分布式供液模式下液壓支架快速推移控制技術(shù)研究

張德生，譚震，朱信龍，加保瑞，黃彥德，路興軍

1中煤科工開采研究院有限公司 北京 100013

2陜煤集團神木檸條塔礦業(yè)有限公司 陜西神木 719314

智 能化是支撐煤炭工業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的核心技術(shù)，采煤是智能化煤礦建設(shè)的核心環(huán)節(jié)[1]。采煤工作面的高效協(xié)同運行是智能化開采的目標(biāo)[2-3]，也是智能開采技術(shù)進一步發(fā)展的內(nèi)生動力。推移千斤頂連接液壓支架和刮板輸送機，起到推溜和拉架的功能，以保證和調(diào)節(jié)采煤機的截割路線，同時使液壓支架及時跟機以控制截割后形成的圍巖空間，是實現(xiàn)工作面“三機”協(xié)同的“紐帶”，其快速精準(zhǔn)動作是實現(xiàn)工作面安全高效智能開采的基礎(chǔ)。

當(dāng)前推移千斤頂工作過程存在兩大問題[4-7]：一是速度慢，采煤機快速截割狀態(tài)下無法快速跟機移架；二是執(zhí)行位置精度低，造成工作面不夠平直。由于控制液壓支架的電液閥為開關(guān)閥，快速和精準(zhǔn)之間的矛盾一直難以協(xié)調(diào)。針對上述問題，國內(nèi)外開展了相關(guān)大量研究工作。奧聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織開發(fā)了基于陀螺儀導(dǎo)向定位的自動化采煤方法 (Longwall Automation Steering Committee，LASC)，實現(xiàn)了位置的檢測，為推移千斤頂?shù)膱?zhí)行提供了指導(dǎo)[8]；JOY 等利用供液技術(shù)和電液控實現(xiàn)精準(zhǔn)執(zhí)行[9]；天瑪智控研發(fā)了大流量泵站和閥保證供液，以解決快速推移問題，并提出了雙速閥、直供閥等方案，來協(xié)調(diào)速度和精度之間的關(guān)系[10-11]；太原理工大學(xué)以適應(yīng)液壓支架動作的穩(wěn)壓供液原理為研究思路，根據(jù)多泵+變頻供液系統(tǒng)的流量調(diào)節(jié)特點，提出了供液與液壓支架協(xié)同動作控制邏輯[12-14]；中國礦業(yè)大學(xué)提出了液壓支架群多缸協(xié)同系統(tǒng)控制策略[15]。為保證高效推進，多采用成組推溜，帶來的突出問題是壓力波動大。上述研究主要從泵站供液端和控制端去提高速度與精度，但不涉及穩(wěn)壓機制研究與解決方案。

針對液壓支架推移的控制問題，筆者提出了一種分布式穩(wěn)壓供液系統(tǒng)模式，引入穩(wěn)壓源來保證控制精度和速度，建立推移千斤頂?shù)囊簤嚎刂苹芈纺Ｐ停治銎溆绊憴C制，為高效協(xié)同運行提供基礎(chǔ)支撐。

1 液壓支架供液方式及推移千斤頂控制原理

1.1 液壓支架供液方式

快速精準(zhǔn)地完成液壓支架“降-移-升”的工作循環(huán)，是高性能液壓支架的一個主要性能指標(biāo)。傳統(tǒng)供液方式為集中供液，泵站布置在順槽或固定硐室，提高移架速度主要靠增大泵站流量、增大供液壓力或設(shè)置蓄能器組站等來實現(xiàn)，受管路通徑的制約，供液流量難以進一步提高；提高泵壓后，高壓膠管爆管概率加大；泵站配套的蓄能器組站布置在順槽中，距液壓支架較遠(yuǎn)，在群組移架過程中會產(chǎn)生整體壓降，系統(tǒng)“剛度”降低，影響拉架-推溜速度。如何實現(xiàn)液壓支架快速平穩(wěn)供液，是供液系統(tǒng)亟需突破的問題。筆者采用一種分布式液壓支架快速供液系統(tǒng)，原理如圖 1 所示。通過在每個液壓支架上布置蓄能器來提高泵站系統(tǒng)的運行效率，一方面顯著減小蓄能器與執(zhí)行機構(gòu)之間的距離和液壓支架動作之間的相互影響；另一方面較集中式增加了總的供液容積。

