液壓支架自動(dòng)跟機(jī)動(dòng)態(tài)規(guī)律研究

任懷偉， 張帥， 薛國(guó)華， 趙叔吉， 張玉良， 李建

（1. 煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2. 中煤科工開采研究院有限公司，北京 100013；3. 陜西陜煤黃陵礦業(yè)有限公司，陜西 延安 727307）

0 引言

當(dāng)前，我國(guó)煤礦智能化開采尚處于初級(jí)階段[1]，在簡(jiǎn)單條件煤層實(shí)現(xiàn)了跟機(jī)自動(dòng)化+遠(yuǎn)程可視化干預(yù)的開采模式[2]。其中自動(dòng)跟機(jī)是液壓支架根據(jù)采煤機(jī)實(shí)時(shí)位置，按照設(shè)定的工序和時(shí)長(zhǎng)依次動(dòng)作，自動(dòng)完成降、移、升、推等跟機(jī)工序[3-4]。其以液壓動(dòng)力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行為基礎(chǔ)[5]。當(dāng)工作面多個(gè)液壓支架同時(shí)動(dòng)作，或存在遠(yuǎn)距離供液、泄漏、液壓系統(tǒng)參數(shù)不合理等情況時(shí)，液壓系統(tǒng)內(nèi)流量、壓力將發(fā)生變化，嚴(yán)重影響液壓支架動(dòng)作的速度和精度，導(dǎo)致自動(dòng)跟機(jī)失敗[6]。

眾多學(xué)者針對(duì)液壓支架自動(dòng)跟機(jī)技術(shù)展開研究。雷照源等[7]認(rèn)為所有工序串聯(lián)運(yùn)行時(shí)跟機(jī)速度慢，提出了跟機(jī)自適應(yīng)控制方法，針對(duì)工作面底板松軟情況，將移架與抬底工序設(shè)置為并行運(yùn)行。劉清等[8]將采煤機(jī)速度過快造成的自動(dòng)移架和推溜區(qū)域重合、割三角煤前需推直刮板輸送機(jī)等沖突工序重新匹配運(yùn)行，從而加快了跟機(jī)速度。于波[9]根據(jù)液壓支架與采煤機(jī)距離計(jì)算出間隔的架數(shù)，匹配跟機(jī)動(dòng)作的工序，按照刮板輸送機(jī)參數(shù)和采煤機(jī)速度計(jì)算出刮板輸送機(jī)彎曲段的推溜時(shí)間。牛劍峰[10]認(rèn)為固定化的跟機(jī)工藝無法適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的圍巖環(huán)境，提出采用傳感器和時(shí)間雙重控制液壓支架動(dòng)作，傳感器控制具有優(yōu)先級(jí)，在跟機(jī)過程中根據(jù)環(huán)境狀態(tài)、人工操作數(shù)據(jù)優(yōu)化基于時(shí)序跟機(jī)的工藝節(jié)拍。李昊等[11]采用數(shù)值統(tǒng)計(jì)方法給出每種工序的合理動(dòng)作時(shí)長(zhǎng)，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)動(dòng)態(tài)更新。王虹等[12]采用遺傳算法與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的控制算法，將移架時(shí)間與工作面傾角作為算法輸入，以移架距離作為輸出，獲取移架時(shí)間與移架距離的關(guān)系。

上述研究主要從跟機(jī)工藝優(yōu)化和動(dòng)作時(shí)間控制2個(gè)方面適應(yīng)或消除各種因素導(dǎo)致的跟機(jī)問題，在工程應(yīng)用中取得了較好的效果[13-14]。但上述研究集中在基于外部環(huán)境變量來控制液壓支架動(dòng)作，而每種算法很難考慮到所有變量，導(dǎo)致算法在工作面長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行中不能保持很好的效果。另外，基于傳感器信號(hào)的跟機(jī)控制因信號(hào)采集頻率低、可靠性差，也很難達(dá)到預(yù)期目標(biāo)[15]。實(shí)際上，外部環(huán)境的變化會(huì)最終反饋到液壓系統(tǒng)中[16-17]，因此，根據(jù)綜合了外部環(huán)境和內(nèi)部影響的液壓系統(tǒng)壓力特性來預(yù)測(cè)跟機(jī)動(dòng)作時(shí)間是可行的。本文以陜煤集團(tuán)神木檸條塔礦業(yè)有限公司（簡(jiǎn)稱檸條塔煤礦）S1204工作面為工程背景，以單液壓支架仿真模型為基礎(chǔ)，建立工作面液壓系統(tǒng)仿真模型，分析不同跟機(jī)工藝下，移架動(dòng)作時(shí)間與供液壓力的關(guān)系；在試驗(yàn)工作面安裝數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，采集移架過程中的推移液壓缸進(jìn)液口壓力和對(duì)應(yīng)的移架時(shí)間，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證；對(duì)試驗(yàn)測(cè)得的進(jìn)液壓力和移架時(shí)間進(jìn)行擬合，為自動(dòng)調(diào)整跟機(jī)移架時(shí)間提供依據(jù)。

