賈建強(qiáng)

(山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204)

科技發(fā)展日新月異，煤礦機(jī)械化開采水平不斷提升，作為采煤工作面機(jī)械化支護(hù)設(shè)備，液壓支架的動態(tài)特性將影響煤礦的生產(chǎn)效率，而放頂煤液壓支架作為支護(hù)設(shè)備的一種，不僅維護(hù)采煤空間的安全，而且能夠隨著工作面的推進(jìn)而機(jī)械化移動，不斷地將采煤機(jī)和輸送機(jī)推向煤壁，同時還承擔(dān)關(guān)鍵的放煤任務(wù)，直接影響工作面的產(chǎn)量[1].本文研究適用于大傾角、松軟煤層及仰采等復(fù)雜條件的綜放工作面放頂煤液壓支架升架過程中的動態(tài)特性，通過研究不同參數(shù)下液壓支架的動態(tài)響應(yīng)，分析其響應(yīng)性能的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，檢驗工作中液壓支架立柱控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 液壓系統(tǒng)主要控制回路分析

以ZFG5600/16.5/26液壓支架為研究對象，對其立柱控制回路進(jìn)行了模型建立和工作原理分析[1]，在理想工作條件下進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，根據(jù)仿真結(jié)果研究其在理想條件下的相應(yīng)性能。

立柱控制回路的模型建立見圖1[2]. 恒壓源提供31.5 MPa的高壓乳化液，恒流源提供180 L/min的乳化液，設(shè)定安全閥的壓力為50 MPa，設(shè)定溢流閥的壓力為31.5 MPa，通過控制先導(dǎo)閥和換向閥的開啟來控制立柱的升降。

圖1 立柱控制回路模型圖

立柱升柱過程仿真如下：

立柱位移曲線見圖2，立柱速度曲線見圖3.

圖2 立柱位移曲線圖

結(jié)合圖2與圖3可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現(xiàn)短時波動，約0.15 s后速度保持0.089 m/s的穩(wěn)定值穩(wěn)定上升。約1.8 s時速度減為0 m/s，立柱達(dá)到0.15 m的最高處。

圖3 立柱速度曲線圖

進(jìn)出口壓力曲線見圖4.由圖4可知，約1.8 s前，立柱處于升架階段，支架所受阻力較小，故此時進(jìn)出口壓力均較小，在1.8 s后，立柱升到最高處，進(jìn)出口壓力幾乎同時迅速攀升，最終達(dá)到安全閥設(shè)定的31.5 MPa.

圖4 進(jìn)出口壓力曲線圖

考慮支架應(yīng)用中的實際工況，立柱在升架過程中會受到外負(fù)載的影響，設(shè)定外載信號為：0～10 s時外載信號為0 null，10～20 s時外載信號為10 null，20～30 s時外載信號為0 null，30～40 s時外載信號為10 null. 建立考慮外載情況的立柱模型見圖5[3].

圖5 外載下立柱控制回路模型圖

在外載前提下，設(shè)定進(jìn)回液管道長度分別為1 m、10 m、100 m，得到立柱升架過程中仿真曲線[1]. 管道長度設(shè)為1 m時仿真曲線見圖6，7.

圖6 立柱位移曲線圖

圖7 立柱進(jìn)出口壓力曲線圖

由圖6可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現(xiàn)短時波動約0.12 s，周期性外載使得支架位移曲線出現(xiàn)短時波動。約2.2 s時立柱達(dá)到0.15 m的最高處，其后受周期外載影響，位移曲線仍然會出現(xiàn)短時波動。從圖7可看出，外載變化會使支架內(nèi)腔壓力發(fā)生明顯變化。在管道長度為1 m，外載為唯一變量時，對比圖2與圖6可得，周期性外載延長了支架升架所用時間，延長時間僅約為0.4 s，可見支架穩(wěn)定性良好，不會因外載的增加出現(xiàn)劇烈運動。

管道長度設(shè)為10 m時的仿真曲線見圖8，圖9.

