基于磁流變緩沖的液壓支架抗沖擊技術(shù)研究

王成龍，苗根遠，劉延璽，曾慶良

(山東科技大學 機械電子工程學院，山東 青島 266590)

引言

隨著地下淺層煤炭資源日益枯竭，煤礦生產(chǎn)向著大采掘深度發(fā)展是必然趨勢。與淺部煤層相比深部煤層的地質(zhì)力學環(huán)境更加復雜，以巖爆、沖擊地壓為代表的深部開采誘發(fā)的災害事故更具突發(fā)性[1]，沖擊地壓現(xiàn)象不僅嚴重影響煤礦的正常生產(chǎn)，而且造成了巨大的經(jīng)濟損失甚至造成人員傷亡。為應(yīng)對井下沖擊地壓問題，目前煤礦液壓支架大都采用加裝大流量安全閥的卸壓措施。但是許多研究人員通過研究發(fā)現(xiàn)，立柱支護液壓下腔封閉系統(tǒng)由于液壓彈簧剛度和活塞桿質(zhì)量均較高，使得其阻尼系數(shù)偏低，在受沖擊負載時表現(xiàn)為高頻振蕩，振動周期遠遠快于安全閥的開啟特性[2]；另一方面沖擊地壓發(fā)生過程在幾秒到幾十秒之間，溢流閥的動態(tài)響應(yīng)時間不夠，遠距離保護元件管路等流體阻力損失，造成沖擊地壓發(fā)生時，溢流閥來不及打開[3]，使得大流量安全閥的動態(tài)響應(yīng)速度跟不上沖擊載荷造成的立柱增阻速度[4]，沖擊能量只能通過液壓支架的形變得到釋放，從而使液壓支架發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞變形失穩(wěn)，造成煤礦安全事故。針對以上問題，許多技術(shù)人員在對沖擊地壓機理進行分析的基礎(chǔ)上，對沖擊地壓緩沖技術(shù)進行了研究。

唐治等[5]對傳統(tǒng)液壓支架沖擊地壓后發(fā)生失穩(wěn)進行了分析，設(shè)計了一種自移式吸能防沖巷道超前支架。其特點是在柱頭和立柱處安裝了吸能放沖構(gòu)件，通過該部件的變形吸收沖擊地壓釋放的能量同時起到讓壓的作用。

呂祥鋒等[6]、潘一山等[7]研究了不同支護條件下巷道沖擊破壞規(guī)律得到了支護巷道沖擊破壞的應(yīng)力判據(jù)和能量條件，研究了剛?cè)狁詈衔苤ёo的耦合關(guān)系，設(shè)計了一種以多孔金屬材料為吸能裝置的剛-柔耦合吸能防沖支護裝置。

何滿潮等[8]基于負泊松比材料的特殊力學特性，結(jié)合井下巷道沖擊大變形控制的需求，研發(fā)了一種具有負泊松比效應(yīng)的新型高恒阻大變形錨索。其主要原理是將負泊松效應(yīng)材料應(yīng)用于錨索的恒阻體中，在沖擊地壓發(fā)生時通過恒阻體的變形吸收沖擊地壓釋放的能量。

王路[9]對沖擊地壓的發(fā)生機理和沖擊地壓巷道圍巖變形特征進行了研究，設(shè)計了一種錨桿(索)-泡沫鋁聯(lián)合支護方法，并對其變形特征、力學特征和吸能特征進行了研究。

劉軍等[10]基于深部礦井巷道圍巖變形破壞特性，提出了一種剛?cè)嵋惑w化吸能支護方法，由錨網(wǎng)索支護、吸能材料、U形鋼組成的O形棚和剛性支架組成，可以使深部沖擊地壓礦井巷道圍巖由二向應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)，提高巷道圍巖的強度和抗變形能力。

以上研究大都是將吸能緩沖材料應(yīng)用于煤礦巷道支護裝備中來提高設(shè)備的抗沖擊能力。但是受到采掘工作的影響，工作面沖擊地壓與巷道沖擊地壓相比在發(fā)生時間和烈度上都更具有不確定性。由于吸能構(gòu)件受材料力學特性的限制，難以根據(jù)不同沖擊地壓工況實現(xiàn)緩沖力的自動調(diào)節(jié)，因而使用工況有所限制。針對此問題，提出一種以磁流變緩沖技術(shù)為基礎(chǔ)的液壓支架沖擊緩沖方案，并利用仿真軟件對其進行了仿真分析。