圖1 分布式供液系統(tǒng)原理Fig.1 Principle of distributed liquid supply system

1.2 推移千斤頂控制原理

液壓支架推移系統(tǒng)如圖 2(a) 所示，推移千斤頂連接支架和推移桿，為提高拉架力，一般采用倒裝結(jié)構(gòu)。其液壓原理如圖 2(b) 所示，電磁先導(dǎo)閥控制主閥，通過液控單向閥向推移千斤頂供液，無桿腔進液，有桿腔回液，實現(xiàn)拉架動作；有桿腔進液，無桿腔回液，推動刮板輸送機前移；非工作狀態(tài)時，液控單向閥鎖住活塞桿，為鄰架提供拉架時的支撐點。拉架阻力主要受頂?shù)装迥Σ撂匦约白陨硖匦杂绊懀O(shè)計是否合理決定了系統(tǒng)效率[16]。一般通過圖 2(c) 千斤頂上的節(jié)流孔來控制速度，根據(jù)供液和阻力條件的變化，液壓支架推移系統(tǒng)有兩種工作狀態(tài)：系統(tǒng)阻力較小時全流量供液，此時速度主要受供液流量影響；當(dāng)負(fù)載阻力達(dá)到泵站設(shè)定壓力時，則無法通過增大乳化液泵站流量來提高移架速度，處于流量飽和狀態(tài)。因此，系統(tǒng)壓力要保證在平穩(wěn)高位，以保持設(shè)計速度。

圖2 推移系統(tǒng)工作原理Fig.2 Working principle of pushing system

以 ZY10000/22/45 型兩柱掩護式液壓支架為例進行分析，其主要參數(shù)如表 1 所列。

表1 液壓支架推移系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Tab.1 Main technical parameters of hydraulic support pushing system

供液系統(tǒng)、閥組及連接管路確定后，影響推移千斤頂速度主要因素是進、出口節(jié)流孔。因此需要根據(jù)速度要求，進行系統(tǒng)性能評價，確定改進方式，并判斷分布式供液系統(tǒng)的效果。

2 推移速度主要影響因素分析

2.1 液阻影響

液阻是個動態(tài)參數(shù)，除和結(jié)構(gòu)有關(guān)外，還受工作介質(zhì)性質(zhì)及流動形態(tài)影響。液壓支架采取固定節(jié)流孔實現(xiàn)液阻。節(jié)流孔在穩(wěn)態(tài)工況下起到產(chǎn)生壓降的作用，在動態(tài)工況下則起阻尼作用，所以節(jié)流孔又被稱作阻尼孔[17]。直徑d和長度l是固定節(jié)流孔的 2 個基本參數(shù)，當(dāng)長徑比在 0.5～4.0 之間時，稱為短孔；當(dāng)長徑比大于 4.0 時，稱為細(xì)長孔。常規(guī)計算中[18]，短孔流量計算公式和薄壁小孔類似，

式中：qS為短孔流量；Cd為流量系數(shù)；a0為小孔截面積；Δp為孔口壓差；ρ為液體密度。

對于細(xì)長孔，按照層流進行考慮，類似液體流經(jīng)圓管的流量公式進行計算，

式中：qL為細(xì)長孔流量；d為細(xì)長孔直徑；μ為液體黏度；l為細(xì)長孔長度。

小孔的流量公式可歸納為一個通用公式

式中：q為小孔的流量；C為由孔的形狀、尺寸和液體性質(zhì)決定的系數(shù)；m為由孔的長徑比決定的指數(shù)，0.5＜m＜1.0 小孔處于層流和紊流的過渡狀態(tài)。

式 (1)～(3) 主要針對液壓油介質(zhì)，對于水介質(zhì)而言，因黏度變化很大，流動更為復(fù)雜。以 40 ℃ 時為例，水的運動黏度為 0.661×10-6Pa·s，為相同溫度下 46 號液壓油的 1/70，且千斤頂實際阻尼由于結(jié)構(gòu)影響變化較大，因此精確計算需要對液阻進行試驗測定。

