夕夕 文文职职职 职 称称称 称 教教授授 论文提交日期论文提交日期论文提交日期 论文提交日期 200720072007 2007 年年 5 5 5 5 月月 论文答辩日期论文答辩日期论文答辩日期 论文答辩日期 200720072007 2007 年年 6 6 6 6 月月 121212 12 日日 授予学位日期授予学位日期授予学位日期 授予学位日期 RESEARCHRESEARCHRESEARCH RESEARCH ONONON ON SIMULATIONSIMULATIONSIMULATION SIMULATION OFOFOF OF FULL-FULL-FULL- FULL- MECHANIZEDMECHANIZEDMECHANIZED MECHANIZED MINININGMINININGMININING MININING FACEFACEFACE FACE HYDRAULICHYDRAULICHYDRAULIC HYDRAULIC SUPPORTSUPPORTSUPPORT SUPPORT A A A A DissertationDissertationDissertation Dissertation tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements ofofof of thethethe the degreedegreedegree degree ofofof of MASTERMASTERMASTER MASTER OFOFOF OF PHILOSOPHYPHILOSOPHYPHILOSOPHY PHILOSOPHY fromfromfrom from ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and TechnologyTechnologyTechnology Technology b b b b y y y y LiuLiuLiu Liu LijuanLijuanLijuan Lijuan SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor LiLiLi Li XinghuaXinghuaXinghua Xinghua AssociateAssociateAssociate Associate SupervisorSupervisorSupervisor Supervisor ProfessorProfessorProfessor Professor FengFengFeng Feng XiwenXiwenXiwen Xiwen CollegeCollegeCollege College ofofof of NaturalNaturalNatural Natural ResourcesResourcesResources Resources andandand and EnvironmentalEnvironmentalEnvironmental Environmental EngineeringEngineeringEngineering Engineering MayMayMay May 200720072007 2007 声声明明 本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所本人呈交给山东科技大学的这篇硕士学位论文，除了所列参考文献和世所公公 认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于认的文献外，全部是本人在导师指导下的研究成果。该论文资料尚没有呈交于 其它任何学术机关作鉴定。其它任何学术机关作鉴定。 硕士生签名硕士生签名 日日期期 AFFIRMATIONAFFIRMATIONAFFIRMATION AFFIRMATION I I I I declaredeclaredeclare declare thatthatthat that thisthisthis this dissertation,dissertation,dissertation, dissertation, tedtedted ted ininin in fulfillmentfulfillmentfulfillment fulfillment ofofof of thethethe the requirementsrequirementsrequirements requirements forforfor for thethethe the awardawardaward award ofofof of MasterMasterMaster Master ofofof of PhilosophyPhilosophyPhilosophy Philosophy ininin in ShandongShandongShandong Shandong UniversityUniversityUniversity University ofofof of ScienceScienceScience Science andandand and Technology,Technology,Technology, Technology, is is is is whollywhollywholly wholly mymymy my ownownown own workworkwork work unlessunlessunless unless referencedreferencedreferenced referenced ofofof of acknowledge.acknowledge.acknowledge. acknowledge. TheTheThe The documentdocumentdocument document hashashas has notnotnot not beenbeenbeen been tedtedted ted forforfor for qualificationqualificationqualification qualification atatat at anyanyany any otherotherother other academicacademicacademic academic institute.institute.institute. institute. SignatureSignatureSignature Signature DateDateDate Date 山东科技大学硕士学位论文摘要 摘摘要要 液压支架作为综合机械化采煤技术的关键设备， 在煤矿企业安全生产中有着重要作 用。液压支架通过可靠地支撑顶板，来维护一定的安全空间，保护综采工作面内机器和 人员的安全生产。