周如林， 喬子石， 孟令宇

(北京天瑪智控科技股份有限公司，北京 100013)

0 引言

自動化、智能化技術(shù)和裝備的逐步發(fā)展及其在煤礦綜采工作面中的不斷推廣應(yīng)用，為煤礦安全生產(chǎn)提供了技術(shù)保障[1-2]。在綜采工作面生產(chǎn)工藝中，液壓支架自動跟機(jī)控制能夠極大地降低工人勞動強(qiáng)度，提高支護(hù)效率[3-4]，是實(shí)現(xiàn)智能化綜采工作面的關(guān)鍵技術(shù)。目前國內(nèi)地質(zhì)條件較好且液壓支架功能少、支撐力小的中薄煤層煤礦(如黃陵礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司、陜西神木榆家梁煤礦等)已成功實(shí)現(xiàn)跟機(jī)自動化[5-7]。

液壓支架自動跟機(jī)控制的主要目標(biāo)是使液壓支架順利跟機(jī)、及時(shí)支護(hù)，防止出現(xiàn)跟機(jī)丟架情況，并實(shí)現(xiàn)綜采工作面高效推移。為此，其應(yīng)具備高支護(hù)、快速移架、大推移距離等性能[8]，其中在保障采場安全的前提下，縮短工作面空頂時(shí)間是一個極為關(guān)鍵的問題。但目前液壓支架自動跟機(jī)控制存在動作時(shí)間長、較手動操作效率低、控制參數(shù)憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)定等不足[9]，導(dǎo)致綜采工作面推移速度慢、液壓系統(tǒng)壓力與流量匹配不佳等問題。針對上述問題，許多學(xué)者從液壓系統(tǒng)角度研究了減少液壓支架動作時(shí)間的方法。于玲等[10]提出升柱動作時(shí)間與流量相關(guān)性較大，流量越大，升柱速度越快，但當(dāng)流量達(dá)到一定值后對升柱動作時(shí)間的影響較??；劉寶龍[11]研究了液壓系統(tǒng)壓力損失與移架時(shí)間之間的關(guān)系，結(jié)果表明當(dāng)移架負(fù)載較小時(shí)，增大泵站額定流量可提高移架速度，當(dāng)移架負(fù)載較大時(shí)，減小液壓系統(tǒng)回液背壓和沿程壓力損失可提高移架速度；黃蕾[12]建立了支架液壓系統(tǒng)的AMESim仿真模型，通過仿真調(diào)整管路管徑和單向閥通流面積，降低了液壓系統(tǒng)供液阻力和回液背壓，提升了移架速度。

研究表明，減小液壓系統(tǒng)阻力以增大系統(tǒng)工作流量，是提高綜采工作面移架速度的主要途徑，且系統(tǒng)背壓對降柱速度影響較大。為降低液壓支架動作時(shí)的背壓，提高綜采工作面推移速度，本文通過研究液壓支架閥控缸單元中液壓缸瞬態(tài)伸縮時(shí)的流量-壓力關(guān)系，提出了3種液壓支架立柱快速供回液方案，采用AMESim仿真模型對比分析了3種方案的快速性和穩(wěn)定性，得到最佳立柱快速供回液方案。

1 液壓支架組成及其控制

液壓支架基本結(jié)構(gòu)包括底座、推移桿、推移千斤頂、立柱、平衡千斤頂、頂梁、護(hù)幫板等，如圖1所示。不同液壓支架單元的控制原理相似，均為液壓閥控制液壓缸伸縮，區(qū)別僅在于液壓閥和液壓缸參數(shù)不同。

