建模分析悬臂式掘进机的液压行走系统.pdf

机械研究与应用 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 应用与试验 建模分析悬臂式掘进机的液压行走 系统 程 赘 山西煤 炭运销 集团公 司， 山西 太原0 3 0 0 0 3 摘要 正确地把握基于液压动力的电机动作控制， 才能保障掘进机行走 系统的可靠性， 从而保障掘进机行走路线的 准确性。介绍 了悬臂式 掘进机 液压行走 系统的基本结构 ， 论述 了悬臂 式掘 进机 液压 行走 系统的基本 原理 ， 对 液压行走系统的关键点进行分析建模， 对掘进机液压行走 系统进行仿真应用。事实证明， 所建系统模型具有 良好的动 态适应性 以及稳 定性 。 关键词 掘进机 ； 液压控 制 ； 行走 系统； 建模分析 中图分类号 T H 2 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 7 4 4 1 4 2 0 1 2 0 5 0 0 5 5 0 2 Th e m od e l i ng a na l y s i s o f r oa d he a de r hy dr a ul i c wa l ki ng s ys t e m Ch e n Yu n S h a n x i c o a l t r a n s p o r t a t i o n a n d m a r k e t i n g g r o u p c o m p a n y ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 3 ，C h i n a Ab s t r a c t I f t he c o n t r o l o f t h e mo t o r a c t i o n i s g r a s p e d c o r r e c t l y b a s e d o n t he h y d r a ul i c p o we r c o nt r o l ，t h e r e l i a b i l i t y o f r o a d he a de r wa l ki ng s y s t e m c o u l d i n s u r e t o p r o t e c t t he a c cu r a c y o f t h e r o a d he a d e r r o u t e s ．I n t hi s p a pe r，t h e ba s i c s t r u c t ur e o f t h e h y d r a u l i c wa l k i n g s y s t e m o f t h e r o a d h e a d e r i s i n t r o d u c e d fi r s t l y ，t h e b a s i c p r i n c i p l e o f t h e h y d r o s t a t i c wa l k i n g s y s t e m o f t h e r o a d h e a d e r i s d i s c u s s e d， t h e k e y p o i n t o f t h e h y d r o s t a t i c wa l k i n g s y s t e m i s a n a l y z e d a n d t h e mo d e l i s b u i l t a n d t h e ma c h i n e h y d r a u l i c wa l k i n g s y s t e m i s s i mu l a t e d fi n a l l y ．T h e f a c t s h a v e p r o v e d t h a t t h e c o n s t ruc t i o n o f t h e s y s t e m mo d e l h a s a g o o d d y n a mi c a d a pt a b i l i t y a nd s t a b i l i t y ．