而在近几年中，因为错误操作液压支架而导致安全事故的事件时有发 生，作为人－机系统中处于主导地位的人，是事故发生的主要因素，因此煤矿企业必须 加强对液压支架工的培训。而现有培训模式呆板、成本高、可达性差等缺点已暴露无疑， 必须开发一种新式的适应现代培训模式的软件系统，才能从根本上加强对液压支架工的 培训，搞好安全生产。 本文在认真分析目前煤矿企业安全生产的基础上， 介绍了目前煤矿企业在液压支架 培训方面存在的问题，通过查阅大量资料了解模拟技术在国内外矿业系统中的研究现状 和应用前景以及计算机图形学的发展状况。在此基础上，分析了计算机模拟的基础理论 以及模拟的三种方法，研究了动态模拟系统的关键技术。定位分析液压支架模拟系统， 结合煤矿企业液压支架培训要求提出该模拟系统的总体结构，把系统分为三个模块实 体模型生成模块、图形显示模块及液压系统原理模块，论文研究了各组成模块的功能及 实现方法。论文提供了三种建模途径构造实体几何建模、特征表示法及外部模型数据 的导入，并论述了这三种建模方法的过程，同时介绍了构造实体模型后统一转化成三角 网格模型的数据存储格式。 论文以 ZFS5600/17/35 液压支架动态模拟系统为例， 介绍该系统的体系结构和功能 模块，并研究了支架构件、支架装配与拆除、支架液压系统的模拟实现。 关键词关键词液压支架，模拟，三维建模，图形，特征 山东科技大学硕士学位论文摘要 ABSTRACTABSTRACT Hydraulic support has an important function as the key equipment of full-mechanizedminingtechnologyinthesafetyproductionofcoal enterprise. Hydraulic support maintenances proper safety space and protects the machines and people’s safety production in the full-mechanized mining face by supporting roof reliably. But recently，the safety accident occurs frequently, as a dominant factor in the man-machine system, man is the most important causation of accidents, so the coalmine enterprise must enhance the training of hydraulic support workers. The mode of existing training is stiff, the cost is high, attaining effect is poor, these shortcomings have disclosed completely. In order to strengthen the training and dosafety production well，we must design a training software system which is new and fitting for modern time. Thispaperintroducestheproblemsexistinginthetrainingabout hydraulic support of coal enterprises nowadays on the base of analysis about safety production in coal enterprise. It knows about the research actuality and application foreground of simulation technology applied in coal mining system at home and aboard by reading lots of materials, and the developing status of computer graphics. This paper analyzes basic theories about computer simulation similarity thought, cybernetics, ination theory. It introduces three ways about computer simulation, and studies the key technology about dynamic simulation system. It orients and analyses the simulation system of hydraulic support, raises the total design of hydraulic support simulation system realization according to the hydraulic support training in the coal enterprises, the system is divided into three modules entity model making module, graphics displaying model and hydraulic system principle model. The paper analyzes the function and realization s of each module. This paper supplies three ways to modeling CGS、s of expressing features and outside data import. And it both discusses the courses of this there modeling s and the date-storage at of triangular mesh model, which is translated from entity model. The paper sets an example of ZFS5600/17/35 hydraulic support, introduces the structure and function module of the system, and designs the simulation ofthepartitionofhydraulicsupport,theassemblyandbackoutand hydraulic system. 