液压支架支护状态分类及感知原理研究.pdf

工矿自动化 Indus t ryand MineAut o mat io n 第46卷第8期 2020年8月 Vo l46No 8 Aug72020 文章编号文章编号1671 251X202008 0032 06DOI10. 13272/j. issn. 1671-251x . 2020030002 液压支架支护状态分类及感知原理研究 张德生12 魏训涛卞冀文治国李丁一杜尚宇12 1.天地科技股份有限公司开采设计事业部％北京100013； 2.中煤科工开采研究院有限公司％北京100013； 3.兖州煤业股份有限公司，山东邹城273500； 4.中国 科工集团唐山研究院有限公司，河北 唐T 063012 扫码移动阅读 摘要摘要针对目前液压支架单一的姿态测量无法全面反映其综合状态，且无法实现液压支架支护状态精确 感知的问题，以两柱掩护式液压支架为例，基于液压支架三维空间受力模型，从空间几何状态和结构承载 2个方面对液压支架支护状态分类及稳定性进行了分析，指出液压支架支护关键影响参数为倾角、压力和销 轴力。液压支架与围岩处于非耦合状态时易发生几何失稳构建几何平衡方程，得出重心高度和工作面倾角 是影响稳定性的关键因素；提出了顶梁、底座和前连杆3个倾角确定液压支架重心位置的方法，利用双轴倾 角传感器实现状态感知。液压支架与围岩处于耦合状态时易发生承载失稳构建液压支架合力作用点的精 确求解方程，通过测力销轴实现顶梁与掩护梁较接点作用力的感知，并根据平衡区理论判定承载失稳类型％ 关键词液压支架；支护状态分类；几何稳定性；承载稳定性；精确感知 中图分类号TD353 文献标志码A Resea rc ho nprinc ipleo fs uppo rt ingst at us c lass ific a t io nandsensingo fhydraulic s uppo rt ZHANG Desheng12 , WEI Xunt ao3 , BIAN Ji , WEN Zhiguo12 , LI Dingyi12 , DU Shangyu12 1. Co al Mining j Designing Depart ment , Tiandi Sc ienc e j Tec hno lo gy Co . , Lt d., Beijing 100013 , China ; 2 . CCTEG Co al Mining Researc h Inst it ut e, Beijing 100013 , China ; 3. Yanzho u Co al Mining Co mpany Limit ed, Zo uc heng 273500, China; 4. CCTEG Tangshan Researc h Inst it ut e, Tangshan 063012, China AbstractAimingat pro blemt hat s ingleatit udemea surement o fhydra ulic suppo rt c a nno t fulyreflec t c o mprehensivest a t eo fhydraulic suppo rt ,a ndc a nno t rea lizea c c ura t eperc ept io no fsuppo rt ingst a t eo f hydraulic s uppo rt ,t akingt wo c o lumnshieldhydra ulic suppo rt asanex ample,bas edo nt hree-dimensio nal spac est ressmo delo fhydra ulic suppo rt ,suppo rt ingst at ec lassific a t io nandst abilit yo fhydra ulic suppo rt area nalyzedfro mt wo a s pec t s o fs pat ia lgeo met ric s t a t eands t ruc t urallo a d,andit is po int edo ut t ha t t he keyinfluenc ing paramet ers o f hydraulic suppo rt are inc linat io n angle,pressure and pin fo rc e. When hydra ulic suppo rt a ndsurro undingro c kareinunc o upledst at e,geo met ric inst a bilit yiseasyt o o c c urt he geo met ric equilibrium equat io n is c o nst ruc t ed, and t he height o f gravit y c ent er and t he dip angle o f wo rking fac e are t he key fac t o rs affec t ing t he st abilit y; A met ho d o f det ermining t he c ent er o f gravit y po sit io n o f hydra ulic s uppo rt wit ht hreeinc linat io na ngles o ft o pb eam,b as ea ndfro nt linkis put fo rward,a ndt he st at eperc ept io nisrealizedbyusingdualax isinc lina t io nsenso r.Whenhydra ulic suppo rt andsurro unding 收稿日期收稿日期2020-03-02；修回日期修回日期2020-06-16；责任编辑责任编辑王晖，郑海霞。 