超前支架自适应支护理论与应用.pdf

第4 5 卷第1 0 期 2 0 2 0 年1 0 月 煤炭学报 J O U R N A LO FC H I N AC O A LS O C I E T Y V 0 1 ．4 5 O c t ． N o ．1 0 2 0 2 0 移动阅读 徐亚军，张坤，李丁一，等．超前支架自适应支护理论与应用[ J ] ．煤炭学报，2 0 2 0 ，4 5 1 0 3 6 1 5 3 6 2 4 ． X UY a j u n ，Z H A N GK u n ，L ID i n g y i ，e ta 1 ．T h e o r ya n da p p l i c a t i o no fs e l f - a d a p t i v es u p p o r tf o ra d v a n c e dp o w e r e ds u p p o f l [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aC o a lS o c i e t y ，2 0 2 0 ，4 5 1 0 3 6 1 5 3 6 2 4 ． 超前支架自适应支护理论与应用 徐亚军1 ⋯，张坤3 ⋯，李丁一1 ’2 ，朱军1 ’2 ，张德生1 ’2 1 ．天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京1 0 0 0 1 3 ；2 ．煤炭科学研究总院开采设计研究分院，北京1 0 0 0 1 3 ；3 ．山东科技大学机械电子 工程学院，山东青岛2 6 6 0 0 0 ；4 ．辽宁工程技术大学机械工程学院，辽宁阜新1 2 3 0 0 0 摘要针对现有超前支架反复支撑破坏巷道顶板和锚护系统问题，提出了超前支架自适应支护、 转换矩阵、峰值助力概念，给出了超前支架自适应支护定义，在综合分析超前支架自适应支护基础 上，建立了超前支架自适应支护理论。根据结构形式和控制方式的不同，将超前支架自适应支护分 为支护阻力自适应、支护姿态自适应、支护方式自适应3 种形式。结合具体结构特点，对上述3 种 自适应形式进一步进行了区分，将支护阻力自适应分为初撑力分布形式自适应、支护阻力和初撑升 降柱自适应，将支护姿态自适应分为顸梁姿态自适应和整体支护状态自适应，将支护方式自适应分 为移架方式自适应和行走方式自适应，介绍了每种形式自适应支护原理及其实现方法；采用线性代 数理论建立了自适应性顶梁结构量化关系，基于液压传动与控制原理给出了支护阻力自适应控制 方法，利用A M E S i m 软件构建了立柱位置和压力控制回路仿真模型并进行了仿真，采用运动学原理 分析了螺旋推进器行走部的超前支架的自适应移架方式与具体行走方法。试验结果表明，自适应 结构和装置大幅提升了支架适应能力，有效地解决了超前支架与巷道顶板和锚护系统协调匹配性 难题，提高了超前支架适应巷道围岩变化能力。 关键词自适应支护；转换矩阵；超前巷道；液压支架；螺旋推进器 中图分类号T D 3 5 3文献标志码A文章编号0 2 5 3 9 9 9 3 2 0 2 0 1 0 3 6 1 5 1 0 T h e o r ya n da p p l i c a t i o no fs e l f - a d a p t i v es u p p o r tf o ra d v a n c e dp o w e r e ds u p p o r t X UY a j u n l ”，Z H A N GK u n 3 ⋯，L ID i n g y i l ”，Z H UJ u n l ”，Z H A N GD e s h e n 9 1 ’2 1 ．C o a ZM i n i n gT e c h n o l o g yD e p a r t m e n t ，T i a n d iS c i e n c ea n dT e c h n o l o g yC o ．，n d ．，B e r i n g1 0 0 0 1 3 ，C h i n a ；2 ．M i n i n gD e s i g nI n s t i t u t e ，C h i n aC o a fR e s e a r c h I n s t i t u t e ，B e i j i n g 1 0 0 0 13 ，C h i n a ；3 ．C o l l e g eo fM e c h a n i c a la n dE l e c t r o n i cE n g i n e e r i n g ，S h a n d o n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，Q i n g d a o2 6 6 0 0 0 ， C h i n a ；4 ．S c h o o lo f M e c h a n i c a lE n g i n e e r i n g ，L i a o n i n gT e c h n i c a lU n i v e r s i t y ，F u x i n1 2 3 0 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t A i m i n ga tt h ep r o b l e mt h a tt h ee x i s t i n ga d v a n c e dp o w e r e ds u p p o r tr e p e a t e d l ys u p p o r t sa n dd e s t r o y st h er o o f a n da n c h o r a g es y s t e mo fr o a d w a y ，t h ec o n c e p t so fa d v a n c e ds u p p o r t ，t r a n s f o r m a t i o nm a t r i xa n dp e a kb o o s to fa d v a n c e p o w e r e ds u p p o r ta r ep u tf o r w a r d ．