1 工程背景

檸條塔煤礦S1204工作面（圖1）位于南翼2-2煤輔運(yùn)大巷以南，東側(cè)和南側(cè)均為實(shí)煤體，西側(cè)為S1202工作面采空區(qū)。工作面煤層傾角小于2°，厚度為4.1～4.5 m，平均厚度為4.31 m，埋藏深度為169～200 m，無斷層、地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)單、賦存穩(wěn)定，采用綜采一次采全高的采煤方法。工作面走向長(zhǎng)度為4 021.6 m，傾斜長(zhǎng)度為350 m，“三機(jī)”配套為7LS6C型采煤機(jī)、198臺(tái)ZY12000/22/45D型掩護(hù)式液壓支架、SGZ1000/3000型刮板輸送機(jī)，采用4臺(tái)S500型變頻乳化液泵站作為動(dòng)力源，兩用一備一檢修，單泵額定流量為530 L/min，工作面總供液量為1 060 L/min，工作電壓為1 140 V，總裝機(jī)功率為4×375 kW。

圖1 檸條塔煤礦S1204工作面Fig. 1 S1204 working face in Ningtiaota Coal Mine

ZY12000/22/45D型液壓支架各液壓缸參數(shù)見表1，液壓系統(tǒng)如圖2所示。立柱工作管路的通徑為DN25，長(zhǎng)度取2 m；推移、抬底液壓缸管徑為DN20，長(zhǎng)度取2 m。由于液壓支架在推進(jìn)過程中以立柱、推移液壓缸、抬底液壓缸的動(dòng)作為主，所以暫不考慮其他液壓缸影響。

表1 ZY12000/22/45D型液壓支架各液壓缸參數(shù)Table 1 Parameters of ZY12000/22/45D hydraulic support cylinders

圖2 支架液壓系統(tǒng)Fig. 2 Support hydraulic system

工作面選擇環(huán)形供液系統(tǒng)（圖3），可有效減少遠(yuǎn)離泵站端的支架供液壓力損失。乳化液從泵站加壓排出，經(jīng)過濾器后分為2路：一路通過主管路接到機(jī)頭工作面進(jìn)回液管；另一路通過主管路和三通沿途接入運(yùn)輸巷超前支架、自移機(jī)尾、轉(zhuǎn)載機(jī)和刮板輸送機(jī)緊鏈馬達(dá)，經(jīng)刮板輸送機(jī)前方的電纜槽鋪設(shè)至下端頭，接入回風(fēng)巷超前支架，最終接到機(jī)尾工作面進(jìn)回液管。各管路參數(shù)見表2。

表2 供液系統(tǒng)各管路參數(shù)Table 2 Pipeline parameters of liquid supply system

圖3 環(huán)形供液系統(tǒng)Fig. 3 Annual hydraulic system

2 液壓系統(tǒng)建模

AMESim（Advanced Modeling Environment of Simulation，高級(jí)建模仿真環(huán)境）是基于鍵合圖的液壓/機(jī)械系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件，可實(shí)現(xiàn)多學(xué)科交叉領(lǐng)域系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模，并進(jìn)行仿真分析[18-19]。本文采用AMESim軟件建立工作面液壓系統(tǒng)模型，主要包括單架液壓系統(tǒng)模型和工作面液壓系統(tǒng)模型。

2.1 單架液壓系統(tǒng)模型

根據(jù)支架各液壓缸參數(shù)和液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，建立單架液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖4所示。其中液壓支架立柱為二級(jí)缸，由底閥控制動(dòng)作的先后順序，有3個(gè)可變?nèi)莘e腔。若按照實(shí)際情況仿真，需采用信號(hào)控制庫(kù)搭建符合邏輯的“底閥”，而立柱升降時(shí)只有一級(jí)柱運(yùn)動(dòng)。因此，采用單級(jí)液壓缸建立簡(jiǎn)化模型，缸徑、桿徑分別取400，380 mm，行程取2.2 m。

