靳 敏

(常州機電職業(yè)技術學院，江蘇 常州 213164)

傳統(tǒng)單軌吊作為一種井下輔助運輸設備，其性能優(yōu)勢明顯：利用巷道頂部軌道運行，擺脫了巷道底部復雜惡劣環(huán)境的限制，機動性好，速度快，載重量大等。掘進支錨作業(yè)平臺是一種適應性強、靈活性高的煤巷支護設備，設計合理的機械機構將單軌吊與支錨作業(yè)平臺有機結合，采用液壓系統(tǒng)的方式為作業(yè)平臺提供動力，形成一套單軌吊煤巷支護系統(tǒng)。該系統(tǒng)對提高掘進支錨作業(yè)的工作效率和運行安全有著重要意義[1-4]。

1 超前支護系統(tǒng)模型

超前支護系統(tǒng)以單軌吊機身為基礎，利用工字梁軌道作為其行走和支護作業(yè)時的支撐。

超前支護系統(tǒng)模型示意圖如圖1所示。由圖1可知整個系統(tǒng)可分為，支護機構、導向裝置、動力單元以及控制室。該系統(tǒng)整體機身質量較小，運行速度快且響應時間短，運行角度較大；與傳統(tǒng)的單軌吊小車相比，該系統(tǒng)弱化了裝置的運輸功能，在行走時僅僅允許在控制室內容納兩名工作人員。軌道依靠吊掛組件與頂板上的十字梁或錨桿連接，固定在巷道的頂板上，支護系統(tǒng)作為一個整體在軌道上行走。單軌吊動力源多樣，同樣地，超前支護系統(tǒng)可采取多種動力源方式，為降低系統(tǒng)自身重量，提高動力源的持久性以及穩(wěn)定性，采用尾部拖電纜的方式為系統(tǒng)提供動力[5-7]。

在整體支護系統(tǒng)正常行走或靜止狀態(tài)下，導向裝置承受整個設備的重力和軌道的作用力。由于軌道是由工字梁拼接而成，導向裝置的特殊小輪鑲嵌其中，既可以承受來自軌道的下壓力，又可以承受支撐力，這就使整體設備的穩(wěn)定性得到保障，不會出現“前趴后翹”或“前翹后趴”的不良狀況；在系統(tǒng)進行支錨作業(yè)時，支護結構在油缸的作用下前伸，加之支錨設備和操作人員的重力作用，前端導向裝置承受工字梁軌道的支撐力，后端導向裝置承受工字梁軌道的下壓力。軌道的工字梁強度以及導向裝置的特殊小輪尺寸根據支護系統(tǒng)自身重量及最大負荷計算，保證系統(tǒng)安全系數不小于7。

1.1 動力單元

動力單元包括驅動單元和制動單元，且動力單元個數可根據系統(tǒng)型號及支護作業(yè)工況進行數量調節(jié)，實現不同的牽引功率。驅動單元利用液壓馬達輸出扭矩，壓縮彈簧將驅動輪壓緊軌道工字梁腹板，進而輸出牽引力；需要制動時，制動油缸卸荷，制動彈簧伸長進而帶動摩擦閘片抱合工字梁腹板，產生摩擦制動力。安全規(guī)范要求系統(tǒng)具備緊急制動能力，故系統(tǒng)設計了手動式失效安全型緊急制動機構。

導向裝置主要是導向和承重作用。在裝置行走過程中，因軌道傾角變化或負載不平衡會導致整個系統(tǒng)重力分配的不均勻，導向裝置維持系統(tǒng)運行的方向并承受系統(tǒng)的重力作用?？刂剖野ǜ鞣N操作桿，顯示屏以及信號燈等，操作人員位于其中負責規(guī)范操作設備。

1.2 支護機構

這是一條艱苦的沖頂路，除了每年巨額資金投入，還要付出大量的精力去學習。曾在香檳區(qū)接觸過這些在沖擊侍酒師大師之路的人，印象深刻的是他們每到酒莊參觀學習嘗酒，末了總會盡量請求酒莊把酒瓶留給他們，以便撕下酒標回到酒店后繼續(xù)查閱資料學習。這些“候選人”普遍都有本職工作，在繁忙工作中擠時間學習提升，需要太多的毅力。有人半途放棄，有人迷茫，有人會有被套牢的感覺，也有那么一群人堅持到最后。考級升級路上，需要進行哪些權衡和取舍？如何才能更順利地考試升級？本期文章，我們請來三位佼佼者，給我們分享這一年來的考試升級路。