T h ed e f i n i t i o no fs e r f - a d a p t i v es u p p o r tf o ra d v a n c e dp o w e r e ds u p p o r ti sg i v e n ．A c - c o r d i n gt ot h ed i f f e r e n c eo fs t r u c t u r ea n dc o n t r o lm o d e ，t h es e r f - a d a p t i v es u p p o r to fa d v a n c es u p p o r t i sd i v i d e di n t o t h r e et y p e s s e l f - a d a p t i v es u p p o r tr e s i s t a n c e ，s e l f - a d a p t i v es u p p o r ta t t i t u d ea n ds e l f - a d a p t i v ew a l k i n gm o d e ．C o m b i n e d w i t ht h es p e c i f i cs t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ea b o v et h r e ea d a p t i v et y p e sa r ef u r t h e rd i v i d e d ．S e l f - a d a p t i v es u p p o r tr e s i s t a n c ei sd i v i d e di n t os e l f a d a p t i v ed i s t r i b u t i o no fs e t t i n gl o a da n ds e l f a d a p t i v el i f t i n go rd e s c e n d i n gl e gd u r i n gs e t r i n gl o a ds t a t e ．S e l f - a d a p t i v es u p p o aa t t i t u d ei s d i v i d e di n t os e l f - a d a p t i v ec a n o p ya t t i t u d ea n do v e r a l ls e l f - a d a p t i v es u p 一 收稿日期2 0 1 9 - 0 8 2 8修回日期2 0 1 9 1 1 2 3责任编辑郭晓炜D O I 1 0 ．1 3 2 2 5 ／j ．c n k i ．j c e s ．2 0 1 9 ．1 2 0 7 基金项目天地科技创新资金专项资助项目 2 0 1 8 一T D M S 0 2 0 ，2 0 1 8 - T D Q N 0 2 6 ；国家重点研发计划资助项目 2 0 1 7 Y F C 0 8 0 4 3 0 5 作者简介徐亚军 1 9 7 1 一 ，男，安徽枞阳人，研究员，博士。T e l 0 1 0 8 4 2 6 2 9 8 7 ，E - m a i l b j x u y z 1 2 6 ．c o r n 万方数据 3 6 1 6 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 p o r ts t a t e ．S e l f - a d a p t i v es u p p o r tm o d ei sd i v i d e di n t os e r f - a d a p t i v ea d v a n c i n gm o d ea n ds e r f - a d a p t i v ew a l k i n gm o d e ． T h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o do fs e l f - a d a p t i v es u p p o r tf o ra d v a n c ep o w e r e ds u p p o r ta r ei n t r o d u c e d ．