圖4 單架液壓系統(tǒng)仿真模型Fig. 4 Support hydraulic system simulation model

2.2 工作面液壓系統(tǒng)模型

為完成工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)仿真研究，建立工作面液壓系統(tǒng)仿真模型（局部），如圖5所示。模型包括移架組、推溜組、泵站組等部分。為使模型具有代表性并降低仿真計(jì)算量，隨機(jī)選擇工作面69—74號(hào)架作為移架組，間隔10架，85—94號(hào)架作為推溜組。傳動(dòng)介質(zhì)乳化液通常是按乳化油與中性水5∶95質(zhì)量比配制，密度、體積彈性模量、動(dòng)力黏度分別取998 kg/m3，2 010 MPa，0.1 Pa·s[20]。

圖5 工作面液壓系統(tǒng)仿真模型（局部）Fig. 5 Hydraulic system simulation model of working face(local)

工作面液壓系統(tǒng)在實(shí)際工作中的影響因素多，且部分液壓元件的運(yùn)行參數(shù)難以獲得，因此在建模過程中進(jìn)行如下處理：① 在主進(jìn)回液管安裝節(jié)流閥，通過泵站出液口、試驗(yàn)架進(jìn)液口的壓力實(shí)測(cè)值調(diào)整其參數(shù)，等效管路布置、接頭、系統(tǒng)泄露、超前區(qū)裝備（超前支架、自移機(jī)尾等）等因素的影響，使模型與實(shí)際情況相統(tǒng)一。② 通過分析首架、中間架、尾架的壓力實(shí)測(cè)值，可知管路自身特性對(duì)工作面供液系統(tǒng)的影響相對(duì)較小，因此液壓管選擇只考慮容性和阻性的hydraulic pipe-basic子模型，根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置長(zhǎng)度和管徑參數(shù)，其余均采用默認(rèn)值，從而有效降低計(jì)算量。③ 推溜工序中每增設(shè)1根推移液壓缸，會(huì)同步增加12個(gè)計(jì)算狀態(tài)變量。模型中包括16根推移液壓缸，但推移過程中只有10根推移液壓缸同時(shí)動(dòng)作，且分10次完成整個(gè)推溜動(dòng)作，因此推溜組只建立10根推移液壓缸的模型，每次成組動(dòng)作推溜距離為推移液壓缸行程的1/10。假設(shè)69—74號(hào)移架組對(duì)應(yīng)的推溜工序均為85—94號(hào)推溜組的動(dòng)作，忽略S彎處不同位置的推移液壓缸動(dòng)作行程不完全相同的問題，認(rèn)為每次成組動(dòng)作距離為推移液壓缸行程的1/10。

3 仿真分析

自動(dòng)跟機(jī)降柱和升柱工序可通過立柱下腔壓力輔助判斷，且動(dòng)作距離與工作面地質(zhì)條件等因素有關(guān)。在地質(zhì)條件變化不大時(shí)，拉架工序的負(fù)載可認(rèn)為不變，通過線性擬合方式預(yù)測(cè)動(dòng)作時(shí)間。

首先以2架成組交錯(cuò)式（不推溜）移架為例進(jìn)行仿真，即69號(hào)和72號(hào)液壓支架同時(shí)進(jìn)行移架動(dòng)作，結(jié)果如圖6所示。移架過程：0～7 s，液壓支架不動(dòng)作，泵站為管路等容性元件充液；7～11 s，降柱；8～11 s，抬底；11～20 s，拉架；20～27 s，升柱和收抬底。4 s內(nèi)立柱下降了18.07 cm，耗時(shí)6.87 s完成升柱。拉架工序用時(shí)7.42 s，無桿腔壓力為11.33 MPa，有桿腔壓力為5.51 MPa，拉架速度為0.129 4 m/s。

圖6 液壓系統(tǒng)模型仿真結(jié)果Fig. 6 Simulation results of hydraulic system model

根據(jù)液壓支架實(shí)際動(dòng)作情況逐一進(jìn)行仿真，得到推移液壓缸無桿腔壓力和拉架時(shí)間，見表3。繪制壓力-時(shí)間散點(diǎn)圖，如圖7所示。工作面生產(chǎn)中采用的移架工藝有單架依次移架、分組間隔移架和成組整體順序移架3種。就本模型而言，單架依次移架對(duì)應(yīng)69號(hào)液壓支架動(dòng)作；分組間隔移架對(duì)應(yīng)69號(hào)和72號(hào)2個(gè)液壓支架同時(shí)動(dòng)作，69號(hào)、71號(hào)、73號(hào)3個(gè)液壓支架同時(shí)動(dòng)作2種情況；成組整體順序移架對(duì)應(yīng)69號(hào)和70號(hào)液壓支架同時(shí)動(dòng)作，69號(hào)、70號(hào)、71號(hào)液壓支架同時(shí)動(dòng)作2種情況。