1 抗沖擊支架沖擊模型建立

為了研究沖擊載荷作用下液壓支架的力傳遞情況，從而分析緩沖元件在工作時的受力狀態(tài)，建立了如圖1所示的抗沖擊液壓支架二自由度簡化力學模型。

圖1 抗沖擊液壓支架力學模型

考慮在沖擊地壓發(fā)生時，巨大的沖擊力會使液壓支架和緩沖元件產(chǎn)生一定的彈性形變，故將頂梁、立柱和緩沖元件考慮為彈性體。圖1中x0為工作面頂板下沉位移；x1為液壓支架頂梁位移；x2為緩沖元件位移，K1為液壓支架頂梁彈性系數(shù)；K2為緩沖元件彈性系數(shù)；K3為液壓支架立柱彈性系數(shù)，M1為液壓支架頂梁質(zhì)量；M2為緩沖元件質(zhì)量，C2為磁流變液黏度系數(shù)；C3為乳化液黏度系數(shù)。

按照牛頓第二定律得到液壓支架與緩沖元件的沖擊微分方程：

M1x″1-K2(x1-x2)+K1(x0-x1)-U(I)=0

(1)

(2)

基于Bingham磁流變液力學模型，得到磁流變緩沖元件的輸出阻尼力公式：

U(I)=C2x′+fc(I)sgnx′

(3)

X=(x1,x′1,x2,x′2)T

Y=(x″2,x2-x1,x0-x1,x2)T

可以得到相應(yīng)的狀態(tài)方程為：

(4)

Y=DX+EU(I)+Gu(t)

(5)

其中u(t)為系統(tǒng)的輸入變量。

將u(t)，X，Y帶入式(4)和式(5)并與式(1)和式(2)聯(lián)立得：

2 抗沖擊支架緩沖元件設(shè)計

抗沖擊支架與傳統(tǒng)液壓支架的不同在于，抗沖擊支架在立柱與支架頂梁之間設(shè)置磁流變緩沖元件。緩沖元件由磁流變緩沖器和控制部分組成，可針對不同工況下使用的液壓支架調(diào)整控制系統(tǒng)參數(shù)，使之與支架工作阻力相匹配，從而保證液壓支架在沖擊過程中受力始終保持在合理范圍內(nèi)。

本研究以現(xiàn)有液壓支架ZY3800/15/30參數(shù)作為緩沖元件設(shè)計依據(jù)，該型號液壓支架為兩柱掩護式液壓支架，工作阻力為3800 kN。主要參數(shù)如表1所示。

表1 ZY3800/15/30型液壓支架參數(shù)表 mm

設(shè)計的緩沖元件的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要有上下2個液壓缸和中部的阻尼體組成。為了滿足煤礦電氣設(shè)備防爆要求，在阻尼體處設(shè)計了隔爆外殼來完成對勵磁線圈的隔爆處理。阻尼體上開有阻尼孔并在外部纏繞線圈，線圈在控制系統(tǒng)的控制下產(chǎn)生不同強度的磁場從而使緩沖元件輸出不同阻尼力。

1.活柱 2.上部油缸 3.隔爆外殼 4.下部油缸5.壓力傳感器 6.控制器 7.阻尼體圖2 磁流變緩沖元件結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)支架抗沖擊的需求，本研究將最大沖擊力載荷設(shè)定為其工作阻力的3倍，磁流變阻尼器最大阻尼力可達500 kN[11]。該型液壓支架為兩柱式支架，每根立柱所受最大沖擊載荷為5700 kN，設(shè)計每根立柱安裝12個緩沖元件，即每個緩沖元件需滿足最大阻尼力為475 kN，緩沖元件與液壓支架立柱組合方式如圖3所示。

1.立柱 2.緩沖元件組合體圖3 緩沖元件與立柱組合示意圖

控制系統(tǒng)主要由壓力傳感器、速度傳感器、控制器和電磁線圈構(gòu)成。通過在AMESim中對支架液壓系統(tǒng)建模仿真和相關(guān)文獻[12-13]可知，液壓支架在受到?jīng)_擊的過程中，一級缸的腔內(nèi)壓力要始終大于二級缸的腔內(nèi)壓力，所以將壓力傳感器布置于液壓支架立柱一級缸上，通過監(jiān)測立柱一級缸的腔內(nèi)壓力判斷液壓支架的受力情況?？刂破鞣謩e連接壓力傳感器和磁流變緩沖元件線圈。