1-護(hù)幫板；2-頂梁；3-立柱；4-推移桿；5-推移千斤頂；6-底座；7-后連桿；8-掩護(hù)梁；9-平衡千斤頂；10-前連桿。

單臺液壓支架在自動跟機(jī)控制過程中主要完成降柱、移架、升柱、推溜4種動作，其中降柱-移架-升柱為循環(huán)動作，在自動跟機(jī)控制過程中時(shí)間占比最大，且這3種動作與推溜在時(shí)間上是分離的，因此，本文主要研究液壓支架降柱-移架-升柱動作。液壓支架自動跟機(jī)控制通常依靠時(shí)間估計(jì)和壓力檢測進(jìn)行粗略的開環(huán)控制，支架執(zhí)行各動作的時(shí)長取決于自動跟機(jī)控制時(shí)間參數(shù)的設(shè)定[13]。若設(shè)定時(shí)間過長，會造成降柱行程過大，影響跟機(jī)效率；若設(shè)定時(shí)間過短，則工作流量過大，系統(tǒng)背壓過高，造成降柱行程過小，拉架時(shí)頂梁與煤壁存在接觸，導(dǎo)致拉架、跟機(jī)失敗。上述問題的主要原因是沒有明確液壓系統(tǒng)在不同狀態(tài)參量條件下，液壓支架完成降柱-移架-升柱動作的動態(tài)特性和完成各動作的時(shí)間。為保證液壓支架動作的快速性和可靠性，需對閥控缸單元建立液壓缸伸縮的流量-壓力數(shù)學(xué)模型，分析閥控缸單元工作原理。

2 閥控缸單元數(shù)學(xué)建模及分析

由于液壓支架各液壓系統(tǒng)工作原理相似，所以采用同一等效閥控缸單元模型進(jìn)行分析，如圖2所示，其中F為工作阻力，pin為壓力源壓力(供液壓力)，pout為回液壓力，p1為液壓缸伸縮時(shí)無桿腔瞬態(tài)壓力，p2為液壓缸伸縮時(shí)有桿腔瞬態(tài)壓力，q1為供液流量，q2為回液流量。

1-液壓缸；2-液控單向閥；3-供液閥1；4-過濾器；5-回液斷路閥；6-供液閥2。

液壓缸無桿腔為主要的流體壓縮區(qū)，當(dāng)液壓支架立柱升柱觸頂后，無桿腔內(nèi)部的壓力由低升高至設(shè)定值與降柱時(shí)負(fù)載壓力釋放過程都是封閉容腔內(nèi)介質(zhì)體積變化的過程。此時(shí)存在流體的單向流入或流出，但液壓缸對外無行程變化，是一個非線性壓縮過程。根據(jù)封閉容腔體積壓縮方程[14]，得

(1)

式中：Δp為動態(tài)封閉容腔壓力變化值；E為動態(tài)封閉容腔有效體積彈性模量；Δq為流入與流出動態(tài)封閉容腔的流量差；V為動態(tài)封閉容腔總?cè)莘e；Δt為時(shí)間間隔。

此處液壓缸為單側(cè)閉鎖系統(tǒng)，其動作包括伸出和縮回。二者流向不同，對應(yīng)的阻尼通道也不同，但原理相似，因此僅對液壓缸伸出動作進(jìn)行建模。

液壓缸伸出動作的流量-壓力數(shù)學(xué)模型[13]如下。

(2)

(3)

式中：AF1為液壓缸伸出時(shí)供液側(cè)等效閥口過流面積；t為時(shí)間；k為壓力源到液壓缸無桿腔的綜合流量系數(shù)；k1為過濾器綜合流量系數(shù)；k2為供液閥1的綜合流量系數(shù)；k3為液控單向閥的綜合流量系數(shù)。

對式(2)積分，得到液壓缸伸出時(shí)的無桿腔瞬態(tài)壓力：

(4)

式中p0為液壓缸無桿腔初始壓力。

可見液壓缸伸出動作過程中無桿腔瞬態(tài)壓力由壓力源壓力和無桿腔有效體積彈性模量共同決定，且與時(shí)間存在二次方的關(guān)系。液壓支架通常處于高壓工況，此時(shí)彈性模量隨壓力變化可忽略，因此液壓缸伸出瞬間無桿腔壓力由壓力源壓力確定。

同理，液壓缸縮回動作過程中無桿腔瞬態(tài)壓力由回液壓力確定。

3 液壓支架立柱快速供回液方案設(shè)計(jì)

為提升液壓支架跟機(jī)效率并保證穩(wěn)定性，提出立柱供液閥直供、二級控制+立柱快速供液閥、電液控?fù)Q向閥直供3種快速供回液方案，如圖3所示。

1-液壓缸；2-溢流閥；3-液控單向閥1；4-供液閥1；5-過濾器；6-回液斷路閥；7-供液閥2；8-組合閥；9-液控單向閥2；10-換向閥。

(1)立柱供液閥直供方案(方案1)。立柱升柱時(shí)，供液閥1快速開啟,經(jīng)液控單向閥1供液，實(shí)現(xiàn)立柱快速伸出；立柱降柱時(shí)，液壓缸無桿腔通過組合閥(由630 L/min液控單向閥1，2并聯(lián)而成)的2個液控單向閥，經(jīng)過供液閥2接通主回液。