山东科技大学硕士学位论文摘要 KeywordsKeywords hydraulic support, simulation, three-dimension modeling, graphics, character 山东科技大学硕士学位论文目录 目目录录 1 1 1 1 绪绪绪 绪 论论论 论 1 1 1 1 1.1 问题的提出1 1.2 国内外研究现状2 1.3 选题目的及意义5 1.4 研究内容与思路6 1.5 本章小结7 2 2 2 2 计算机模拟理论及关键技术研究计算机模拟理论及关键技术研究计算机模拟理论及关键技术研究 计算机模拟理论及关键技术研究 8 8 8 8 2.1 计算机模拟的定义8 2.2 计算机模拟的基础理论11 2.3 计算机模拟的方法15 2.4 动态模拟系统的关键技术研究18 2.5 本章小结19 3 3 3 3 液压支架模拟系统的总体设计液压支架模拟系统的总体设计液压支架模拟系统的总体设计 液压支架模拟系统的总体设计 202020 20 3.1 液压支架概述20 3.2 系统定位与分析24 3.3 系统设计26 3.4 系统模块划分27 3.5 液压支架模拟系统组成模块介绍28 3.6 系统开发工具30 3.7 本章小结35 4 4 4 4 三维建模方法研究三维建模方法研究三维建模方法研究 三维建模方法研究 363636 36 4.1 面向对象的几何建模方法36 4.2 面向对象技术的概念与基本特征37 4.3 面向对象的建模技术38 4.4 虚拟液压支架的具体设计39 4.5 三角网格模型和 STL 数据格式40 山东科技大学硕士学位论文目录 4.6 外部模型的导入功能42 4.7 本章小结43 5 5 5 5 面向面向面向 面向 ZFS5600/17/35ZFS5600/17/35ZFS5600/17/35 ZFS5600/17/35 液压支架的模拟系统的应用实例液压支架的模拟系统的应用实例液压支架的模拟系统的应用实例 液压支架的模拟系统的应用实例 444444 44 5.1 支架构件模块的设计44 5.2 液压支架模拟系统的功能与模块47 5.3 本章小结50 6 6 6 6 主要结论主要结论主要结论 主要结论 515151 51 致致致 致 谢谢谢 谢 525252 52 参考文献参考文献参考文献 参考文献 535353 53 攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果攻读硕士期间主要成果 攻读硕士期间主要成果 555555 55 山东科技大学硕士学位论文目录 ContentsContentsContents Contents 1 1 1 1 I I I I ntroductionntroductionntroduction ntroduction 1 1 1 1 1.1Presentation of Problem1 1.2Historical and Present Situation 2 1.3Research Purpose and Meaning of the Study5 1.4Research Contents and of the Study 6 1.5Summary 7 2 2 2 2 StudyStudyStudy Study ononon on thethethe the TheoryTheoryTheory Theory ofofof of ComputerComputerComputer Computer SimulationSimulationSimulation Simulation andandand and itsitsits its KeyKeyKey Key TechnologyTechnologyTechnology Technology 8 8 8 8 2.1The Definition of Computer Simulation 8 2.2The Basic Theory of Computer Simulation11 2.3The of Computer Simulation15 2.4Research of Key Technology of the Dynamic Simulation System18 2.5Summary 19 3 3 3 3 TotalTotalTotal Total DesignDesignDesign Design ofofof of thethethe the SimulationSimulationSimulation Simulation SystemSystemSystem System ofofof of HydraulicHydraulicHydraulic Hydraulic SupportSupportSupport Support 202020 20 3.1Summarization of Hydraulic Support20 3.2Orientation andAnalysis of the System24 3.3Design of the System26 3.4The Partition of Module27 3.5The introduction of Module of Hydraulic Support’sSimulation System28 3.6The Development Tools of the System30 3.7Summary35 4 4 4 4 ResearchResearchResearch Research ofofof of ofofof of Three-dimensionThree-dimensionThree-dimension Three-dimension ModelingModelingModeling Modeling 363636 36 4.1The of Object Oriented Geometry Modeling 36 4.2The Concept and Basic Character of Object Oriented Technology37 4.3The Object Oriented Modeling Technology38 4.4The Design of Virtual Hydraulic Support 39 4.5TheTriangular Mesh Model and Data at of STL40 山东科技大学硕士学位论文目录 4.6The Function ofOutside Data Import42 4.7Summary 43 5 5 5 5 TheTheThe The ApplicationApplicationApplication Application ofofof of SimulationSimulationSimulation Simulation