首先采用多種工況控制策略進行了控制系統(tǒng)的設(shè)計，具體思路如下：在控制器中設(shè)置2個閾值，當壓力傳感器測得壓力小于正常工作壓力上限時，控制器輸出信號控制緩沖元件輸出阻尼保持在F1，保證液壓支架正常工作時緩沖元件不發(fā)生動作；當壓力傳感器測得壓力值大于正常工作壓力上限但小于耐壓極限時，控制器輸出信號控制緩沖元件輸出阻尼保持在F2，使得液壓支架在頂板來壓增大但還未超過其承載能力時，增大緩沖元件的輸出阻尼力，提高液壓支架的支撐力；壓力傳感器測得壓力值大于耐壓極限時，控制器輸出信號控制緩沖元件輸出阻尼F3，使得液壓支架在頂板壓力超過其最大支撐力時，及時減小緩沖元件輸出阻尼力起到緩沖讓壓的作用。

式中,F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3為緩沖元件的阻尼力根據(jù)液壓支架工況確定參數(shù)值，其中F2>F1>F3，p為壓力傳感器檢測值；p1，p2為控制器設(shè)定閾值根據(jù)液壓支架工況確定參數(shù)值，其中p1為正常工作壓力上限，p2耐壓極限。

3 抗沖擊支架聯(lián)合仿真及結(jié)果對比分析

1) 聯(lián)合仿真建模

采用AMESim和Simulink軟件分別對液壓支架液壓系統(tǒng)和緩沖元件控制系統(tǒng)進行建模仿真，通過對比未加裝緩沖元件的傳統(tǒng)液壓支架和加裝了緩沖元件的抗沖擊支架在沖擊過程中立柱受力情況驗證緩沖元件對液壓支架抗沖擊性能的影響。在AMESim中對包括液控單向閥、大流量安全閥和液壓支架立柱在內(nèi)的液壓支架液壓系統(tǒng)建模如圖4所示。

ZY3800/15/30型液壓支架為兩柱式液壓支架，為了方便建模加快仿真速度，建模時僅對其中1根立柱進行建模，其液壓部分建模如圖5所示。緩沖元件控制系統(tǒng)由接口模塊、控制模塊和磁流變液模塊組成如圖6所示。

控制模塊建模如圖7所示，主要作用是通過設(shè)定If-else模塊和Constant模塊參數(shù)，實現(xiàn)前文所述多種工況控制策略。

1.乳化液泵站及操縱閥 2.液控單向閥 3.大流量安全閥4.雙伸縮立柱 5.頂板負載圖4 液壓支架AMESim模型

1.緩沖元件模塊 2.緩沖元件控制系統(tǒng)圖5 抗沖擊液壓支架AMESim模型

1.AMESim-Simulink接口模塊 2.多種工況控制策略控制器3.磁流變液模塊圖6 緩沖元件控制系統(tǒng)Simulink建模

圖7 控制模塊Simulink建模

磁流變液模塊建模如圖8所示，主要作用為表征磁流變液外加電流與屈服極限關(guān)系和屈服極限與緩沖元件輸出阻尼力關(guān)系，以及磁流變緩沖元件響應(yīng)延遲時間。

圖8 磁流變液模塊Simulink建模

磁流變緩沖器的響應(yīng)時間由機械響應(yīng)時間、磁流變液響應(yīng)時間和電磁電路響應(yīng)時間3部分組成[14-15]，總響應(yīng)時間由于緩沖器的結(jié)構(gòu)不同，使用的磁流變液配比不同等因素的影響也不盡相同，文獻[16]測試得出Lord公司某型號磁流變液阻尼器在不同速度和電流下的響應(yīng)時間介于7.5～85 ms之間；文獻[17]研究得出響應(yīng)時間介于62～83 ms；文獻[18]研究得出響應(yīng)時間小于51 ms，由此本研究將緩沖元件響應(yīng)延時設(shè)為0.05 s。

外加載荷曲線如圖9所示分為升架階段、工作階段、沖擊階段和沖擊結(jié)束階段。在升架階段，由于支架與工作面頂板并未接觸所以此階段的壓力為0；在工作階段液壓支架頂梁與工作面頂板接觸開始承受頂板壓力，將此階段頂板正常來壓設(shè)定為1900 kN；將沖擊階段液壓支架承受工作面沖擊地壓載荷設(shè)定為5700 kN。