表3 各試驗(yàn)組推移液壓缸無桿腔壓力和拉架時(shí)間Table 3 Rodless chamber pressure and pulling time of pushing cylinder in each test group

圖7 各試驗(yàn)組仿真結(jié)果數(shù)據(jù)散點(diǎn)圖Fig. 7 The scatter diagram of test groups simulation results

實(shí)際液壓支架移架過程中，并未考慮推溜工序與移架各工序的先后關(guān)系，因此進(jìn)行有無推溜2種仿真，可得到不同情況下的最長(zhǎng)和最短拉架時(shí)間。

分析表3和圖7數(shù)據(jù)可看出：當(dāng)同時(shí)動(dòng)作支架較少時(shí)，拉架所用的時(shí)間近乎相同，表明在本供液系統(tǒng)條件下，供液能力充足，合理增加同時(shí)動(dòng)作數(shù)，對(duì)拉架時(shí)間沒有太大影響；當(dāng)動(dòng)作數(shù)超過一定數(shù)量后，乳化液分流、壓力下降，拉架速度也會(huì)隨之降低；在同時(shí)動(dòng)作支架數(shù)相同的情況下，動(dòng)作支架越集中，相互間的影響越大，拉架時(shí)間越長(zhǎng)，可知采用分組間隔移架效果更好；供液系統(tǒng)壓力與移架時(shí)間近似呈線性關(guān)系，因供液系統(tǒng)壓力是不同移架工序、乳化液泵供液能力等內(nèi)外部情況的綜合反映，因此可通過供液系統(tǒng)壓力預(yù)測(cè)拉架時(shí)間。

4 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

4.1 液壓支架狀態(tài)數(shù)據(jù)采集

為實(shí)現(xiàn)井下工作面現(xiàn)場(chǎng)液壓支架供液系統(tǒng)壓力狀態(tài)和推移液壓缸行程的高頻采集（頻率為50 Hz），研發(fā)了液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括供電模塊、傳感器模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和數(shù)據(jù)展示模塊，如圖8所示。

圖8 液壓系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)Fig. 8 Data acquisition system of hydraulic system

供電模塊為交換機(jī)的12 V電源輸出端口，為傳感器、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊提供穩(wěn)定電源。傳感器模塊用于感知工作面供液系統(tǒng)壓力（安裝于液壓支架主進(jìn)液管截止閥后，在傳感器之后增加回液斷路閥）、液壓支架主閥組進(jìn)液口壓力、推移液壓缸無桿腔進(jìn)液口壓力及推移液壓缸行程，輸出與物理量呈線性關(guān)系的4～20 mA或0.5～4.5 V電信號(hào)。數(shù)據(jù)采集模塊包括接線盒、數(shù)據(jù)采集儀ADC部分，用于將0～5 V電信號(hào)線性轉(zhuǎn)換為0～32 767數(shù)字量，方便后續(xù)存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊為采集儀存儲(chǔ)部分，用于將數(shù)字量保存到SD卡內(nèi)。數(shù)據(jù)展示模塊是通過上位機(jī)顯示液壓支架各參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

設(shè)置系統(tǒng)采樣頻率為50 Hz，采集生產(chǎn)班期間69號(hào)液壓支架動(dòng)作過程中各參數(shù)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。以某次移架過程為例，各傳感器采集數(shù)據(jù)如圖9所示。分析可知，移架過程可明顯分為降柱區(qū)a、拉架區(qū)b、拉架和升柱切換區(qū)c、升柱區(qū)d共4個(gè)區(qū)間。以進(jìn)液壓力隨系統(tǒng)壓力波動(dòng)的時(shí)刻作為降柱的開始時(shí)刻，以液壓缸壓力有明顯上升趨勢(shì)的時(shí)刻作為降柱結(jié)束和拉架的開始時(shí)刻，以液壓缸行程達(dá)到滿行程時(shí)刻作為拉架動(dòng)作結(jié)束時(shí)刻，以液壓缸壓力驟降時(shí)刻作為升柱開始時(shí)刻，以進(jìn)液壓力脫離系統(tǒng)壓力作為升柱結(jié)束時(shí)刻。拉架和升柱切換區(qū)c是因?yàn)椴僮鞴と送ㄟ^觀察液壓支架動(dòng)作到位才停止拉架，在高頻采集的情況下本區(qū)間的時(shí)間應(yīng)單獨(dú)計(jì)算。