The h y dr a ul i c wa l ki n g s y s t e m i s t he k e y t o t he r o a d he a d e r ，whi c h “a f f e c t s t h e e ffe c t i v e ne s s of t h e a p pl i c a t i o n o f i n du s t r i a l bo ring ma c h i n e di r e c t l y ． Ke y wo r dsbo r i n g ma c h i ne； hy d r a u l i c c o n t r o l ； wa l k i ng s y s t e m ； mo de l i ng a n d a n a l y s i s 1 引 言 矿业挖掘技术的快 速发展使得矿 山企业转向现 代化 、 智能化的方 向发展。对煤矿企业来说 ， 只有不 断提高矿山巷道施工设 备的精确性 、 智能化 ， 才能保 障矿山企业安全 、 高效 、 快速健康发展 ， 不断提高矿山 企业的市场经济效益 。对 于矿井 的巷道挖掘工作 而言 ， 离不开悬臂式掘进机系统 ， 它是保 障施工掘进 工作的主要机械动力设备。通常 ， 普通 的悬臂式掘进 机主要采用人力操作 ， 工人劳动强度大， 准确性差 ， 很 难保证矿山的生产效率 和煤矿巷道挖掘工作的施 工 质量以及安全性。因此 ， 需要不断提升悬臂式掘进机 系统智能化水平和行走功能的准确性 ， 才能保障矿山 巷道挖掘的效率 。由于悬臂式掘进机行走需依赖液 压电机驱使履带 ， 因此液压装置是掘进机行走及转向 的主要控制机构 ， 只有精确控制液压电机运转才能保 障掘进机运动路线的准确性。所 以， 在此对基于悬臂 式的掘进机液压行走系统进行建模分析 ， 这对设计智 能化的掘进机系统具有重要意义。 2 悬臂式掘进机液压行走系统结构 悬臂式掘进机的液压行走系统主要包含 履带支 架部件 、 驱动轮履带部件 、 负重轮部件 、 张紧轮部件 、 张紧部件等 。 1 对于掘进机的行走系统来说 ， 按 照其动力能 源进行划分 ， 可分为电力驱动电机和液压驱动马达。 2 掘进机的履带按照其部件结构可分为 整体 式履带 ， 滚子式履带两种 。其 中， 滚子式履带因其结 构繁杂 、 易耗损以及维修复杂等原 因被 日渐淘汰 ， 现 在普遍使用整体式的履带 。 3 履带链条按照支撑形式细分为负重轮 、 摩擦 板 ； 其 中， 摩擦板结构较为简单 、 不易耗损 ， 传动效率 低 ， 多使用基于负重轮的行走部件 J 。 4 掘进机履带的张紧部件分为机械式和液压 式两种 。履带要面对复杂的作业环境 ， 同时需承受较 大的驱动扭矩。 3 悬臂 式掘进机液压行走 系统原理 通过分布在掘进机左右两边 的液压力矩电机驱 动两边的链轮从而驱使履带行走 ， 这可实现掘进机向 前 、 向后 、 转弯的动作 J 。如果其 中一边 的液压电机 运转而另一侧的电机停机时 ， 掘进机可实现转弯 ； 如 果掘进机要实现急转弯 ， 只需驱使两侧 的液压电机同 时以反方向运转即可。两侧液压 电机 的运转分别 由 2个单独 的液压系统控制 ， 单边液压系统主要包括 收稿 日期 2 0 1 2 0 8 2 4 作者 简介 程赞 1 9 8 5 一 ， 男 ， 山西太 原人 ， 助理工程 帅 ， 主要从 事煤炭采掘项 目管理方面的工作。 5 5 应用与试验 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械研究与应用 液压电机 、 比例方向阀 、 单 向阀、 溢流阀 、 电机 、 定量泵 等。其中， 定量泵提供动力能源； 溢流阀对主流路的 压力进行控制 ； 单向阀可阻止油液倒流 ； 比例方 向阀 可驱使液压 电机运行 ， 如果阀 门芯处于方 向阀的左 侧 ， 此时液压电机正方向转动 ， 掘进机向前运动； 如果 阀门芯处于方 向阀的右侧 ， 液压电机反方 向转动 ， 掘 进机后退 ； 如果 阀 门芯处于 中间， 则液压 电机停 止。 如此同时比例方向阀能够依据 电信号差异来调节 阀 门的开度 ， 从而更改液压 电机 的流量 ， 这样就 可对掘 进机的行走速度进行 控制 。