(2)二級控制+立柱快速供液閥方案(方案2)。立柱升柱時(shí)，供液閥1快速開啟，經(jīng)液控單向閥1供液，實(shí)現(xiàn)立柱快速伸出；立柱降柱時(shí)，為降低系統(tǒng)背壓，提升降柱速度，將液控單向閥2連接通斷閥接通主回液，實(shí)現(xiàn)快速回液，液控單向閥2經(jīng)供液閥2接通主回液。

(3)電液控?fù)Q向閥直供方案(方案3)。立柱升柱時(shí)，電磁換向閥通過液控單向閥1向立柱供液，使立柱伸出；立柱降柱時(shí)，液控單向閥2快速開啟接通主回液，實(shí)現(xiàn)快速回液，液控單向閥1通過電磁換向閥接通主回液。

4 液壓支架立柱快速供回液方案對比分析

4.1 AMESim仿真建模

采用AMESim軟件建立基于不同立柱快速供回液方案的液壓支架仿真模型，如圖4所示。

(a)基于方案1

仿真模型主要包括負(fù)載、立柱、壓力源、回液口、移架推溜系統(tǒng)、立柱供回液方案和延時(shí)控制系統(tǒng)。K1-K4分別為延時(shí)控制系統(tǒng)、回液口、換向閥、壓力源輸入信號；λ為移架液壓缸伸出量；x為實(shí)際移架量；τ為時(shí)間延遲；P為回液口壓力；Q為壓力源流量。

4.2 仿真參數(shù)設(shè)置

為在同一參考條件下對比液壓支架在不同方案下跟機(jī)動作的穩(wěn)定性與快速性，按照實(shí)際控制器參數(shù)設(shè)定仿真參數(shù)，見表1、表2。

表1 閥類參數(shù)

表2 液壓系統(tǒng)參數(shù)

降柱-移架-升柱循環(huán)動作控制方案：液壓支架立柱降柱位移達(dá)0.15 m后，液壓支架開始執(zhí)行拉架動作，當(dāng)行程達(dá)1.1 m時(shí)停止拉架；延時(shí)0.5 s后，支架執(zhí)行立柱升柱動作，支架接頂后，液壓缸無桿腔壓力繼續(xù)增大，滿足要求后停止升柱動作，實(shí)現(xiàn)液壓支架自動跟機(jī)。

4.3 方案對比

在自動跟機(jī)控制過程中，液壓支架需按照降柱-移架-升柱的動作次序?qū)崿F(xiàn)綜采工作面推移。以液壓支架AMESim仿真模型為基礎(chǔ)，對比分析3種立柱快速供回液方案的快速性和穩(wěn)定性。

3種方案下執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)液壓缸有桿腔、無桿腔壓力曲線如圖5所示(圖5中對方案2標(biāo)注了降柱-移架-升柱分區(qū))?？煽闯鼋?jīng)過2 s的初始穩(wěn)定狀態(tài)后，立柱開始降柱，無桿腔初始壓力為43 MPa，流體壓縮建壓時(shí)間接近1 s。當(dāng)液壓缸無桿腔壓力降至約3 MPa且趨于穩(wěn)定時(shí)，有桿腔壓力上升并穩(wěn)定在31.5 MPa。在之后的立柱穩(wěn)態(tài)降柱過程中，無桿腔和有桿腔的壓力均保持不變。在支架移架與控制信號延時(shí)期間，液壓缸閉鎖，液壓缸有桿腔、無桿腔及壓力源壓力均保持較小值不變。立柱升柱過程中，立柱在接頂前主要克服較小的負(fù)載自重，壓力源壓力處于較低水平，在立柱接頂后，液壓缸無桿腔壓力逐漸增大并進(jìn)行瞬態(tài)壓縮，該過程持續(xù)時(shí)間約為2 s，最后穩(wěn)定至系統(tǒng)額定壓力25 MPa。

(a)液壓缸無桿腔壓力曲線

3種立柱快速供回液方案下，液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)，液壓缸有桿腔、無桿腔壓力變化趨勢和峰值基本一致，因此3種方案的穩(wěn)定性基本一致。

3種方案下執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)的立柱位移曲線如圖6(a)所示，相應(yīng)的移架位移曲線如圖6(b)所示。

