基于逻辑阀的液压支架推移控制方案改进研究

随着煤矿装备技术的发展，已经有煤矿企业试验综采工作面无人化作业。综采工作面无人化作业，是以智能机械为基础，其中液压支架是极其重要的基础设备之一。在液压支架系统中，推移千斤顶给运输机推溜提供推力，给支架移动提供拉力，从而实现支架的推移。但是，现场实践中电液控制系统存在控制的滞后性和对支架定位的偏差性，尚需要人工进行干预调整。因此，探究液压支架产生自动控制误差的原因，找到确保精确推移的控制方案，是实现综采工作面无人化作业的关键因素。

首先，缺乏正确的认识。质量管理系统建设是一项基础性工作，各军工企业都纷纷进行了质量管理系统建设，但在具体实践过程中由于认识不到位，还存在一定的不足：认为质量管理系统建设归属质量部门，缺乏良好的全员参与意识及机制；存在重质量管理系统认证轻质量管理系统运转与优化的问题；认为质量管理系统建设是基层厂的任务，对研究院本级质量管理系统建设缺乏深层次的探究。

1 现有液压支架系统存在的问题

1.1 支架液压系统控制的精度低

阀控和泵控是支架液压系统控制的主流技术，阀控液压系统的开口度决定执行部件的运转速度，无论是串并联方式，还是负荷传感方式，都存在着节流损失、能量效率低以及控制不及时等问题。泵控液压系统对能源的利用率相对比较高，达到了节能规定的要求，但目前的液压系统在动态上的响应有滞后性，执行元件的鲁棒性也难以再提升层次，这对支架液压顶板支护和管理的控制精度是不能忽略的。两种控制技术相比，泵控液压系统的改进更有优势，付出的成本更小[1]。

1.2 受力不均使推移步距不一

支架在水平和垂直方向上的位移，是通过千斤顶和输送机之间的连接绞合点实现的。在综采工作面推进时，刮板输送机需要均匀受力，则否会引起部件的断裂[2-4]。因此，在连接绞合点留出了销轴间隙，使刮板输送机能够在弯曲和伸缩等过程中连接件承载负荷均匀，达到平滑过渡的目的。但销轴间隙的存在，使得移架和推溜的步距不一，影响着工作效率。

如图1所示，在移架的过程中，液压支架和刮板输送机的销轴间隙存在着三种情况。在没有进入移架过程前，推移千斤顶与刮板输送机没有出现销轴间隙，二者之间紧紧地挨在一起，相互之间的支撑力达到最大。在移架过程中，千斤顶与刮板输送机的连接绞合点出现销轴间隙，并随着移架的进行而逐渐变大，同时二者之间的支撑力在逐渐减小。在移架过程完成后，千斤顶与刮板输送机之间的销轴间隙达到最大，此时，二者之间不存在支撑力。

控制逻辑阀的工作原理是通过长接口推进喷雾，另外两个结构相同的接口分别与支架移架回路、推溜液压回路相连。在未执行喷雾动作前，移架回路和推溜回路保持着相同的大孔连通状态；在执行喷雾动作后，液体推入逻辑阀内，逻辑阀向连个接口输出同样的推力，使得两回路开始受力工作。在两接口处调节其连接孔径的大小，可改变两回路的受力比例，从而达到更加精确和更加智能的控制效果。

  

图1 支架与刮板输送机间销轴的间隙变化

逻辑阀的作用使两回路的供能更加精确，在此基础上还需要对推移控制程序进行优化，以解决受力不均导致的推移步距不一致问题。

  

图2 刮板输送机的受力模拟

2 基于逻辑阀的推移控制改进方案

2.1 逻辑阀的结构和工作原理

泵控液压支架系统更加节能，结构易于改造，为了进一步提高执行件的动态响应能力，提升其鲁棒性，须在推移控制系统上添加了推移控制逻辑阀，其结构如图3所示。这种逻辑阀一共有三个接口，其中一个用于推进液体，另外两个结构相同，能够实现对两接口的同步受力控制，从而优化了执行元件的动态响应性[8-10]。

  

图3 逻辑阀的三维结构

其中，y0是基线，A为峰面积，w为峰的半高宽，xc为峰的位置。利用Origin软件拟合二极管1N4007和2AP10伏安曲线的拟合优度（R2）如表1所示，总体上拟合曲线与测量值拟合程度比较好，相比之下，内接法拟合程度比较好。

2.2 基于逻辑阀的推移控制改进流程

根据支架与刮板输送机之间支撑力的变化，对此过程的受力作进一步分析，如图2所示。1号到3号的支撑力在逐渐变小，理论上是从最大降到最小零值。三个中部槽相比，受力最小的3号中部槽状态最不稳定，最容易在受力不均使受到影响而发生偏移。当2号中部槽的移架作用力大于反方向的三者支撑力合力时，3号中部槽就会受到作用力向下的作用而偏离初始位置。在综采工作面的工作过程中，3号中部槽会在多次受力的作用下不断偏移初始位置，形成累计位移偏差，进而在工作面表现出推移步距的不一致[3-7]。