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圖2 支護機構三維模型

各軸相對位置坐標就存儲在data[MAX_AXIS]數組中，讀數組中各軸的值就能夠獲得各軸坐標。FOCAS中各功能函數的輸入輸出參數均不同，在采集不同類型的機床數據時需要根據其對應的數據采集功能函數定義，來進行逐個功能的數據采集。

分流閥原理示意圖如圖4所示。支護作業(yè)平臺在升起或者下降過程中要求平穩(wěn)，不存在傾角或振動，這就要求成對作業(yè)油缸的速度同步性。用分流集流閥來實現速度同步，液壓系統(tǒng)相對簡單，糾偏能力較大，即便兩油缸的負載不同，仍能實現流量分流或集流的等量。

2 液壓系統(tǒng)設計

2.1 液壓系統(tǒng)原理

在液壓系統(tǒng)作用下，支護平臺到達預期作業(yè)位置，在機械結構滿足功能需求后，整個液壓系統(tǒng)的保壓性能直接決定作業(yè)的可靠性和安全性。從液壓原理圖中可得，每個油路都單獨設置了安全溢流閥，可以單獨設置最大安全值；同時，該支護系統(tǒng)的支護控制與驅動控制也相互獨立，即支護結構可以獨立運行動作。整個系統(tǒng)的設計在保證安全的基礎上，優(yōu)化了設備的機動性與靈活性，以達到高效支錨作業(yè)的目的。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 油缸的同步控制

上轉換熒光現象是指利用長波長光源激發(fā)，使樣品產生更短波長的光輸出的過程。這一現象在三維立體顯示、紅外探測以及防偽等方面，上轉換技術都有著非常廣闊的應用前景[7]。因此對稀土離子上轉換發(fā)光的研究對于光電子技術的發(fā)展具有十分重要的意義，而此前大部分的研究均采用溶膠-凝膠法等化學方法制備Ce3+：YAG熒光材料[8]。本文利用高真空磁控濺射儀，室溫條件下通過射頻濺射的方法在石英玻片上沉積薄膜，在氮氣保護條件下1100℃進行熱處理3小時制備出Ce3+：YAG薄膜樣品，并通過熒光光譜儀測試了薄膜的發(fā)射光譜，分析在980nm紅外激光激發(fā)下薄膜樣品的上轉換發(fā)光現象和發(fā)光機理。

圖4 分流閥的結構原理圖

依據支護系統(tǒng)實際運行工況，設定元件參數。各液壓缸負載通過設置相應質量塊質量進行模擬，各換向閥模塊通過加載三角函數進行模擬控制；忽略液壓系統(tǒng)中管道長度、阻力及液體壓縮性的影響。設置仿真時間為20s，通信間隔為0.1s。整個模型元件的主要參數如下：油液體積彈性模量為1500MPa；油液運動黏度為40mm2/s；電動機轉速為1500r/min；泵額定排量為100mL/r；活塞桿直徑為100mm；油缸設計行程為500mm；單向節(jié)流閥開口直徑為2mm；油缸負載重量為2000kg；安全壓力為15MPa。

支護系統(tǒng)液壓原理如圖3所示，主體采用串聯回路將液壓缸連接，回路中各液壓缸按先后順序依次供油。泵為整個系統(tǒng)提供動力源；換向閥控制兩支油路，兩支油路分別通過壓力值不同的兩個溢流閥形成高壓油路和低壓油路；在系統(tǒng)壓力較低時，外控式單向節(jié)流閥組打開，液壓缸和(分別控制工作平臺的前后和上下運動)的活塞桿可以相對地快速運動；在系統(tǒng)壓力較高時，說明平臺有負載，外控式單向節(jié)流閥組關閉，液壓缸和的活塞桿運動較慢，有利于保證工作安全性；油路中單向節(jié)流閥主要控制油缸活塞的運動速度，分流閥控制液壓缸組的同步性，保持工作平臺處于水平狀態(tài)。不難得出，整個系統(tǒng)的保壓性以及同步液壓缸的一致性是支護平臺穩(wěn)定工作的前提，為驗證系統(tǒng)的可行性進行如下仿真分析。

3 系統(tǒng)仿真與結果分析

3.1 AMESim模型建立及參數設置

AMESim軟件為用戶提供了一個時域建模仿真環(huán)境，可以完成多學科領域復雜系統(tǒng)的建模與仿真[8，9]。軟件模型庫豐富，根據實際工況及上文所述原理，按照液壓元件的實際結構建立單軌吊支護系統(tǒng)液壓原理模型如圖5所示。建模過程中，為節(jié)省計算時間將分流集流閥以及其他影響較小的管路簡化，其余元件采用HCD(Hydraulic component design)、Mechanical和Hydraulic庫中模塊進行搭建。