圖9 工作面69號(hào)液壓支架某次移架動(dòng)作期間的狀態(tài)數(shù)據(jù)曲線Fig. 9 The state data curve of No.69 hydraulic support in working face during a certain movement

對(duì)于相似地質(zhì)條件和相同參數(shù)的煤機(jī)裝備，拉架動(dòng)作的負(fù)載變化不大，流經(jīng)進(jìn)回液口的流量主要由兩側(cè)的壓差決定，實(shí)際操作中進(jìn)液壓力更易獲得，因此本試驗(yàn)分析進(jìn)液壓力和拉架時(shí)間的關(guān)系。

試驗(yàn)共采集18組有效數(shù)據(jù)，移架過程中進(jìn)液壓力和拉架時(shí)間見表4?？煽闯鲞M(jìn)液壓力與移架時(shí)間呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，根據(jù)移架時(shí)間得移架速度為0.115 3～0.160 6 m/s，與仿真得到的規(guī)律一致，驗(yàn)證了仿真分析的正確性。經(jīng)計(jì)算，進(jìn)液壓力和時(shí)間的皮爾遜相關(guān)系數(shù)為-0.837 0，為較強(qiáng)負(fù)相關(guān)關(guān)系，可采用多項(xiàng)式擬合方式進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。觀察數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)，進(jìn)液壓力集中在＜16，18～24，＞26 MPa 3個(gè)區(qū)間，這是由于本試驗(yàn)同時(shí)動(dòng)作的支架數(shù)為1，2，3，同時(shí)動(dòng)作架數(shù)越多，進(jìn)液壓力越小，但不論支架同時(shí)動(dòng)作情況如何，終究會(huì)反映到進(jìn)液壓力上。

表4 拉架過程中的進(jìn)液壓力和時(shí)間Table 4 Inlet fluid pressure and time when pulling support

4.2 數(shù)據(jù)分析

采用工程中最常用的多項(xiàng)式擬合[21]進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其可尋找自變量與因變量間的映射關(guān)系。在Matlab軟件中采用polyfit和polyval函數(shù)進(jìn)行3階多項(xiàng)式線性擬合，結(jié)果為

式中：y為拉架時(shí)間；x為進(jìn)液壓力。

為評(píng)價(jià)線性擬合效果的優(yōu)劣，引入殘差平方和，即線性擬合值與原數(shù)據(jù)之差的平方和。在Matlab中采用var函數(shù)計(jì)算，得該值為1.442 0，擬合效果較優(yōu)。在實(shí)際工程應(yīng)用中，根據(jù)擬合曲線預(yù)測(cè)的誤差最小，但有50%可能因動(dòng)作不到位需手動(dòng)調(diào)整，這會(huì)增加工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，并導(dǎo)致跟機(jī)自動(dòng)化應(yīng)用效果不佳。因此，提出采用95%預(yù)測(cè)區(qū)間的上限作為動(dòng)作時(shí)間，僅有約2.5%（5%/2）的概率會(huì)出現(xiàn)動(dòng)作時(shí)間超過預(yù)測(cè)區(qū)間上限，液壓缸動(dòng)作不到位需人工調(diào)整的情況。95%預(yù)測(cè)區(qū)間及擬合曲線如圖10所示。

圖10 95%預(yù)測(cè)區(qū)間及擬合曲線Fig. 10 95% prediction interval and fitting curve

5 結(jié)論

1） 以檸條塔煤礦S1204工作面為背景，對(duì)液壓系統(tǒng)建模仿真，得到了工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)過程中，液壓系統(tǒng)進(jìn)液壓力與拉架時(shí)間的線性映射關(guān)系，為通過進(jìn)液壓力預(yù)測(cè)拉架時(shí)間提供理論依據(jù)。

2） 建立工作面液壓數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，得到推移液壓缸進(jìn)液口壓力與拉架時(shí)間，其變化規(guī)律與仿真結(jié)果一致。同時(shí)對(duì)進(jìn)液壓力與拉架時(shí)間進(jìn)行線性擬合，實(shí)現(xiàn)了通過進(jìn)液壓力預(yù)測(cè)拉架時(shí)間。

3） 由于液壓系統(tǒng)壓力是工作面液壓系統(tǒng)內(nèi)外部影響的綜合反映，提出的通過推移液壓缸進(jìn)液口壓力預(yù)測(cè)移架時(shí)間的方法克服了之前液壓支架動(dòng)作時(shí)間預(yù)測(cè)相關(guān)研究中不能綜合考慮各類影響因素的問題，可大幅提高自動(dòng)跟機(jī)的準(zhǔn)確性，減少人工調(diào)節(jié)率。