基金项目基金项目天地科技创新创业资金资助项目2018-TDZD08,2020-TDZD005国家自然科学基金联合项目U1610251；山东省重大科技创新 工程项目2019SDZY04；中央国有资本金资助项目财企,013-72。 作者简介作者简介张德生1982 男，江苏丰县人，研究员，博士，现主要从事煤炭综采工作面支护及辅助作业技术与装备的研发工作,E-mail zhangdeshengt dkc sj. c o m。 引用格式张德生，魏训涛，卞冀，等液压支架支护状态分类及感知原理研究，-工矿自动化，2020,4683237. ZHANG DeshengWEI XunaoBIAN Jieal.Res earc ho n princ ipleo fsuppo ringsa usc las sific a io na ndsensingo fhydra ulic suppo rt, Indust ry and Mine Aut o mat io n,2020,468 32-37. 2020年第8期张德生等液压支架支护状态分类及感知原理研究・33・ ro c k are in c o upling st at e, bearing inst abilit y is easy t o o c c ur ac c urat e so lut io n equat io n o f t he result ant fo rc e po int o f t he hydraulic suppo rt is c o nst ruc t ed, t he st at e perc ept io n o f t he t o p beam and t he shield beam is realized by t he fo rc e measuring pin shaft , and t he bearing inst abilit y t ype is det ermined ac c o rding o t heb alanc ezo net heo ry. Key words hydraulic suppo rt; suppo rt ing st at us prec ise perc ept io n 0引言引言 智能化开采已成为煤炭工业高质量发展的重要 方向,1-，液压支架作为综采工作面的主要装备，其支 护状态的精确识别是工作面自适应控制和协同推进 的基础，对其支护状态的研究从传统的矿压观测向 姿态监测等全工况发展，以提高工作面支护质量和 自动化水平。 近年来，许多学者对液压支架支护状态进行了 研究。文献［2］分析了大采高工作面液压支架倒架 失稳因素，建立了液压支架的多体动力学模型。文 献［3］研究了大倾角条件下支架稳定性分类并提出 了相应改进和管理措施。文献［4］给出了大倾角综 放工作面支架状态与工作面倾角的量化关系。文献 ［5-6］研究了两柱掩护式液压支架的承载特性。文 献［7-8］给出了基于倾角的液压支架姿态解算方法。 文献［9］开展了支护质量模糊综合评价工作。以上 研究主要从几何稳定状态、承载特性等方面进行，单 一的姿态测量无法全面反映液压支架的综合状态， 无法实现液压支架支护状态的精确感知［10「13］ o 本文以两柱掩护式液压支架为例，从空间几何 和结构承载2个方面对液压支架支护状态进行分 析,并提出关键参数的感知方法，为液压支架状态监 测和稳定判别体系的构建提供理论依据。 1液压支架空间几何状态分析液压支架空间几何状态分析 1. 1 工作面液压支架三维空间布置 液压支架与围岩在工作面支护体系中构成“顶 板-支架-底板”耦合系统，根据液压支架直接与顶、 底板的接触，分为耦合和非耦合2种状态。耦合状 态下支架与顶、底板接触并传递较大载荷，表现为承 载失稳；非耦合状态下支架与顶板无接触，表现为几 何失稳。 综采工作面液压支架的布置如图1a所示，正 常情况下，液压支架沿煤层倾斜方向布置，沿走向方 向推进，液压支架的位姿和稳定性受工作面倾角 影响。 c lassifying; geo met ric st abilit y; suppo rt st abilit y; 液压支架空间三维受力模型如图1b所示，顶 梁承受顶板垂向载荷/和水平摩擦力3为液压 支架底座在推进方向与底板的夹角。 b液压支架空间三维受力模型 图1液压支架工作面空间布置与模型 Fig. 1 Spac e layo ut and mo del o f hydraulic suppo rt 1. 2 液压支架几何稳定性分析 在工作面走向方向，液压支架主要表现为前翻 和后仰两种失稳类型。不考虑液压支架移架过程发 生的偏斜3 ,液压支架后仰状态力学模型如 图2所示示。 失稳时以底座后端Q点为支点倾覆，因此, Q点取矩平衡方程组为 Q G sin a f2为顶梁与顶板在倾斜方向的摩擦因数；a,c,e 分别为重力G、底座集中载荷R和顶梁等效集中载 荷Q到O的力臂。 