圖5 液壓系統(tǒng)AMESim模型

工作時，設定油液進入閥時的壓力為P0，流量為Q0；進入閥后分兩路通過兩個面積相等的固定節(jié)流孔1、2，分別進入減壓閥芯環(huán)形槽a和b，然后由兩減壓閥口(可變節(jié)流口)6、7經出油口I和Ⅱ通往兩個油缸；兩油缸的負載流量分別為Q1、Q2，負載壓力分別為P1、P2。在實際工況中，如果兩油缸的負載相等，則分流閥的出口壓力P1=P2，因為閥中兩支流道的尺寸完全對稱，所以輸出流量亦對稱，Q1=Q2=Q0/2，且P3=P4；如果兩油缸負載不一致而出現P1≠P2，且設P1>P2，則Q1必定小于Q2，導致固定節(jié)流孔1、2的壓差ΔP1<ΔP2，P3>P4，此壓差使閥芯在不對稱液壓力的作用下向左移動，使可變節(jié)流口7增大，節(jié)流口6減小，從而使Q1增大，Q2減小，直到Q1與Q2再次相等為止，閥芯才在一個新的平衡位置上穩(wěn)定下來。因為兩油缸尺寸一致，又流量相等，故兩油缸運行速度相同。

3.2 仿真結果分析

1)液壓缸無桿腔壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，在啟動電機，將換向閥閥芯移至左端后，各液壓缸無桿腔壓力開始增大。從起始時刻至4.0s時間段內，壓力值大幅度增加，活塞桿位移迅速增加，在壓力值達到一定值(大約為6.9MPa)后，壓力值增加幅度開始減??；至12.0s時刻，壓力值開始穩(wěn)定。模擬曲線相對光滑，幅度增加平穩(wěn)，在壓力值穩(wěn)定后，沒有出現較大的波動。

根據設計要求的結構參數利用Solidworks建立支護機構的三維立體模型如圖2所示。整個機構通過連接架與單軌吊機身連接，通過控制動力單元，將支護機構送達作業(yè)點或其他位置。作業(yè)平臺在到達預期位置后，頂架油缸伸長，防護頂架升起，工人和設備置于作業(yè)平臺，通過油缸和調整空間高度和前后距離，支撐腿在油缸的作用下伸長，穩(wěn)定于巷道底部地面。在作業(yè)完畢或者需要移動平臺位置時，支腿油缸收縮，支撐腿收起，平臺高度下降，工人離開平臺或者移動平臺位置。

圖6 液壓缸無桿腔壓力曲線

2)活塞桿位移曲線如圖7所示。從曲線整體走向趨勢來看與圖5保持一致，這從側面驗證了仿真模型的正確性。同時，從圖中信息可知，在系統(tǒng)開始運行的前1.0s時間段內，活塞桿位移為零，之后位移開始迅速增加，同樣在4.0s時刻，位移達到一定值，增幅開始減小，在18.0s時刻，位移達到最大值0.40m；活塞桿的位移變化直接決定支護平臺的動作過程，圖示曲線過渡平滑，未出現凸點、斷裂等現象，說明液壓系統(tǒng)模型可行。

科學素養(yǎng)，國際上普遍將科學素養(yǎng)概括為三個組成部分，即了解科學知識；了解科學的研究過程和方法；了解科學技術對社會和個人所產生的影響。

圖7 活塞桿位移曲線

4 結 論

1)以單軌吊運行原理以及基本機身為基礎，弱化其運輸功能，設計支護作業(yè)平臺，以液壓系統(tǒng)作為傳動方式，開發(fā)單軌吊超前支護功能。

2)支護液壓系統(tǒng)主體采用串聯回路將液壓缸連接，回路中各液壓缸按先后順序依次供油；各液壓回路分支設計單向節(jié)流閥，分別控制活塞桿的運動速度，實現平臺的平穩(wěn)運行并保證回路保壓性能的可靠性；采用分流集流閥控制油缸的同步運動。

3)仿真結果顯示，在20.0s時間段內，壓力值增長以及位移變化曲線相對平滑；在運行前4.0s時間段內，支護平臺動作較快，在接近壓力最大值時，運行速度下降，這易于操作人員的井下操作。