圖8 立柱位移曲線圖

圖9 立柱進(jìn)出口壓力曲線圖

由圖8可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現(xiàn)短時波動約0.15 s，約2.4 s時立柱達(dá)到0.15 m的最高處。與管道設(shè)為1 m相比，管道設(shè)為10 m時，開始升架時間延遲了約0.03 s，升架到最高處的時間延遲約為0.2 s，進(jìn)出口壓力變化非常明顯，此時起作用的僅為管道長度，說明管道長度變化小時對支架運動無明顯影響，對立柱腔體內(nèi)壓力變化影響較大。

管道長度設(shè)為100 m時的仿真曲線見圖10，圖11.

圖10 立柱位移曲線圖

圖11 立柱進(jìn)出口壓力曲線圖

由圖10可知，在開始階段由于閥口的瞬時開啟，立柱升架會出現(xiàn)短時波動約2.05 s. 約4.15 s時立柱達(dá)到0.15 m的最高處。與管道長度為10 m相比，管道長度設(shè)為100 m時，可明顯看出升柱時間向后延遲約2.02 s，故管路長度增加將會延長支架響應(yīng)速度，不利于生產(chǎn)，同時立柱升架前，出口壓力明顯攀升，立柱的突然位移使得出口壓力瞬間減小，將會使立柱承受較大的沖擊。

3種管道長度對比可知，管道長度對立柱進(jìn)出口壓力有較明顯影響，壓力變化較復(fù)雜，同時管道長度增加，阻力增大，會使立柱升架明顯延遲，故在實際應(yīng)用中應(yīng)盡力縮短管道長度，以提高立柱反應(yīng)速度。

2 不同管道長度供回液管路壓力損失

因為液壓支架乳化液流動通常處于阻力平方區(qū)[4]，所以供回液λ的計算式為：

(1)

則供液管路：

回液管路：

式中：

λ—沿程阻力系數(shù)；

d—管路直徑，mm.

供液管路：

(1.235 -1)2=0.02+0.007 2=0.027 2

(2)

則

∑ζ1=0.027 2×571=15.53

回液管路：

0.018 7+0.007 2=0.025 9

(3)

則

∑ζ2=0.025 9×571=14.79

式中：

ξ—局部阻力系數(shù)。

管路的流量為：Q=180 L/min=0.003 000 m3/s

回液管路：Q2=Q=0.003 000 m3/s

式中：

Q—管路流量，m3/s；

Q1—供液管路流量，m3/s；

Q2—回液管路流量，m3/s.

供液管路的液體的流速為：

(4)

式中：

v1—供液管路液體流速，m/s；

d1—供液管路直徑，mm.

回液管路的液體流速為：

(5)

式中：

v2—回液管路液體流速，m/s；

d2—回液管路直徑，mm.

供回液管路壓力損失計算公式為：

(6)

式中：

ρ—流體密度，kg/m3；

l—管路長度，m；

v—平均流速，m/s.

取進(jìn)液管道d25 mm，回液d30 mm，分別計算管道長度為1 m、10 m、100 m時壓力損失，結(jié)果如下：

1 m時進(jìn)液壓力損失為0.75 MPa，回液壓力損失為1.36 MPa，總壓力損失約占液壓源提供壓力的6.7%；10 m時進(jìn)液壓力損失為1.11 MPa，回液壓力損失為1.91 MPa,總壓力損失約占液壓源提供壓力的9.6%；100 m時進(jìn)液壓力損失為4.75 MPa，回液壓力損失為7.36 MPa,總壓力損失約占液壓源提供壓力的38.4%. 對比3組數(shù)據(jù)可明顯看出，管道直徑一定時，壓力損失隨著管道長度增加而明顯增加，當(dāng)長度為100 m時將嚴(yán)重影響支架的工作穩(wěn)定性。故此時應(yīng)采取相應(yīng)措施，如使用增壓裝置、選用直徑大的管道或者減小管道長度等，以達(dá)到安全生產(chǎn)目的[4].

3 結(jié) 論

從仿真結(jié)果及理論計算得出，周期性外載的施加使支架升起所用時間有所延長，而管道長度的增加影響了支架開始升起的時間，升架所用時間幾乎不變，同時管路長度的變化將會明顯改變壓力損失，故在實際生產(chǎn)應(yīng)用中要結(jié)合外作用變化與支架自身的特性，尋求最合適的支護(hù)時間，以達(dá)到最大的經(jīng)濟(jì)效益與安全生產(chǎn)。