殷俊龍

（山西寧武大運(yùn)華盛莊旺煤業(yè)有限公司，山西 忻州 036700）

1 液壓支架支護(hù)的基本原理

在煤炭的綜合開采面通常由掘進(jìn)機(jī)、輸送機(jī)以及液壓支架組成，三者相互協(xié)調(diào)配合，完成煤炭的開采。掘進(jìn)機(jī)主要負(fù)責(zé)煤炭的掘進(jìn)與破碎，具有連續(xù)開采，高強(qiáng)度作業(yè)的能力，是煤炭開采的第一道工序。輸送機(jī)置于掘進(jìn)機(jī)內(nèi)部，可直接將掘進(jìn)機(jī)截割下來(lái)的煤炭通過(guò)皮帶源源不斷地向井外輸送。液壓支架在煤炭開采中主要負(fù)責(zé)對(duì)巷道的支護(hù)，為人員與設(shè)備提供良好安全的作業(yè)環(huán)境[2]。

以平陽(yáng)重工ZY12000型大采高液壓支架為研究對(duì)象，見圖1。液壓支架主要包括頂梁、立柱、掩護(hù)梁、底座等結(jié)構(gòu)，液壓支架的結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，為了分析液壓支架的受力特征，可以對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，研究液壓支架不同走行速度對(duì)穩(wěn)定性的影響。液壓支架架體與液壓控制系統(tǒng)共同組成了液壓支架系統(tǒng)，液壓支架的動(dòng)作是通過(guò)控制不同的液壓油缸的行程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架動(dòng)作的控制[3]。

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

2 液壓支架系統(tǒng)的建模方法

為了研究液壓支架的動(dòng)態(tài)特性，需對(duì)其移動(dòng)特性進(jìn)行分析，一般采用傳遞函數(shù)、信號(hào)流圖、功率鍵合圖等方法來(lái)研究，不同的研究方法具有不同的特點(diǎn)，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行分析。已知，傳遞函數(shù)法一般基于古典控制理論，比較適用于較為簡(jiǎn)單的單輸入、單輸出的系統(tǒng)；信號(hào)流圖分析方法可解決多點(diǎn)輸入與輸出的設(shè)計(jì)，但圖像信號(hào)的處理過(guò)程比較復(fù)雜，沒有比較成熟的仿真分析工具可使用。而功率鍵合圖方法主要針對(duì)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，具有比較成熟的仿真軟件。

基于對(duì)液壓支架實(shí)際動(dòng)作過(guò)程的研究與受力分析，建立液壓支架移動(dòng)的數(shù)學(xué)模型，并基于現(xiàn)有的仿真軟件對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行分析，現(xiàn)有的AMESim是法國(guó)Imagine公司基于鍵合功率圖開發(fā)的軟件，該軟件功能強(qiáng)大。軟件內(nèi)部包含比較豐富的庫(kù)，包括液壓元器件、機(jī)械彈簧、阻尼等，基本模塊的組合，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜模型的建模分析。

結(jié)合對(duì)液壓支架移架運(yùn)動(dòng)的分析與液壓支架的運(yùn)動(dòng)模型分析計(jì)算，利用AMESim軟件對(duì)液壓支架的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行模擬分析，利用該軟件可以清晰明了分析整機(jī)系統(tǒng)各部件的關(guān)系，系統(tǒng)之間的功率傳遞效率，對(duì)研究液壓支架移動(dòng)過(guò)程具有重要意義。由分析得到液壓支架功率傳遞關(guān)系以及分析結(jié)果，由于篇幅所限，在此不再一一列舉[4]。

3 液壓支架運(yùn)動(dòng)模型的建立

3.1 液壓支架運(yùn)動(dòng)特性

ZY12000型大采高液壓支架的運(yùn)動(dòng)幾何模型，見下頁(yè)圖2。根據(jù)液壓支架的工程設(shè)計(jì)圖紙，可以確定其各部件的尺寸關(guān)系，其中頂梁長(zhǎng)度L為4 850 mm。前端的搖桿支撐長(zhǎng)度為L(zhǎng)1為2 670 mm，后側(cè)支撐搖桿的長(zhǎng)度L2為2 560 mm，掩護(hù)梁前后鉸支點(diǎn)之間的中心矩L3為680 mm，前搖桿與掩護(hù)梁所形成的鉸接點(diǎn)與掩護(hù)梁與頂梁所形成的鉸接點(diǎn)之間中心距L4為3 820 mm，掩護(hù)梁上分別與后搖桿和頂梁所形成的鉸點(diǎn)間距離為3 760 mm[5]。

