綜采工作面液壓支架移架速度影響因素分析與參數(shù)優(yōu)選

池澤軍

（同煤浙能麻家梁煤業(yè)有限責(zé)任公司， 山西 朔州 036002）

引言

液壓支架作為煤炭自動化采掘過程中的重要設(shè)備，其工作性能好壞直接關(guān)系著煤炭開采效率，必須引起高度重視[1-3]。目前液壓支架工作過程中較為突出的問題是移架速度較慢，不能夠很好地適應(yīng)采煤機的掘進(jìn)速度，嚴(yán)重制約了綜采工作面的作業(yè)效率[4-6]。因此基于某型號液壓支架，通過分析液壓支架移架影響因素，對優(yōu)化移架參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 液壓支架移架速度影響因素分析

液壓支架移架速度影響因素分析方法包括以下三種：第一是理論計算法，基于液壓支架的承載情況，運用液壓傳動理論，完成液壓系統(tǒng)工作控制模型的計算，進(jìn)而分析得出液壓系統(tǒng)控制參數(shù)變化對液壓支架移架速度的影響；第二是試驗方法，通過搭建液壓支架試驗系統(tǒng)，設(shè)計不同試驗方案，開展大量的試驗工作，通過試驗結(jié)果觀察液壓系統(tǒng)控制參數(shù)變化對液壓支架移架速度的影響；第三是仿真分析，借助先進(jìn)的仿真計算軟件，建立液壓支架及其液壓系統(tǒng)模型，通過設(shè)置不同的液壓系統(tǒng)控制參數(shù)得出不同的計算結(jié)果，進(jìn)而得出該控制參數(shù)變化對液壓支架移架速度的影響。對比上述三種方法可知，理論計算法需要投入大量的人力，計算周期長；試驗法需要投入大量的人力、物力，試驗條件要求較高；仿真分析方法具有計算效率高、結(jié)果較準(zhǔn)確、不需搭建試驗系統(tǒng)，具有較多的技術(shù)優(yōu)勢，因此選擇仿真計算方法。

1.1 仿真模型的建立

基于某型號液壓支架的工作原理，選擇AMESim16.0 仿真分析軟件，開展液壓支架移架速度影響因素的分析。運用軟件自帶HCD 庫和機械庫，選取液壓支架子模型，以便搭建液壓支架仿真分析模型。液壓支架的立柱用液壓缸模擬；一級和二級立柱之間的伸出和縮回運動采用質(zhì)量塊模擬；立柱支撐頂板的受力情況采用位移傳感器和信號轉(zhuǎn)換模塊配合模擬；主進(jìn)液壓油管路與主回液壓油管路采用三進(jìn)-三回的模式，高壓油的受阻情況通過設(shè)置液壓軟管和接頭的方式進(jìn)行模擬；泵站系統(tǒng)設(shè)置兩臺高壓泵，立柱和底座之間的剛性接觸使用彈簧阻尼器近似模擬。

1.2 模擬參數(shù)設(shè)置

依據(jù)某型號液壓支架的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用情況，進(jìn)行仿真模型參數(shù)的設(shè)置。具體參數(shù)設(shè)置如下：模型涉及兩組立柱一級容腔，其中一個活塞直徑為Φ330 mm，另一個活塞直徑Φ320 mm，模型涉及兩組立柱二級容腔，其中一個活塞直徑Φ240 mm，另一個活塞直徑為Φ240 mm，質(zhì)量塊的質(zhì)量分別設(shè)置為M1=500 kg，M2=800 kg；彈簧阻尼器的位移間隙設(shè)置為0.01 mm，彈簧的剛度設(shè)置為1 012 N/m；主進(jìn)液壓油管路與主回液壓油管路的長度設(shè)置為220 m；工作面的長度設(shè)置為260 m；不同液壓支架的中心距設(shè)置為1.5 m；工作面設(shè)置的液壓支架總數(shù)為185 個；泵站系統(tǒng)的排量為500 mL/r，轉(zhuǎn)速設(shè)置為1 000 r/min，卸荷閥開啟壓力為32 MPa；伸縮缸與管路接口的直徑設(shè)置為15 mm；單向閥主閥閥芯的直徑為Φ18 mm。

1.3 仿真結(jié)果分析

1.3.1 泵站流量對移架速度的影響

設(shè)置泵站的流量為 350 L/min、500 L/min、650 L/min 進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如下頁圖1 所示。由圖1可以看出液壓支架升柱時，泵站流量越大，立柱升高速度越大，完成升柱的時間隨著泵站流量的增大呈現(xiàn)降低的趨勢，升柱時間各自為4.25 s、3.5 s、2.6 s；在立柱進(jìn)行降柱的過程中，隨著泵站流量的升高降柱速度變化不明顯，耗時基本一樣。