由图4可知，液压支架自重和顶板合力的作用 线位于O点右侧时，支架不会翻倒；仅受重力且无 邻架扶持约束下，易发生倾覆，临界失稳角0h为 式中为液压支架的底座宽度， 2c。 液压支架失稳概率与hg呈正相关;增加支护设 备与顶底板支架的摩擦因数可有效增大滑移临界倾 角，从而有效防止支架的滑移失稳/ 0,液压支架 最易发生失稳，带压移架可有效防止支架移架时的 失稳。 1. 3 液压支架重心确定方法 液压支架重心坐标是确定临界失稳角的直接条 件，利用解析方法求取重心坐标变化。 根据文献［7］建立液压支架节点坐标图图5，， 确定部件质心和节点的相对位置，用质心公式 式7求取液压支架整体质心坐标Qg , W 0 0 2020 8 张德生等液压支架支护状态分类及感知原理研究 ・・35・ ・ hydraulic suppo rt ------ 式中i为第Z个部件的质心坐标 为第 个部件的质量 为支架部件的数量。 以前连杆为例，确定节点和节点E的位置坐 标d， ，*D ，， E， ，*E ，，其中，其中，/1， ，2, 3 分别为底座、 、 前连杆及顶梁与水平面之间的夹角。根据式8 式10求取前连杆的质心坐标b， ，*b D 4] c o s y1 42 sin 1 “1，“2分别为立柱和平衡千斤顶与顶梁垂线之间的 夹角;Fm,， ，FMy为s接点M水平和垂直作用力分 量；F/为顶梁所受摩擦力44, ,45分别为立柱和平 衡千斤顶的定位尺寸;46为S接点M的定位尺寸。 由图5各S接点坐标确定“1和仇的值， ，通过 式11求出合力作用大小Q和位置x与Fm.， ，FMy 及1，2, 3的函数表达式。 。 根据液压支架的力平衡区理论，两柱掩护式液 压支架的平衡区是指以外载荷在顶梁上的位置x 为横坐标，以顶梁等效集中载荷Q为纵坐标的曲线 下的面积，如图7所示。将支架承载能力区划分为 3个区域平衡缸受拉工作区；立柱工作区Q2x下 的面积；平衡缸受压工作区。其中，Qi x〜 Qa x为在不同作用位置所能承载的最大载荷。 Fig.7 Fo rc ebalanc earea o ft wo c o lumn*hield hydraulic *uppo rt 将顶梁等效集中载荷Q幅值大小及作用位置 与Q1x〜Q3x进行比较，判断该载荷是否在液 压支架的力平衡区，如果在力平衡区，则表示在该载 荷作用下，支架的顶梁与底板可以保持稳定；否则, 支架顶梁发生转动，出现“低头”或“高射炮”等姿态 失稳线性接触，控顶效果差，易发生结构损坏现象。 3液压支架支护状态感知原理液压支架支护状态感知原理 3.1 支 态分分 通过 和承 主要 及 别方法的分析，可知液压支架支护关键影响参数为 倾角、压力和销轴力，具体见表1 ・36・ 工矿自动化 46 表1失稳状态分类 Table 1 Classific at io n o f inst abilit y st at es 分类象 断 1 几何失稳 走向方向 倾斜方向 后仰 前倾 滑移 倾倒双向 1，2 , 3 0 1，2，3，0 承载失稳 受拉工作区 受压工作区 高射炮 低 1，2，3，P1，2， Fmh , Fm 3. 2 感知原理 由于当前液压支架的压力传感器已发展成 熟,4-所以仅对倾角及销轴力参量的测量原理进行 分析。 3.2.1倾角感知 倾角传感器需测量走向和倾斜2个方向的变 化，因此选用双轴倾角传感器「14-。加速度式倾角传 感器通过双轴角度测量模块来测量设备左右和前后 倾斜角度，并通过模-数转换采集模块对双轴角度 数据进行转换，然后传送给MUC核心处理单元对 数据进行复杂的运算校准，MUC内置自动补偿和 滤波算法，可消除环境变化造成的误差。该种传感 器井下实际应用测量误差小于士 1 - 文献[ 15]采用光纤光栅倾角传感器测量双轴倾 角图8,为液压支架状态感知提供了新的测量手 段。其工作原理如下重球与摆杆固定连接，摆杆通 过球S连接于外壳上，重球可在垂直平面内连续转 动；摆杆杆体中部与一悬臂梁连接，该悬臂梁末端与 另一固定在壳体上的悬臂梁连接，上述2个悬臂梁 都为等强度梁。该光纤光栅倾角传感器共布置3条 光纤布拉格光栅Fiber Bragg Grat ing, FBG，其中 在悬臂梁1的前或后表面上布置1条光栅FBG1， 在悬臂梁2的左右两表面中间各布置1条光栅 FBG2和FBG2,可实现双轴倾斜角度测量。 3.2.2 销轴 感知 测力销是将掩护式支架的联结销贴上电阻应变 片改制的一种测力仪器，用来测定掩护式支架s接 点受力的大小和方向。由于支架高度和姿态的变 化,顶梁与掩护梁s接点受力大小和方向变动幅度 较大，因此需采用X/Y双轴向测力销轴传感器，输 出2路独立信号，同步计算出合力；采用双剪切梁式 结构，测力销与顶梁之间相对固定。 4结论结论 1 液压支架与围岩处于非耦合状态时易发生 几何失稳，构建几彳平衡方程,得出重心高度和工作 面倾角是影响稳定性的关键因素。提出了顶梁、底 座和前连杆3个倾角确定液压支架重心位置的方 双轴 感 状 感知 为 稳角的判别提供了有效手段。 2 液压支架与围岩处于耦合状态时易发生承 载失稳，构建液压支架合力作用点的精确求解方程, 通过测力销轴实现顶梁与掩护梁S接点作用力的感 知，求取合力作用大小和位置，并根据平衡区理论判 定承载失稳类型。 参考文献References 1 王国法，张德生.煤炭智能化综采技术创新实践与发 展展望[J].中国矿业大学学报，2018,47 3 459-467. 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