T h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i po fa d a p t i v ec a n o p ys t r u c t u r ei se s t a b l i s h e db yt h em e t h o do fl i n e a ra l g e b r a ，t h ea d a p t i v ec o n t r o l m e t h o do fw o r k i n gp r e s s u r ei sg i v e nb yt h et h e o r yo fh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l ，t h es i m u l a t i o nm o d e lo fl e gp o s i t i o na n dp r e s s u r ec o n t r o ll o o pi sb u i l ta n ds i m u l a t e db yt h eA M E S i m ，a n dt h es e l f - a d a p t i v em o v i n gm o d ea n dw a l k i n g m e t h o do ft h eo m n i d i r e c t i o n a lw a l k i n ga d v a n c e dp o w e r e ds u p p o r t O W A P S a r ee x p l a i n e db yt h ep r i n c i p l eo fk i n e - m a t i c s ．T h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ea d a p t i v es t r u c t u r ea n dd e v i c eg r e a t l yi m p r o v et h ea d a p t a b i l i t yo ft h ep o w e r e ds u p - p o r t ，e f f e c t i v e l ys o l v et h ep r o b l e mo fc o o r d i n a t i o na n dm a t c h i n gb e t w e e nt h ea d v a n c es u p p o r ta n dt h er o a d w a yr o o fa n d b o l t i n gs y s t e m ，a n di m p r o v et h ea d a p t a b i l i t yo ft h ea d v a n c es u p p o r tt ot h ec h a n g e so ft h er o a d w a ys u r r o u n d i n gr o c k ． K e yw o r d s s e l f - a d a p t i v es u p p o r t ；c o n v e r s i o nm a t r i x ；a d v a n c e dr o a d w a y ；p o w e r e ds u p p o r t ；s c r e wp r o p e l l e r 随着煤炭开采技术的发展，越来越多的矿区开始 采用超前支架进行巷道超前支护。但是在实际使用 中发现现有超前支架适应性不强，与巷道锚护系统匹 配陛也有待提高，具体表现为现有超前支架支护强度 经常出现过支护 支护强度过高 或欠支护 支护强 度不足 现象，超前支架行走过程中对巷道顶板反复 支撑，造成巷道顶板和锚护系统破坏。如何提高超前 支架的适应性，减少超前支架对巷道顶板和锚护系统 的破坏已成为当前迫切需要解决的问题。文献[ 1 ] 对液压支架自适应控制进行了定义，给出了支架围岩 自适应控制策略。文献[ 2 ] 提出了综采工作面液压 支架一围岩自适应控制方法，介绍了相关自适应控制 装置。文献[ 3 ] 介绍了放顶煤液压支架自适应控制 系统基本原理，利用液压支架质量综合监测保障系 统，结合电液控制系统实现放顶液压支架自适应控 制。文献[ 4 ] 介绍了一种液压支架支护阻力自适应 分析方法。文献[ 5 ] 以Z Y l 7 3 0 0 ／3 2 ／7 0 型两柱掩护 式液压支架为例，研究基于粒子群算法求解最短时问 的液压支架最优过渡姿态，缩短液压支架动作时间， 实现液压支架移架速度自适应控制。文献[ 6 ] 主要 研究如何提高大倾角工作面液压支架适应性的相关 原理与方法。文献[ 7 ] 介绍了8m 超大采高工作面 超大煤量自适应连续运行基本原理及其实现方法。 文献[ 8 ] 介绍了液压支架综合工况自适应监测原理。 文献[ 9 ] 介绍了一种能够前后、左右摆动的超前液压 支架顶梁结构。 上述工作为笔者的研究创造了有利条件。应该 看到，当前研究主要针对工作面液压支架的自适应控 制问题，很少考虑超前支架的自适应原理与方法。为 了解决上述问题，笔者提出了超前支架自适应支护理 论，介绍了超前支架自适应支护原理及其实现方法， 研制了相关的自适应结构与控制装置，以减少超前支 架对巷道顶板与锚护系统的破坏，更好地维护巷道顶 板，实现超前支架高可靠性支护。 1 超前支架自适应支护原理与方法 超前支架自适应支护是指超前支架具有根据巷 与支护方式的能力。根据结构形式和控制方式的不 制了能够前后倾斜、左右摆动的超前液压支架自适应 柱的柱头接触限位，限制顶梁前后方向最大摆动量。 若顶梁纵向均布载荷集度为P ，顶梁长度为z ，前 C O Sa S I nd [ Q G 门l l0 I [ 2 F Ⅳ] 1 L s i n 仅 c o sd - J 式中，Q 为支架表面垂直载荷，Q P l ，k N ；G 为顶梁 重力，k N ∥为顶梁表面摩擦力，f 1 ．t Q ，k N ；F 为单根 万方数据 第1 0 期 徐、I F 簟等超油支架1 。l 适懂支护理沦‘孙；川j 3 6 1 7 图I超前支架顶梁阿后摆动7 J i 惑 F i g ．1S w i n gh a c ka n dI ．【1 1 1 t 1 1 f lc a n o p yw i l ht l d V a l l t ‘川 p o w e l ‘t ，f ls u p l H ”’t 为顶梁与顶板问摩擦因数。 