圖2 ZY12000液壓支架的運(yùn)動(dòng)幾何模型

對(duì)圖中所涉及的參數(shù)做簡(jiǎn)要說(shuō)明，其中α為前搖桿傾角；α1為掩護(hù)梁傾角；θ1為平衡千斤頂?shù)乃絻A角；θ2為后搖桿與水平傾角；液壓支架各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的傾角與距離對(duì)其運(yùn)動(dòng)特性的分析至關(guān)重要，因此需特別注意其模型的處理。

3.2 支架數(shù)學(xué)模型的建立

液壓支架的移動(dòng)驅(qū)動(dòng)動(dòng)力來(lái)源主要是液壓油缸、千斤頂?shù)?，頂梁能?shí)現(xiàn)的各種動(dòng)作均是通過(guò)控制液壓油缸的動(dòng)作來(lái)實(shí)現(xiàn)的，最終達(dá)到對(duì)液壓支架的整體控制目標(biāo)，尤其是調(diào)整液壓支架移動(dòng)。液壓支架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，以底座后端點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，根據(jù)各個(gè)節(jié)點(diǎn)的傾角與距離建立運(yùn)動(dòng)方程。

水平方向設(shè)為X軸，立柱的伸縮方向設(shè)定為Y軸，以前搖桿的水平傾角α和頂梁的水平傾角β作為分析液壓支架運(yùn)動(dòng)特性的自變量，構(gòu)建起液壓支架關(guān)于兩個(gè)傾角與各關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值之間的關(guān)系。如下所示為前搖桿與掩護(hù)梁之間的鉸點(diǎn)的坐標(biāo)關(guān)系可以表示為[6]：

式中：L1為前搖桿長(zhǎng)度；Lx、Ly分別為前搖桿與底座的鉸接點(diǎn)橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)；α為前搖桿傾角。建立坐標(biāo)系，并根據(jù)起傾角建立各個(gè)點(diǎn)的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)液壓支架移動(dòng)特征的量化分析，其中的中間變量表達(dá)式為：

4 液壓支架移動(dòng)特性的分析

4.1 VC++6.0的求解過(guò)程

根據(jù)液壓支架的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型，可以得到液壓支架在不同傾角下運(yùn)動(dòng)情況，根據(jù)第3節(jié)中建立的數(shù)學(xué)模型，如果在已知液壓支架的頂梁傾角和支架前搖桿傾角的基礎(chǔ)上，理論上可以計(jì)算出液壓支架各關(guān)鍵點(diǎn)的位置情況，結(jié)合液壓支架姿態(tài)仿真分析結(jié)果，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架運(yùn)動(dòng)特性的分析與判定，有助于提高液壓支架姿態(tài)的控制能力。

液壓支架的頂梁傾角和前搖桿傾角可以通過(guò)角度傳感器進(jìn)行測(cè)量，而數(shù)學(xué)模型的計(jì)算可以基于計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)，所以采用VC++實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)分析可視化操作程序。在編程過(guò)程中，液壓支架的傾角等輸入輸出的可視化操作，作為程序的一個(gè)重要組成部分，基于VC++進(jìn)行液壓支架參數(shù)化界面設(shè)計(jì)，Visual C++6.0設(shè)計(jì)的具體思路及程序流程如圖3所示。

圖3 VC++設(shè)計(jì)的程序流程

4.2 可視化界面的設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)分析系統(tǒng)的可視化操作，首先需要在VC++界面中創(chuàng)建一個(gè)程序框架，將各個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算公式編程封裝作為可視化操作程序的子程序，其次將各個(gè)區(qū)塊的功能進(jìn)行有效連接。由此構(gòu)成可視化操作程序，即可根據(jù)不同的輸入計(jì)算液壓支架的姿態(tài)，見圖4。

圖4 初始狀態(tài)下可視化界面

輸入傾角參數(shù)經(jīng)軟件的分析計(jì)算，確定相應(yīng)狀態(tài)下液壓油缸的運(yùn)動(dòng)位移量，由此可以計(jì)算出液壓系統(tǒng)平衡油缸液壓系統(tǒng)所需的流量，從而確定需要操作的液壓油缸操縱閥開啟的時(shí)間，繼而完成對(duì)液壓支架姿態(tài)的控制，可以有效地提高液壓支架的移動(dòng)速率。

5 結(jié)論

1）基于解析分析列出液壓支架運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)的表達(dá)式。

2）在完成液壓支架的數(shù)學(xué)模型建模的基礎(chǔ)上，基于VC++語(yǔ)言將數(shù)學(xué)算法程序化程序，從而實(shí)現(xiàn)液壓支架姿態(tài)分析的可視化操作，解決了液壓支架移架過(guò)程中相關(guān)參數(shù)數(shù)值的計(jì)算等問(wèn)題，通過(guò)輸入與輸出快速化計(jì)算得到液壓支架液壓平衡油缸的動(dòng)作參數(shù)，為液壓支架的移動(dòng)提供理論參考。