悬臂式掘进机行走液压 系统结构如图 1 所示。 图 1 臂式掘进机行走液压系统 1 ． 表示电机2 ． 表示定量泵3 ． 表示溢流阀门 4 ． 表示单 向阀门5 ． 表示 比例方 向阀 门6 ． 表示液压 马达 4 悬臂式掘进机液压行走系统建模 1 液压系统 电液 比阀门的电压和阀门芯位移 的数学方程 电液比阀门包括放大器 、 比例型 电磁铁 、 方 向阀 门芯等设备。工作过程 由比例型电磁铁驱使方向阀 门芯运动， 从而调整阀门的开度 ， 该位移大小和影响 电磁铁的电压量相关 ； 主要通过调节电磁铁的影响电 压来调整方向阀门的开度值 ， 间接更改液压电机的流 量 ， 目的是产生需要 的液压电机角速度 、 力矩 、 角位移 等数据 。按照“ 基尔霍夫 电压定律” 的原理 ， 可得 出 影响电磁铁的电压增量数学方程式 邶“ t- F y d 姗 K i 2 液压系统比例方向阀流量负载数学方程 设定液压系统的供油压力 P 是 固定 的， 而 回油 的压力 P 为 0 ， 可得到液压系统 比例方向阀的流量 负载数学方程 QC d w y , ／ 2 P lP 2 ／ p 式 中 C C C ， 是流量相关系数 ； C 是 收缩相关 系 数 ； C 是速度相关系数 ； C v P - p 是 阀门口的 流速 ； W是面积梯度 ； 是阀门芯的位移量 ； w y是阀门 ． 5 6 ． 口的过流面积； p是液压部件 的油密度； P 。 是液压 电 机进油腔体的液体压力 ； P 是液压 电机 出油腔体的液 体压力 J 。根据公式得 出结论 通过 比例方 向阀门 口处的流量和阀门芯的位移量成正比例， 同时和阀门 压力差成正 比例。 3 液压系统液压 电机流量负载数学方程 对于掘进机液压行走系统来说， 其液压电机具备 下述特性 ， 才能适应作业环境 ①全部的液压管应具 备短 、 粗 的特点 ， 同时要省略液压管里的摩擦消耗 ， 而 且要省略“ 流体质量效应” 以及液压管潜在 的不稳定 因素 ； ②其液压 电机 马达 的内部油温 以及容积 弹 性模量为常数 ； ③液压 电机 马达 内部泄漏 和外、泄 露是层流流动 ； ④液体具备有压缩特性 ； ⑤液压马达 的供油压力为固定值。参考这些条件 ， 可以得到液压 电机流量负载数学方程 D C m P I _ 4 液压系统液压电机扭矩数学方程 由于要考虑液压 电机的轴和负载的问题 ， 其中包 括运动过程 中的惯性 、 阻尼 、 弹性力度 ， 还有额外的负 载等作用力 的情形 ， 参考力学 中“ 牛顿第二定律” 可 以得出液压马达的活塞推动力和负载力 的数学方程 液压 电机扭矩数学方程 。 T g D p - p D 1 -， 柏 G 。 5 悬臂式掘进机液压行走 系统仿真 实验 为保障悬臂式掘进机液压行走系统数学模型的 可靠性 ， 以及能否满足实际需要 ， 对该系统进行仿真 实验 。当比例方向阀的输入电压发生变化时， 对阀门 芯位移的变更进行仿真实验 ； 在比例方向阀的输入电 压以及负载作用力发生变更时 ， 对液压电机角速度 的 改变进行仿真实验 。液压马达 的角速度变化数据如 表 1所示 。 表 1 液压马达角速度表 输入以上数据进行仿真实验 ， 结果证明该液压行 走系统数学模型 比较可靠。与此 同时， 将上述仿真结 果和实际液压行走系统 的实际作业结果进行 比对分 析 ， 证实了该数学模型较符合实际情况。 6 结 语 1 笔者对悬臂式掘进机的行走系统进行建模 下转第 6 0页 应用与试验 2 0 1 2 年 第5 期 总 第1 2 1 期 机械 研究 与应用 3 0 0 h 、 6 0 0 h 、 7 0 0 h 、 8 0 0 h ， 8 0 0 h以上每间隔 5 0 h检查 1 次。 5 结语 将飞机刹车片磨损状况划分为 5个状态 ， 构造出 马尔可夫链 中的转移概率矩阵。利用整个机群刹车 片的历史统计数据 ， 计算得 出转移概率矩阵 ， 该矩阵 较好地融合了机群在实际运行工况下的刹车片磨损 状况的变化情况。基于马尔可夫链模型对刹车片磨 损状态进行预测 ， 其结果与实际情况较吻合。根据飞 机刹车片磨损状况的预测结果 ， 制定了机群在实际运 行工况下的刹车片检查 时间。