從圖6可看出，經(jīng)過2 s的初始狀態(tài)后，立柱開始降柱，流體壓縮建壓時(shí)間接近1 s，此時(shí)立柱基本沒有位移變化。流體壓縮完畢后進(jìn)入穩(wěn)態(tài)降柱階段，立柱平穩(wěn)下降。可看出方案3下立柱降柱時(shí)間最短，其次是方案2，方案1下立柱降柱時(shí)間最長。

(a)立柱位移曲線

當(dāng)立柱下降0.15 m時(shí)，液壓支架執(zhí)行移架動作。由于移架液壓缸為倒裝形式，即閉鎖腔為環(huán)形腔，以保證足夠的拉架力，所以在解鎖過程中，其瞬態(tài)過程較短，可忽略不計(jì)，直接為穩(wěn)態(tài)移架過程。3種方案下液壓支架仿真模型中移架推溜系統(tǒng)元件與參數(shù)一致，因此3種方案下移架時(shí)間基本一致。

完成移架后，經(jīng)過0.5 s延時(shí)，執(zhí)行立柱升柱動作。由于方案3與方案1、方案2相比只使用了組合閥的1個液控單向閥使立柱上升，所以方案3下立柱上升速度較慢，但考慮到立柱升柱過程中的低負(fù)載、大流量特性，方案3與其他2種方案的升柱時(shí)間差異并不明顯。

根據(jù)仿真結(jié)果得到3種方案下液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作的時(shí)間，見表3。

表3 液壓支架動作時(shí)間

從表3可看出：方案3下立柱降柱時(shí)間最短，為2.31 s，分別較方案1、方案2縮短51.2%，32.4%，但升柱時(shí)間最長；從支架降柱-移架-升柱循環(huán)動作總時(shí)間看，方案3最短，且比傳統(tǒng)方法總時(shí)間(12 s)縮短22.1%，可見方案3下液壓支架自動跟機(jī)時(shí)間最短、效率最高。

為了研究流量對液壓支架降柱-移架-升柱動作執(zhí)行階段穩(wěn)定性與快速性的影響，對2個立柱伸縮時(shí)的總供回液流量進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7所示。

(a)總供液流量曲線

從圖7可看出：液壓支架執(zhí)行降柱動作初始階段存在供回液流量階躍波動情況，之后立柱總供液流量趨于穩(wěn)定，為200 L/min以下；降柱過程中，方案3下總供液流量最大，因此回液背壓最小，立柱下降速度最快，完成降柱時(shí)間最短；液壓支架執(zhí)行升柱動作時(shí)，雖然方案1與方案2為全流量供液，方案3為1 300 L/min流量供液，但由于升柱過程中的低負(fù)載特性，且實(shí)際工況下多支架協(xié)同控制時(shí)單臺支架輸入流量較低，所以3種方案下立柱升柱時(shí)間區(qū)別不大。

5 結(jié)論

(1)建立了閥控缸單元液壓缸伸出瞬間流量-壓力數(shù)學(xué)模型，通過分析得出液壓缸伸縮瞬間壓力主要與供回液壓力有關(guān)，且與時(shí)間呈二次方關(guān)系，為動態(tài)分析液壓支架在綜采工作面自動跟機(jī)控制過程中的運(yùn)行狀態(tài)提供了理論支撐。

(2)為減少液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)間，提升綜采工作面推移效率，提出了立柱供液閥直供、二級控制+立柱快速供液閥、電液控?fù)Q向閥直供3種立柱快速供回液方案，并建立了基于3種方案的液壓支架AMESim仿真模型。

(3)通過AMESim仿真得到了液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)液壓缸無桿腔、有桿腔壓力瞬態(tài)變化曲線。立柱降柱時(shí)無桿腔瞬態(tài)壓力變化時(shí)長接近1 s，升柱時(shí)無桿腔瞬態(tài)壓力變化時(shí)長約為2 s。3種方案下液壓支架在執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)液壓缸無桿腔、有桿腔壓力曲線變化趨勢基本一致，因此認(rèn)為3種方案的穩(wěn)定性基本相同。

(4)通過AMESim仿真得到了3種方案下液壓支架執(zhí)行降柱-移架-升柱循環(huán)動作時(shí)間。電液控?fù)Q向閥直供方案可在保證穩(wěn)定性的基礎(chǔ)上，有效提升液壓支架跟機(jī)動作的快速性，降柱-移架-升柱循環(huán)動作總時(shí)間為9.35 s，較傳統(tǒng)方案縮短22.1%，為最佳供回液方案。