2.2 壓力流量波動特性

綜采工作面采煤機工作時，采煤機前方的液壓支架需要提前收回護幫板以避免碰撞，后側(cè)的液壓支架則根據(jù)采煤機的相對位置依次完成降架、移架及升架等動作。當(dāng)液壓支架完成移架動作后，通過支架上的推移液壓缸推動刮板輸送機向前跟進，然后液壓支架再伸出護幫板，確保對工作面圍巖可靠支護。

在拉架過程中，同時存在著收護幫板或推溜等動作，使得液壓支架供液系統(tǒng)壓力波動大，整體供液不足，因此需研究在不同供液壓力或流量下的液壓支架推移過程。

2.3 電磁閥啟閉特性

開啟時間即電磁先導(dǎo)閥從通電開始到閥芯完全打開響應(yīng)時間，直接反映在推移行程的準(zhǔn)確性上。電磁先導(dǎo)閥由電磁鐵和先導(dǎo)閥兩部分組成，電磁鐵主要起到驅(qū)動作用，根據(jù)是否得電來驅(qū)動先導(dǎo)閥實現(xiàn)開閉。先導(dǎo)閥芯驅(qū)動行程也不同，將閥芯開度增大可顯著提高其抗堵塞能力，但會造成啟閉時間增大。不同的電磁先導(dǎo)閥由于結(jié)構(gòu)原理相差較大[19]，因此開啟時間從幾毫秒到數(shù)十毫秒不等，對控制精度影響較大。

2.4 分析模型

利用AMESim 軟件建立 ZY10000/22/45 型液壓支架拉架過程的分析模型，如圖 3 所示。利用“HRORF0”模型模擬推移液壓缸的液阻特性；通過改變溢流閥壓力參數(shù)模擬不同壓力，設(shè)定泵站不同流量參數(shù)來模擬流量波動；電磁閥的開啟時間通過分段信號給定；在電液閥進液口之前設(shè)置 1 個單向閥，兩者之間安裝蓄能器，即分布式穩(wěn)壓供液裝置，容積為 36 L，充液壓力為 15 MPa；忽略拉架過程載荷變化[20]，以恒定負(fù)載來模擬。

圖3 移架過程分析模型Fig.3 Analytical model of hydraulic support movement process

3 不同條件下的推移過程分析

3.1 液阻對推移千斤頂影響

3.1.1 系統(tǒng)壓力-流量特性

ZY10000/22/45 型液壓支架的推移千斤頂無桿腔節(jié)流口直徑為 16 mm、有桿腔節(jié)流口直徑為 13 mm，通過逐漸提升壓力，考察向推移千斤頂?shù)墓┮耗芰ΑＨ鐖D 4 所示，供液壓力較小時，無法克服支架和底板的阻力，推移速度為零；超過臨界壓力時，開始運動，且流量和供液壓力正相關(guān)；供液壓力達(dá)到31.5 MPa 時，峰值流量為 884 L/min，活塞運動速度為 0.46 m/s；進一步增大泵站流量，將無法提高推移千斤頂速度。為保障運行速度，泵站理想的流量是處于飽和狀態(tài)，以達(dá)到較快的速度；但也不能太大，以避免產(chǎn)生不必要的壓力損失。

圖4 系統(tǒng)壓力-流量特性Fig.4 Pressure-flow characteristic of system

3.1.2 不同液阻對推移千斤頂速度影響

為進一步分析不同節(jié)流孔組合對推移千斤頂流量和運行速度影響，選擇短孔模型，結(jié)果如表 2 所列?？梢姡侠淼墓?jié)流口設(shè)置對運行速度有重要影響：節(jié)流口直徑不僅保障工作壓力的穩(wěn)定，也決定了最大動作響應(yīng)速度，需要根據(jù)跟機移架速度要求進行合理選擇，以達(dá)到設(shè)計速度。

