综采工作面液压支架移架速度影响因素分析与参数优选

池泽军

（同煤浙能麻家梁煤业有限责任公司， 山西 朔州 036002）

引言

液压支架作为煤炭自动化采掘过程中的重要设备，其工作性能好坏直接关系着煤炭开采效率，必须引起高度重视[1-3]。目前液压支架工作过程中较为突出的问题是移架速度较慢，不能够很好地适应采煤机的掘进速度，严重制约了综采工作面的作业效率[4-6]。因此基于某型号液压支架，通过分析液压支架移架影响因素，对优化移架参数进行优化。

1 液压支架移架速度影响因素分析

液压支架移架速度影响因素分析方法包括以下三种：第一是理论计算法，基于液压支架的承载情况，运用液压传动理论，完成液压系统工作控制模型的计算，进而分析得出液压系统控制参数变化对液压支架移架速度的影响；第二是试验方法，通过搭建液压支架试验系统，设计不同试验方案，开展大量的试验工作，通过试验结果观察液压系统控制参数变化对液压支架移架速度的影响；第三是仿真分析，借助先进的仿真计算软件，建立液压支架及其液压系统模型，通过设置不同的液压系统控制参数得出不同的计算结果，进而得出该控制参数变化对液压支架移架速度的影响。对比上述三种方法可知，理论计算法需要投入大量的人力，计算周期长；试验法需要投入大量的人力、物力，试验条件要求较高；仿真分析方法具有计算效率高、结果较准确、不需搭建试验系统，具有较多的技术优势，因此选择仿真计算方法。

1.1 仿真模型的建立

基于某型号液压支架的工作原理，选择AMESim16.0 仿真分析软件，开展液压支架移架速度影响因素的分析。运用软件自带HCD 库和机械库，选取液压支架子模型，以便搭建液压支架仿真分析模型。液压支架的立柱用液压缸模拟；一级和二级立柱之间的伸出和缩回运动采用质量块模拟；立柱支撑顶板的受力情况采用位移传感器和信号转换模块配合模拟；主进液压油管路与主回液压油管路采用三进-三回的模式，高压油的受阻情况通过设置液压软管和接头的方式进行模拟；泵站系统设置两台高压泵，立柱和底座之间的刚性接触使用弹簧阻尼器近似模拟。

1.2 模拟参数设置

依据某型号液压支架的结构及应用情况，进行仿真模型参数的设置。具体参数设置如下：模型涉及两组立柱一级容腔，其中一个活塞直径为Φ330 mm，另一个活塞直径Φ320 mm，模型涉及两组立柱二级容腔，其中一个活塞直径Φ240 mm，另一个活塞直径为Φ240 mm，质量块的质量分别设置为M1=500 kg，M2=800 kg；弹簧阻尼器的位移间隙设置为0.01 mm，弹簧的刚度设置为1 012 N/m；主进液压油管路与主回液压油管路的长度设置为220 m；工作面的长度设置为260 m；不同液压支架的中心距设置为1.5 m；工作面设置的液压支架总数为185 个；泵站系统的排量为500 mL/r，转速设置为1 000 r/min，卸荷阀开启压力为32 MPa；伸缩缸与管路接口的直径设置为15 mm；单向阀主阀阀芯的直径为Φ18 mm。

1.3 仿真结果分析

1.3.1 泵站流量对移架速度的影响

设置泵站的流量为 350 L/min、500 L/min、650 L/min 进行仿真计算，结果如下页图1 所示。由图1可以看出液压支架升柱时，泵站流量越大，立柱升高速度越大，完成升柱的时间随着泵站流量的增大呈现降低的趋势，升柱时间各自为4.25 s、3.5 s、2.6 s；在立柱进行降柱的过程中，随着泵站流量的升高降柱速度变化不明显，耗时基本一样。

1.3.2 伸缩缸运动位移对移架速度的影响

设置液压支架伸缩缸的升降位移为600 mm、1 000 mm、1 400 mm 进行仿真计算，结果如图2 所示，可以看出液压支架升降位移的增大，均会增加升降柱的时间，降低液压支架的移架速度。由此可见在满足液压支架移架所需升降位移的前提下，立柱的升降位移越小越好，能够有效提高液压支架的移架速度。

图1 泵站流量对移架速度的影响

图2 升降位移对移架速度的影响

1.3.3 单向阀通流面积对移架速度的影响

设置单向阀主阀芯的直径为 Φ14 mm、Φ18 mm、Φ22 mm 进行仿真计算，主阀芯直径的增大，必将增大液控单向阀的通流面积，进而影响液压支架的移架速度，计算结果如图3 所示。由图3 可以看出单向阀主阀芯直径的增大并未对立柱升起产生明显的影响，但是对立柱降柱过程产生了较为明显的影响。研究还发现单向阀主阀芯直径的增大，立柱升降过程中的速度波动变小。

1.3.4 供液管径对移架速度的影响

图3 单向阀通流面积对移架速度的影响

液压支架供液系统管路分为大腔侧管路和小腔侧管路，仿真过程中分别研究小腔侧管径不变，设置大腔侧管径分别为Φ14 mm、Φ18 mm 与Φ22 mm 进行仿真计算，结果如图4 所示；之后研究大腔侧管径不变，设置小腔侧管径分别为Φ14 mm、Φ18 mm 与Φ22 mm 进行仿真计算，结果如图5 所示。由图4 和图5 可以看出，液压支架升柱时，大腔侧进油小腔侧出油情况下，大腔侧管径的改变比小腔侧管径的改变对液压支架升速的影响大，原因可能是大腔侧油液较多，压力损失较大，因此可以通过在原有液压系统中增大大腔侧管径以提高移架速度。

图4 大腔侧管径对移架速度的影响

图5 小腔侧管径对移架速度的影响

2 支架参数优选

基于液压支架各因素对移架速度影响的仿真计算结果，做出了以下参数优选：考虑泵站流量对于立柱升降及系统工作效率影响，确定最佳的泵站流量为500 L/min；考虑液压支架井下支护空间有限，一旦出现擦顶移架，将会增加移架阻力，需要较大的移架力，若移架力不足反而会增加移架时间，因此确定伸缩缸的升降位移为1 000 mm；单向阀通流面积的增加会降低油路的速度波动，但是过大的通流面积会导致阀芯动作不稳定，为了达到单向阀快速平稳动作，选择主阀芯直径为Φ22 mm；增加大腔侧的管径能够提高液压支架的移架速度，故而取进回油管路直径为Φ22 mm。

3 参数优选后的支架应用效果评价

为了验证液压支架基于AMESim16.0 软件仿真计算的准确性，调整了某型号液压支架的工作参数，使其泵站流量为500 L/min、伸缩缸升降位移为1 000 mm、单向阀通流直径为Φ22 mm、大腔侧管径为Φ22 mm，应用过程中进行了为期3 个月的跟踪记录。结果表明，液压支架工作稳定可靠，证明了仿真计算结果的准确性。统计结果显示，相较于参数优化之前，液压支架移架速度提升22%，采煤设备利用率提高近10%，大大提高了煤炭企业的采煤效率，预计为企业产生直接经济效益近200 万元/a，参数优化效果显著。