SystemSystemSystem System FacingFacingFacing Facing ZFS5600/17/35ZFS5600/17/35ZFS5600/17/35 ZFS5600/17/35 HydraulicHydraulicHydraulic Hydraulic SupportSupportSupport Support 444444 44 5.1Modeling of the Component of Hydraulic Support44 5.2The Function and Module of Hydraulic Support’sSimulation System47 5.3Summary 50 6 6 6 6 MainMainMain Main ConclusionConclusionConclusion Conclusion 515151 51 ThanksThanksThanks Thanks 525252 52 ReferenceReferenceReference Reference DocumentsDocumentsDocuments Documents 535353 53 MainMainMain Main WorkWorkWork Work AchievementAchievementAchievement Achievement ofofof of thethethe the AuthorAuthorAuthor Author duringduringduring during WorkingWorkingWorking Working ononon on MasterMasterMaster Master PaperPaperPaper Paper 555555 55 山东科技大学硕士学位论文绪论 1 1 1 1 1 绪论绪论绪论 绪论 1.11.11.1 1.1 问题的提出问题的提出问题的提出 问题的提出 如今液压支架在全世界主要采煤国家已经被广泛的推广和应用，采用液压支架管理 顶板是当代采煤技术史上一次重要变革，也是煤矿现代化采煤的主要标志。液压支架作 为综合机械化采煤的关键设备之一，也是长壁综采工作面的关键设备，它的主要作用是 支护采场顶板，维护安全作业空间，推移工作面采煤设备[1]。 在中国，综采面平均开机率只有 30左右，但支架围岩事故约占总事故的 1/3。 其中一个重要的影响因素就是工人对液压支架了解不够，对其已存在的危险不能及时预 测。人是整个生产系统中最活跃、最重要的因素，与生产结合也最为紧密。人作为事故 致因中的最主要因素，同时也是最难控制和最脆弱的环节。任何机器设备都必须有人参 与，因为机器是人设计、制造、安装、调试和使用的。在人-机系统中，人和机器是相互 作用、相互配合和相互制约的，而人始终起着主导作用。据国外统计资料表明，生产中 58-70的事故都和轻视“人的因素”有关，而美国联邦采矿安全与保健局经过对煤矿事 故的原因进行调查发现，85的煤矿事故是由于煤矿职工的“不安全行为”所致。根据我 国国家安全生产监督管理局（国家煤矿安全监察局）的统计数据显示，我国煤矿事故中 的 70-80也是由于人的不安全行为（违章指挥、违章作业、违反劳动纪律，即“三违”） 所造成的。由此可见，确保人的安全工作行为、降低“违章率”是提高安全保障系数的 有效途径，必须加强对煤矿工作人员的安全教育培训工作，提高职工队伍的素质，通过 培训教育增强安全意识，规范其生产、作业行为，达到防患于未燃。而从液压支架的角 度来讲，一方面为了使液压支架充分发挥其作用，实现煤矿企业的高产高效，另一方面 对液压支架存在的危险能提前预知，降低煤矿企业的安全事故率，液压支架工必须熟悉 液压支架的支撑原理及使用特性要求，因此，煤矿企业管理人员需要经常对液压支架工 从液压支架的结构、工作原理等各方面进行培训[2]。 然而，在进行液压支架培训方面，我们却遇到了很多现实问题。由于传统的教学形 式主要是以教师为中心，教学方法的单一、枯燥，对图像的处理功能相对较弱，缺乏形 象感和生动感。教学环境封闭，局限于一支粉笔、一块黑板、一本教材，从而限制了学 员的积极性和创造性，也抑制了学员生学习语言的趣味性和娱乐性。在这种教学培训形 山东科技大学硕士学位论文绪论 2 式下，不能充分调动学员的积极性，互动教学方式得不到充分的运用，使得培训效果差 强人意，收效甚微。随着科学技术的发展，模拟技术已经进入了整个教育领域并迅速得 到发展。在液压支架培训教学领域中，运用模拟技术和计算机图形学中多种技术，模拟 支架的造型及其运动状态，能创造逼真的教学环境，而动静结合的教学图像、生动活泼 的教学氛围的应用，也使得教育手段、教学方法、观念与形式、课堂教学结构、以至教 学思想与教学理论都发生了变革，可以解决常规教学难以解决的问题，彻底解决传统教 育平淡、枯燥的教学状况，也对传统教学方式造成了巨大冲击。同时，液压支架作为综 合机械化采煤的关键设备之一，由很多构件组成，对液压支架工的培训主要从液压支架 的结构、工作原理等方面进行培训，而这方面的培训现在是以液压支架厂家所提供的文 字资料以及平面图示为主。所以，对于液压支架的培训来讲，开发一种新式的适应现代 教育培训模式的软件系统十分重要。 1.21.21.2 1.2 国内外研究现状国内外研究现状国内外研究现状 国内外研究现状 1.2.11.2.11.2.1 1.2.1 模拟技术在矿业系统中的应用现状模拟技术在矿业系统中的应用现状模拟技术在矿业系统中的应用现状 模拟技术在矿业系统中的应用现状 早期的矿业系统模拟领域主要围绕着排队论、进度计划、库存系统、产量确定方法 和定位模型。那时的矿业系统模拟模型一般以 FORTRAN 等通用程序语言来实现，耗费时 间长、资金投入大、并且模型缺乏可重用性和可移植性，难以充分发挥模拟模型应有的 优越性。后来相继发展的模拟语言，如 GPSS、 SIMULA、GASP、SLAM、SIMAN等的应用， 在很大程度上改善了系统模拟建模的效率。 特别是从 80 年代后期开始， 伴随这些模拟语 言而诞生的动画模拟技术，能够直观地表达所模拟系统的运行过程，增强了模拟模型的 有效性，因而使得系统模拟技术在矿业工程中的应用研究得以复苏。此间以美国爱达荷 大学的 J.R.Sturgul 教授等、南非的 MEGKON 公司、加拿大的一些研究机构、以及澳大利 亚的咨询公司等的应用研究工作最为广泛。很明显，此时的模拟应用研究多是面向实际 问题的，因而一般皆直接利用现有的商品化软件系统，诸如 GPSS/H 与 Proof Animation、 SIMAN/Cinema/Arena 等， 这与早期的以系统建模为主的矿业系统模拟研究取向形成了较 为鲜明的对比。 近年来，矿业系统模拟在世界各国都得到了很大的发展。比如，在美国，从 1990 年开始，更多地应用 GPSS/H 和 SIMAN 模拟环境，具体实例包括阿拉斯加