表2 節(jié)流孔對動作速度影響Tab.2 Influence of throttling hole on movement speed

3.2 蓄能器穩(wěn)壓特性

分析對比不同壓力和流量下蓄能器的作用，將主閥的控制分 3 階段：第 1 階段關(guān)閉，蓄能器充液補壓階段；第 2 階段開啟，千斤頂動作階段；第 3 階段主閥關(guān)閉階段。主閥第 2 階段動作以時間和推移千斤頂行程進行雙控，設(shè)定行程為 860 mm，達(dá)到 3 s 或指定行程時進行切換。

3.2.1 不同供液壓力下推移過程

以 500 L/min 供液條件下，采用蓄能器模式為基準(zhǔn)，分別與供液壓力為 25、20、15、8 MPa (流量設(shè)定為 1 000 L/min) 進行對比，結(jié)果如圖 5 所示。由圖5 可以看出，采用蓄能器時，顯著提高了供液能力，其供液速度由快至慢，且停止過程相對平穩(wěn)。其供液能力等效 25 MPa 穩(wěn)壓供液狀態(tài)；供液壓力太小時 (8 MPa)，無法在規(guī)定時間 (3 s 內(nèi)) 達(dá)到指定行程，將造成丟架現(xiàn)象。

圖5 不同供液壓力下推移過程Fig.5 Pushing process at various liquid supply pressure

3.2.2 不同供液流量下推移過程

將泵站以 500 L/min 流量供液，并采用蓄能器組合條件下的推移過程，與僅靠泵站供液 (供液流量分別取 500、600、800、1 000 L/min) 進行對比，結(jié)果如圖 6 所示。由圖 6 可以看出，采用蓄能器與 800 L/min 恒流量供液模式接近，蓄能器補償能力超過300 L/min。流量供給太小時，在設(shè)定值范圍內(nèi)同樣無法達(dá)到指定行程。

圖6 不同流量下推移行程Fig.6 Pushing stroke at various flow

3.3 電磁先導(dǎo)閥響應(yīng)時間影響

假設(shè)開啟和關(guān)閉時間相同，考察電磁先導(dǎo)閥響應(yīng)時間對控制精度的影響。電磁閥為電流信號控制，額定驅(qū)動電流為 0～40 mA，不同電流代表開度大小，負(fù)值代表反向動作。對比響應(yīng)時間分別為 80、40、20、10 ms 時推移千斤頂行程，結(jié)果如圖 7 所示。由圖 7 可以看出，先導(dǎo)閥響應(yīng)時間越長，給出停止信號后千斤頂繼續(xù)推移的行程越大，先導(dǎo)閥響應(yīng)時間為 80 ms 時，指定動作誤差超過 37 mm；響應(yīng)時間為 10 ms時，誤差縮小到 5 mm，控制精度顯著提升。因此，快速響應(yīng)的先導(dǎo)閥對控制精度有著重要影響。先導(dǎo)閥確定后，由于推移千斤頂供液壓力和運行速度的波動，動作誤差不是恒定值，因此需根據(jù)運行工況設(shè)定提前關(guān)閉量，保證推移誤差在設(shè)定的范圍內(nèi)。

圖7 響應(yīng)時間對控制精度的影響Fig.7 Influence of response duration on control precision

4 結(jié)論

(1) 系統(tǒng)液阻及負(fù)載特性決定了推移千斤頂?shù)淖畲筮\行速度。首先需根據(jù)推移速度的需求，對管路和節(jié)流口進行合理配置，泵站的選擇要能保障推移千斤頂供給流量處于近飽和狀態(tài)。

(2) 分布式穩(wěn)壓供液系統(tǒng)作用顯著。以 ZY10000/22/45 型液壓支架為例，在每個液壓支架上設(shè)置容積為 36 L、充液壓力為 15 MPa 的蓄能器，推移過程分別等效 25 MPa 恒壓、800 L/min 恒流供液，提高了移架的平穩(wěn)性。

(3) 下一步需通過試驗獲取系統(tǒng)液阻特性，并開發(fā)出分布式供液裝置并進行試驗，針對電磁先導(dǎo)閥響應(yīng)時間等帶來的誤差研究補償算法，實現(xiàn)液壓支架快速精準(zhǔn)推移和工作面高效協(xié)同運行。