1.3.2 伸縮缸運動位移對移架速度的影響

設(shè)置液壓支架伸縮缸的升降位移為600 mm、1 000 mm、1 400 mm 進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖2 所示，可以看出液壓支架升降位移的增大，均會增加升降柱的時間，降低液壓支架的移架速度。由此可見在滿足液壓支架移架所需升降位移的前提下，立柱的升降位移越小越好，能夠有效提高液壓支架的移架速度。

圖1 泵站流量對移架速度的影響

圖2 升降位移對移架速度的影響

1.3.3 單向閥通流面積對移架速度的影響

設(shè)置單向閥主閥芯的直徑為 Φ14 mm、Φ18 mm、Φ22 mm 進(jìn)行仿真計算，主閥芯直徑的增大，必將增大液控單向閥的通流面積，進(jìn)而影響液壓支架的移架速度，計算結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可以看出單向閥主閥芯直徑的增大并未對立柱升起產(chǎn)生明顯的影響，但是對立柱降柱過程產(chǎn)生了較為明顯的影響。研究還發(fā)現(xiàn)單向閥主閥芯直徑的增大，立柱升降過程中的速度波動變小。

1.3.4 供液管徑對移架速度的影響

圖3 單向閥通流面積對移架速度的影響

液壓支架供液系統(tǒng)管路分為大腔側(cè)管路和小腔側(cè)管路，仿真過程中分別研究小腔側(cè)管徑不變，設(shè)置大腔側(cè)管徑分別為Φ14 mm、Φ18 mm 與Φ22 mm 進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖4 所示；之后研究大腔側(cè)管徑不變，設(shè)置小腔側(cè)管徑分別為Φ14 mm、Φ18 mm 與Φ22 mm 進(jìn)行仿真計算，結(jié)果如圖5 所示。由圖4 和圖5 可以看出，液壓支架升柱時，大腔側(cè)進(jìn)油小腔側(cè)出油情況下，大腔側(cè)管徑的改變比小腔側(cè)管徑的改變對液壓支架升速的影響大，原因可能是大腔側(cè)油液較多，壓力損失較大，因此可以通過在原有液壓系統(tǒng)中增大大腔側(cè)管徑以提高移架速度。

圖4 大腔側(cè)管徑對移架速度的影響

圖5 小腔側(cè)管徑對移架速度的影響

2 支架參數(shù)優(yōu)選

基于液壓支架各因素對移架速度影響的仿真計算結(jié)果，做出了以下參數(shù)優(yōu)選：考慮泵站流量對于立柱升降及系統(tǒng)工作效率影響，確定最佳的泵站流量為500 L/min；考慮液壓支架井下支護(hù)空間有限，一旦出現(xiàn)擦頂移架，將會增加移架阻力，需要較大的移架力，若移架力不足反而會增加移架時間，因此確定伸縮缸的升降位移為1 000 mm；單向閥通流面積的增加會降低油路的速度波動，但是過大的通流面積會導(dǎo)致閥芯動作不穩(wěn)定，為了達(dá)到單向閥快速平穩(wěn)動作，選擇主閥芯直徑為Φ22 mm；增加大腔側(cè)的管徑能夠提高液壓支架的移架速度，故而取進(jìn)回油管路直徑為Φ22 mm。

3 參數(shù)優(yōu)選后的支架應(yīng)用效果評價

為了驗證液壓支架基于AMESim16.0 軟件仿真計算的準(zhǔn)確性，調(diào)整了某型號液壓支架的工作參數(shù)，使其泵站流量為500 L/min、伸縮缸升降位移為1 000 mm、單向閥通流直徑為Φ22 mm、大腔側(cè)管徑為Φ22 mm，應(yīng)用過程中進(jìn)行了為期3 個月的跟蹤記錄。結(jié)果表明，液壓支架工作穩(wěn)定可靠，證明了仿真計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。統(tǒng)計結(jié)果顯示，相較于參數(shù)優(yōu)化之前，液壓支架移架速度提升22%，采煤設(shè)備利用率提高近10%，大大提高了煤炭企業(yè)的采煤效率，預(yù)計為企業(yè)產(chǎn)生直接經(jīng)濟效益近200 萬元/a，參數(shù)優(yōu)化效果顯著。