兩柱掩護(hù)式液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)研究

文治國(guó)，侯 剛，王彪謀，任懷偉，趙國(guó)瑞

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

由于液壓支架應(yīng)用在煤礦井下，工作環(huán)境惡劣，為適應(yīng)工作面采場(chǎng)圍巖及煤層的變化，支架姿態(tài)經(jīng)常發(fā)生變化，如果姿態(tài)異常將會(huì)導(dǎo)致支架整體失穩(wěn)甚至造成關(guān)鍵零部件損壞。尤其在工作面推進(jìn)距離達(dá)到周期來(lái)壓步距或產(chǎn)生沖擊地壓等災(zāi)害事故時(shí)，頂板下沉量及下沉速度會(huì)成倍增加，支架姿態(tài)的合理變化就顯得尤為重要［1－3］。因此，本文基于工作面實(shí)際工況，以ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護(hù)式支架為例，對(duì)兩柱掩護(hù)式液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研究。

1 液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法的提出

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓支架姿態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，需要在支架相關(guān)部件上安裝傳感器?？紤]到安裝的方便及易維護(hù)性，以三傾角傳感器作為數(shù)據(jù)來(lái)源進(jìn)行分析計(jì)算。其中在頂梁和底座各布置1臺(tái)傾角傳感器，而另外1臺(tái)傳感器雖經(jīng)理論分析布置在掩護(hù)梁、前連桿、后連桿均可，但考慮到傾角傳感器測(cè)量角度大于60°后精度會(huì)顯著下降，而ZY6800/11.5/24D型支架前連桿角度在15～48°之間變化，因此將第3臺(tái)傾角傳感器布置在前連桿上，并由此確立了以頂梁、底座、前連桿角度為自變量的支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)方法。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)創(chuàng)建模型，對(duì)姿態(tài)算法進(jìn)行推導(dǎo)。

1.1 姿態(tài)數(shù)學(xué)模型建立

建立如圖1所示的支架二維桿系模型，不考慮銷軸間隙影響。

圖1 支架二維桿系模型

圖1中，L1～L5分別為頂梁、掩護(hù)梁、前連桿、后連桿及底座的長(zhǎng)度;L6～L9是立柱的定位尺寸;L10～L13是平衡千斤頂?shù)亩ㄎ怀叽?H為支架的支撐高度;X，Y分別為立柱和平衡千斤頂工作時(shí)的長(zhǎng)度;α，β，γ分別為頂梁、前連桿、底座與水平面夾角 (由3個(gè)傾角傳感器實(shí)時(shí)測(cè)得)，其他參量如圖1所示。

1.2 姿態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式求解

為提出支架姿態(tài)數(shù)學(xué)表達(dá)式，根據(jù)圖1所示支架桿系模型，建立以O(shè)為原點(diǎn)，豎直向上為+Y，水平向左為+X的平面坐標(biāo)系，A～K代表支架不同結(jié)構(gòu)件間的連接鉸點(diǎn)，XA～XK，YA～YK為不同鉸點(diǎn)在該坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值，以α，β，γ為自變量可直接建立的鉸點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算公式為:

利用上述鉸點(diǎn)坐標(biāo)公式建立支架姿態(tài)的參數(shù)式方程并進(jìn)行求解，可得出支架在縱向平面內(nèi)任意時(shí)刻的姿態(tài)參數(shù)，根據(jù)兩點(diǎn)間的距離公式，支架支撐高度H、立柱工作長(zhǎng)度X、平衡千斤頂工作長(zhǎng)度Y可分別表示如下:

2 液壓支架虛擬樣機(jī)的建立

選用 SolidWorks軟件建立 ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護(hù)式液壓支架虛擬樣機(jī)，并對(duì)整架進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。

液壓支架結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此建模時(shí)在不影響支架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的前提下忽略次要因素，簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，提高建模速度。其基本建模假設(shè)原則如下:

(1)不改變液壓支架部件軸心的距離和位置。

(2)不改變主要部件和零件的尺寸。

(3)簡(jiǎn)化次要零件受力小的部分，如豎筋板、橫筋板與頂 (或底)蓋板交結(jié)部以外的頂 (或底)蓋板部分。

(4)忽略樣機(jī)的次要零件對(duì)整架主要結(jié)構(gòu)件的受力狀況產(chǎn)生的影響［2－5］。

基于上述原則，按照所選ZY6800/11.5/24D型兩柱掩護(hù)式液壓支架零部件二維尺寸圖，在SolidWorks環(huán)境中建立支架零部件三維幾何模型并進(jìn)行裝配。操作中按照各部件間相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系，使配合定位準(zhǔn)確，并利用SolidWorks的干涉檢查評(píng)估體系對(duì)支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)干涉檢查［3］，經(jīng)過(guò)多次修改和優(yōu)化，得到如圖2所示虛擬樣機(jī)模型。

圖2 虛擬樣機(jī)模型

3 液壓支架運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

采用SolidWorks軟件的Motion插件，對(duì)已建立好的虛擬樣機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真。為便于分析，首先做如下假定:

(1)不考慮各連接處的間隙。

(2)銷軸端面與所連接的構(gòu)件表面平行且距離值恒定，即約束了銷軸在X和Y平面的自由轉(zhuǎn)動(dòng)及Z平面的移動(dòng)。

(3)立柱和千斤頂?shù)幕钊麠U與其所配合的油缸同軸心，即不考慮偏斜情況的存在。

(4)機(jī)構(gòu)的主動(dòng)力源作用于立柱，將活柱和內(nèi)缸體作為運(yùn)動(dòng)件來(lái)考慮，二者沿軸線方向運(yùn)動(dòng)，其行程即為運(yùn)行位移［4－8］。

基于上述假定，在SolidWorks/Motion環(huán)境中，設(shè)定各仿真參數(shù)，仿真結(jié)果以excel文件存儲(chǔ)，對(duì)不同數(shù)據(jù)量化處理，進(jìn)行二次分析，結(jié)果如下:

(1)當(dāng)平衡千斤頂伸長(zhǎng)量為零，底座水平時(shí)，立柱伸長(zhǎng)量由零升至最大過(guò)程中，頂梁在不同高度允許最大俯角值如圖3所示。

分析圖3曲線可知，支架立柱伸長(zhǎng)量為最大時(shí)，頂梁允許最大俯角值約為5°，當(dāng)大于5°時(shí)支架平衡千斤頂將發(fā)生干涉，行程為負(fù)值，并可能造成連接件 (如銷孔、銷軸)的斷裂或平衡千斤頂結(jié)構(gòu)件的永久損壞。因此，在檢測(cè)到支架頂梁俯角接近5°時(shí)，需對(duì)平衡千斤頂活塞腔及時(shí)補(bǔ)壓，即進(jìn)行推平衡千斤頂操作，并同時(shí)適當(dāng)降柱，調(diào)整姿態(tài)，避免支架損壞。而在使用過(guò)程中，支架實(shí)際支撐高度小于最大支撐高度，因此選取圖中相應(yīng)高度所對(duì)應(yīng)的最大俯角值 (此時(shí)大于5°)作為支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)整的新判據(jù)，并以圖5所示相同立柱伸長(zhǎng)量時(shí)對(duì)應(yīng)支架高度為理想調(diào)整狀態(tài)對(duì)支架進(jìn)行合理調(diào)控。

圖3 頂梁最大俯角

(2)當(dāng)平衡千斤頂伸長(zhǎng)量為全部行程，底座水平時(shí)，立柱伸長(zhǎng)量由零升至最大過(guò)程中，頂梁在不同高度允許最大仰角值如圖4所示。

圖4 頂梁最大仰角

由圖4可知，支架立柱伸長(zhǎng)量為零時(shí)，頂梁允許最大仰角值約為8°，當(dāng)大于8°時(shí)，支架平衡千斤頂行程全部用完，并產(chǎn)生干涉，造成平衡千斤頂或支架的永久性損壞。當(dāng)檢測(cè)到支架頂梁仰角接近8°時(shí)，需對(duì)平衡千斤頂活塞桿腔及時(shí)補(bǔ)壓，即進(jìn)行拉平衡千斤頂操作，調(diào)整姿態(tài)，避免支架損壞。在使用中，根據(jù)支架實(shí)際支撐高度，選取圖中相應(yīng)高度對(duì)應(yīng)的最大仰角值 (此時(shí)大于5°)作為支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)調(diào)整的新判據(jù)，并以圖5曲線為目標(biāo)對(duì)支架進(jìn)行調(diào)控。

圖5 支架高度與立柱長(zhǎng)度關(guān)系曲線

4 姿態(tài)算法校驗(yàn)

假設(shè)支架頂梁與底座水平，并勻速上升，利用SolidWorks/Motion仿真插件繪制支架高度隨立柱長(zhǎng)度變化的關(guān)系曲線，如圖5系列1所示。同時(shí)，利用VS2008將支架姿態(tài)算法編寫(xiě)為C++程序，通過(guò)編譯運(yùn)行，得到β由16°到48°并以2°遞增時(shí)，支架高度與立柱長(zhǎng)度變化量的17組對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)，并擬合為曲線，如圖5系列2所示。

由圖5可知，姿態(tài)算法擬合曲線與虛擬樣機(jī)模擬曲線走勢(shì)基本相同，但有最大約為70mm的相對(duì)誤差，經(jīng)分析誤差由三方面造成:一是程序運(yùn)算中數(shù)據(jù)保留位不同;二是虛擬樣機(jī)的構(gòu)建存在一定誤差;三是算法中對(duì)高次方程的求解不夠準(zhǔn)確。但從總體趨勢(shì)來(lái)看，姿態(tài)算法基本正確，可作為支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)的理論基礎(chǔ)。

5 結(jié)論

給出了兩柱掩護(hù)式液壓支架二維桿系模型，推導(dǎo)出了該型支架的姿態(tài)算法，并采用SolidWorks軟件對(duì)支架進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)仿真，驗(yàn)證了支架姿態(tài)算法的正確性，結(jié)果表明，該算法可以用于液壓支架姿態(tài)監(jiān)測(cè)。

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