机群 的实际运行情况 表明 ， 执行新的刹车片查检时 间后 ， 不仅使刹车片磨 损超标的现象大大减少 ， 降低 了刹车盘 的报废率 ， 而 上接第 5 4页 和折叠台板上尽量不放重物或少放重物， 总载重不得 超过 2 0 0 0 k g ， 伸缩和折叠 台板载重不得超过 5 0 0 k g 。 作业完成后 ， 将工具和材料置于载重台板 中间， 然后 开启电机 ， 先将折叠台板收起 ， 再将伸缩 台板收回， 确 认折叠台板和伸缩台板复位后 ， 取下剪又滚轮槽上的 限位销 ， 操作升降按钮使平台下降。平台下降到位后 关闭电机 ， 断开与轨道的电源连接。发生故 障时 ， 按 照故障处理方法及时把平 台复位 ， 并进行 故障排除 ， 严禁带故障作业 。 5 结语 液压隧道维修作业平 台在设计上充分考虑了铁 路隧道的特殊性和铁路运输的特点 ， 在借用 民用升降 且减少了维护工作量 ， 缩短了飞机的停场时间。 参考文献 [ 1 ] 陶梅贞． 现代 飞机结 构设计 [ M] ． 西安 西 北工业 大学 出版礼 ， 1 9 9 7． [ 2 ] 张彦 ． 制 动器摩 擦衬 片磨损量的等维灰色预测[ J ] ． 润滑 与密 封 ， 2 0 0 9， 3 4 1 2 3 0 3 3 ． [ 3] 谭 明福 ， 王建业． 提高 飞机 刹车片 寿命 的研 究 [ J ] ． 粉未冶 金材 料科学与工程 ， 1 9 9 7 ， 2 2 1 5 2 1 5 8 [ 4] 左洪福 ， 蔡景 ， 吴吴， 等． 航空维修工程学[ M] ． 北 京 科学 出 版社 ， 2 0 1 1 ． [ 5] 孙荣恒． 随机过程及其应 用[ M] ． 重庆 重庆大学出版社 ， 2 0 0 1 ． [ 6] 袁赓 ， 王树刚 ， 黄一． 基于马尔 可夫链 的埋 地燃气钢 管管壁 腐蚀预测 [ J ] ． 哈尔滨工业大学学报 ， 2 0 1 0 ， 4 2 8 1 3 2 8 1 3 3 1 平台优点 的基础上 ， 更加注重系统 的可靠性 、 安全性 及故 障应急处理的可操作性 ， 具有很高的安全性和实 用性 。该平台除了为隧道的维修提供支持外 ， 还町以 作为隧道 内部设备 、 轨道上方高空设备的安装和检修 的专用升降设备。随着铁路 的发展 ， 隧道检查 、 维修 的工作量将越来越大， 液压隧道维修作业平台的作用 将越来越明显 。通过后续不断的完善和改进 ， 液压隧 道维修作业平 台还会在铁路其他领域发挥作用。 参考文献 [ 1 ] 郭卫社 ， 何 君茹． 浅谈 铁路 隧道病 害防治 [ J ] ． 隧道建 设 ， 2 0 0 3 3 5 5 5 8 ． [ 2 ] 王大鹏 ， 刘 白， 任水英． 带补偿措施 的串联液 缸新 同步 回路 『 J ] ． 传动技术 ， 2 0 0 0 4 4 0 4 2 ． 上接第5 6页 液压行走系统数学模型可满足实际需要 。 分析 ， 主要包括 液压系统 电液 比例方 向阀门的电压 ． ． ． 和阀门芯位移的数学方程 ， 液压系统 比例方 向阀流量 丐义陬 负载数学方程 ， 液压 系统液压 电机流量负载数学方 [ I ] 邵 娜， 齐 传刚掘进机行走液压系统动态 特性研究⋯ ． 煤矿 程 ， 液压系统液压电机扭矩数学方程 。这些数学模型 机电， 2 0 0 9 ， 1 2 6 1 8 - 2 1 ． 可以借助更改液压系统比例方 向阀的输入端 电压值 E 2 福忠， 宋珍珍 悬臂式掘进机液压行走系统的建模分忻l j 来调整比例方向阀门的开度值 ， 以此实现改变液压电 E 3 7 阳 掘 割电 机选型[ J ] ．科技 风，2 0 I 】 机的流量值 ， 从而依据得到的液压电机角速度值 、 角 ． 1 1 】 一 】 1 2 位移量 、 力矩大小来不断调整掘进机的位置。 [ 4 ] 王 虹． 我国综 ． 合机械化掘进技术发展[ C ]全国大型煤炭企 2 当电液比例方 向阀门的输入端 电压更改 ， 针 业综合技术发展 成果 集， 2 0 1 0 ， 1 1 4 2 1 2 2 1 8 - 对阀门芯位移改变进行仿真实验 ， 当对电液比例方 向 [ ] 王 伟 液压油的污染、 危害及控制[ l 液压与 气动， 2 0 0 4 , 阀的输入端电压值进行更改 ， 对液压 电机的角速度的 ‘ ⋯ 变更进行仿真实验 ， 仿真实验 的结果表明本文建立的 6 0