2.2.1 不同处理下基于DM的草地载畜量 不同处理下基于DM的草地载畜量变化与DM产量的变化相似(图1)。除6月施肥对杂类草DM载畜量(4.38羊单位/hm2)有显著促进作用外，其余各月施肥和补播处理对杂类草DM载畜量无促进效果。6月补播对禾本科(13.55羊单位/hm2)、豆科(7.68羊单位/hm2)和莎草科(5.68羊单位/hm2)DM载畜量的促进作用最明显。7月施肥处理下禾本科的DM载畜量(21.34羊单位/hm2)与CK差异显著(P<0.05)；补播处理下禾本科(22.88羊单位/hm2)和豆科(11.48羊单位/hm2)DM载畜量显著高于施肥和CK(P<0.05)。

整个流程将支架移架和推溜控制分两部分进行。在支架移架中，先对移架目标行程阀值进行判断，达到目标行程阀值后，自动执行喷雾动作实现精确移架。在推溜过程中，执行喷雾动作，进行精确推溜，借助精确的推溜控制功能和千斤顶行程传感器，进行销轴间隙的消除。 “两步走”的控制系统不仅做到了精准移架，还实现了对销轴间隙的消除，修正了受力不均的位置偏移情况(如图4所示)。

  

图4 自动精准推移控制流程

3 基于逻辑阀的仿真实验测试

逻辑阀是极好地提升机械控制精确度的研究方向，文章提出的基于逻辑阀的液压支架推移控制方案，在煤矿工作面进行应用后，取得了很好的技术经济效益。

 

表1 不同节流孔径逻辑阀的控制效果

  

控制参数未安装逻辑阀逻辑阀的节流孔径/mm5.004.003.503.00伸千斤顶位移均值/mm244.00113.0089.0065.0057.00伸千斤顶位移方差/mm245.635.173.343.112.21收千斤顶位移均值/mm198.0096.0075.0054.0050.00收千斤顶位移方差/mm236.174.383.022.761.67

与未安装逻辑阀相比，千斤顶的伸(收)控制速度虽然快，但精度差，造成的步距误差也会比较大；不同孔径的逻辑阀对节流控制作用明显加强，其位移可控精度也得到明显提高。由于控制速度和控制精度的效果是反向的，且具有一定的规律性，考虑到综采工作面对支架控制精度的要求，选择4.00 mm节流孔径比较合适。这一孔径既能够满足速度方面的需求，又表现出极好的精确控制性。

4 结 语

逻辑阀对不同孔径的节流和控制效果是不同的，为了找到支架控制效果最佳的节流孔径，对不同孔径的逻辑阀进行了仿真实验测试。测试通过伸(收)千斤顶动作位移的情况，对其位移均值和方差来判断控制精度。位移均值是检测控制速度的指标，其速度越快，位移的均值越大，其位移的精准可控性越差。位移方差是检测多次测量值离散程度的指标，方差越小，其控制精度越高。仿真实验的测试结果见表1。

1) 通过改造，将逻辑阀安装到液压控制系统，并对相应的程序进行了升级。在这一过程中，煤矿原有系统的改造的范围小，投入成本也比较低。

2) 进入生产运用环节后，工作面的人员数从14人，缩减到5人。这表明：此控制方案控制的喷雾动作，满足了支架精准推移的要求，对销轴间隙自动化的消除，减少了对工人数量的需求，保证了工作面直线度控制水平。

对语体修辞因素的考虑同样是翻译实践不可忽视的环节。修辞即修饰言论，常见的英语修辞手法有：借代、夸张、明喻、暗喻、夸张、拟人、双关、通感等。译者如果不能领会原文的蕴意所在，就无法正确阐述作者的思想。例如：

3) 引入逻辑阀改变了以往粗放的控制方式，实现了节流控制，大大降低了能源的消耗。控制系统的优化，增强了喷雾动作的作用，系统自动消除了销轴间隙，实现了自动位移纠偏功能，大大提高了推移的步距的一致性。这样越来越多的工作人员将参与到此技术的研究中，为开采提供更多的技术支撑。

参考文献:

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[2] 王 虹.综采工作面智能化关键技术研究现状与发展方向[J].煤炭科学技术，2014,42(1):60-64.

[3] 宋宏雷,张卫东,位建峰.薄煤层液压支架定线移架装置研究与应用[J].煤矿现代化，2013(S1):112-113.

[4] 李德军,闵令江,万 旭.刮板输送机中部槽槽间联接受力分析[J].煤矿机电，2011(3):70-71.

[5] 张 斌,方新秋,邹永洺.基于陀螺仪和里程计的无人工作面采煤机自主定位系统[J].矿山机械，2010(9):10-13.

[6] 魏景生,任怀伟.销轴连接对液压支架稳定性及可靠性的影响[J].煤炭科学技术，2010,38(1):72-75.

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[8] 方新秋,何 杰,张 斌,等.无人工作面采煤机自主定位系统[J].西安科技大学学报，2008,28(2):349-353.

[9] 李金刚,孟二存,孟凡龙.综采工作面采煤机刮板输送机和液压支架配套分析[J].煤矿开采，2006,11(5):34-35.