2) 聯(lián)合仿真結(jié)果及分析

如圖9～圖11所示為傳統(tǒng)液壓支架與抗沖擊支架在外加載荷F作用下支架立柱腔內(nèi)壓力p、 位移x

圖9 液壓支架外加載荷曲線

和大流量安全閥泄流流量q的對比圖。由圖10可以明顯看出，相較于傳統(tǒng)液壓支架，抗沖擊支架在受到?jīng)_擊載荷時立柱的腔內(nèi)壓力峰值由36.8 MPa降至36 MPa，在整個沖擊過程中平均壓力較傳統(tǒng)液壓支架更低，壓力響應(yīng)速度較傳統(tǒng)液壓支架更快且高壓持續(xù)時間更長。由圖11可以看出，抗沖擊支架在受沖擊時支架位移量有所增大且位移時間延長了0.1 s。由圖12可以看出，抗沖擊支架大流量安全閥泄流流量與傳統(tǒng)液壓支架相比有了明顯增加，大流量泄流時間也相應(yīng)延長了0.1 s。由此可以看出，加裝磁流變緩沖元件在改善液壓支架受力情況的同時有效延長了沖擊載荷作用的時間，增大了安全閥閥芯開口度和泄流流量，使液壓支架受沖擊時的位移速度有所降低，讓壓量增大。設(shè)計的控制策略通過設(shè)置閾值的方式使安全閥閥芯提前動作進行卸壓，間接實現(xiàn)了液壓支架工作壓力峰值的降低。

圖10 抗沖擊液壓支架與傳統(tǒng)液壓支架立柱腔內(nèi)壓力曲線對比圖

圖11 抗沖擊液壓支架與傳統(tǒng)液壓支架位移曲線對比圖

圖12 抗沖擊液壓支架與液壓支架傳統(tǒng)大流量安全閥泄流流量曲線對比圖

為了驗證不同控制策略對抗沖擊支架緩沖性能的影響，還設(shè)計了緩沖元件模糊PI控制系統(tǒng)并進行建模仿真(圖13、圖14所示為Simulink中模糊PI控制系統(tǒng)模型和其控制模塊模型)。

圖13 緩沖元件模糊PI控制系統(tǒng)Simulink建模

圖14 模糊PI控制模塊Simulink建模

在上述研究的基礎(chǔ)上，將模糊PI控制策略下抗沖擊支架立柱腔內(nèi)壓力仿真結(jié)果與傳統(tǒng)液壓支架和多種工況控制策略控制下的抗沖擊支架進行了對比分析，具體的曲線對比如圖15所示。從圖15中可以看出采用模糊PI控制策略時壓力峰值為36.4 MPa，該數(shù)值高于多種工況控制策略控制下的抗沖擊支架壓力峰值，但低于傳統(tǒng)液壓支架壓力峰值；在沖擊過程中的平均壓力要低于多種工況控制策略控制下的抗沖擊支架和傳統(tǒng)液壓支架，而在壓力響應(yīng)速度方面更快，高壓持續(xù)時間相比更長。

圖15 兩種控制策略下抗沖擊液壓支架與傳統(tǒng)液壓支架立柱腔內(nèi)壓力曲線對比圖

由此可以看出在兩種控制策略下的抗沖擊支架均可以使大流量安全閥提前動作，增大其泄流流量，在一定程度上減小立柱峰值壓力。

4 結(jié)論

通過仿真結(jié)果可以看出，加裝緩沖元件后液壓支架立柱腔內(nèi)壓力峰值和沖擊過程中的平均壓力均有所降低，大流量安全閥的泄流流量顯著增加，液壓支架的位移速度也相應(yīng)減小。由此可以說明安裝磁流變緩沖元件可以使大流量安全閥提前動作，延長沖擊作用在液壓支架上的時間，有效的提高其泄流能力，減小立柱所受沖擊力，提高液壓支架的抗沖擊性能。

下一步將對磁流變緩沖元件進行樣機制作和沖擊試驗，同時實現(xiàn)對不同的控制策略的進一步分析對比，通過試驗數(shù)據(jù)分析緩沖元件對液壓支架抗沖擊性能的影響并對緩沖元件及其控制系統(tǒng)進行改進優(yōu)化。