『c o sd画Ⅷ] 令A [ QG 门，K l 10 l ，B L - 一。i nd。∞。d j [ 2 ，1 Ⅳ] ，有A K B 。其中，A 为主动载荷向量；K 为转换矩阵；B 为被动载荷向量。上述关系式清晰地 体现了自适应顶梁结构主要进行力的方向转化的结 构特点，主动载荷利用转换矩阵转化作，玎力的分力方 向，通过被动载荷响应实现顶梁结构平衡。 顶梁‘j 顶板问摩擦因数“ 0 ．2 ～0 ．3 ⋯，由 式 1 可知，顶梁最大摆角O L a r c t a n “ 11 ．3 。～ 1 6 ．7 。，考虑到顶梁前后摆动时讧柱顶端有水平力，v ， 为了防止迸柱在水平力作用下失稳，实际使用t 忖，顶 梁前后摆角一般取5 。～1 0 。。j ‘j 巷道沿T 作而走向 方向最大变化角度不超过设计角度d 时，在移柱支 撑力作用下，顶梁能够自主调节姿态，允分地接触巷 道顶板，避免了点接触现象发，l ，以适应巷道顶板起 伏变化。上述结构既保护支架结构不受破坏，又能给 巷道顶板以很好地支护。 顶梁除了有L 述纵向方向倾斜变化功能，还应有 横向方向调节能力。假没顶梁横向均币i 载荷集度为 q k N ／m ，顶梁宽度为B 1 1 1 ，顶梁横向摆角为／3 ，支 架表面垂直载荷为Q p q B ，取顶梁为研究对象， f t i l 图2 I ， 可知，若两根讧柱受力一致，彳丁 『 1o ] [ QG ／] h ，s 卢s i n ／3l [ 2 F c s ／32 F s i n ／3 ] l0lJ 2 式 2 同样说明了自适应顶梁具有转化作用力 分力方向的结构特性。f t f 式 2 可知，顶梁最大摆角 ／3 a r c t a l l 肛 11 ．3 。～1 6 ．7 。，实际没计中，顶梁左右摆 角通常取1 0 。～1 5 。。取顶梁和立柱为研究对象，由 图2 a 可知，底座固定鹰受到的水平力为 N Q s i n ／3 一“ ‘O S ／3 ／2 3 该水平力主要由底座固定座承担，I _ { 1 于同定座高 度较低，稳定一陛较好，有效地保汪了立柱结构不受破 罔2超胁支架顶梁序彳i 摆动示意 g ．2 氐、i I i gl e f t a 1 1 r I r i g h tI I f 。a I m p yw i t ha m [ 1 l l 。P 1 p o w e l ’e ds l l p p O l ’【 坏。顶梁左彳i 摆动主要由柱顶销 图2 1 ， I | I 蓝色销 轴 限位。分别取顶梁和柱顶销为研究对象，由罔 2 I ， ， c - 可知，当顶梁向左、右横向偏转角超过设汁 摆角口时，柱顶销两端分别通过固定耳座和柱帽耳孔 进行限位，其J 眈生的转矩肘⋯柱D r i l L 两端的接触力 矩进行平衡，即 M L ，矗，M n ￡ 4 式巾，M 为顶梁转矢f i ，k N i n ；“为图2 1 ， 巾摩擦力／’ 到，妒柱销轴叫1 心孑L f I 勺垂距；7 1 为固定耳座、柱帽耳孔 对柱顶销的作用力，k N ；，为柱顶孔对柱顶销的作用 力，k N ；b 为作用力f 问的辟i 离，I l l ；c 为作用力r 问的 距离，I I I 。 “t 于6 比c 短，I l I 式 4 【叮知，t T ，说明柱顶销I p 部的受力比两端要大。为此，将立柱七的柱顶孔没计 为锥形对称结构以对顶梁摆动进行限位；刚1 1 , t 为J ，避 免柱顶销剪切破坏，将柱顶销设计为如图2 c 所示 的两端直径较小、t f l 部直径较大的纺锤形结构。 1 ．2 ．2 整体支护状态白适应原理‘j 方法 当超前支架没有稳定机构时，不能简单地采用前 面介绍的顶梁结构进行自适应调控，．对于≈仔有稳定 机构的超前液压支架在支护过程姿态发生变化 时 ㈥3 ，需要采，f f j 超前液压支架姿态控制系统进行 支护状态调整“。j } 体方法足在底庭、顶梁、掩护梁 上安装角度传感器，在立柱卜没置J I i 力传感器收集支 架姿态与支护阻力参数信息，获取支架几何参量，通 过支架多维度姿态控制器实I I 寸感知支架姿态，判断支 架平衡状态，通过电液控制系统调控直柱支护高度和 相关f 斤顶行程，改变顶梁羽I 掩护梁姿态，调整支架 支护状态 图3 。通过上述力‘法，实现超前支架支护 状态r 1 适应调控。 2 支护阻力自适应原理与方法 研究表明，超前支架的支护阻力曲线沿T 作面走 向近似线性变化1 | ，具有一定梯度分布特性，越接近 采空区支护叭力越大。上述分布规律对初撑力和支 嚼m 蘧耍 万方数据 3 6 1 8 煤炭学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 罔3液压支架各传感器示意 F i g ．3 E a 1 hs e n s o ro fa d v a n ‘Pp o w e r e ds u p p o r l 护阻力都适用，因此超前支架沿工作面走向方向的初 撑力和支护阻力也应采取梯度分布形式进行布置，只 有这样超前支架的支护阻力才能与巷道的载荷分布 规律相一致。 2 ．1 初撑力分布形式自适应控制原理与方法 初撑力计算公式为 凡 ，_ 【，孚 5 其中，f ，为初撑力；P 。，为市柱下腔压力；D 为直柱内 径。由式 5 可知，立柱缸径／f i 变时，超前支架初撑 力取决于直柱下腔压力，凶而控制好立柱下腔压力即 叮控制立柱初撑力。初撑力自适应调控可以通过电 液控制系统来实现。调控原理如下根据超前支架前 期载荷分布形式的数据采集结果，给出初撑力沿工作 面走向分布形式，计算出不同位置处超前支架初撑力 大小。液压支架移架升架接顶时，压力传感器实时测 量立柱下腔压力，当立柱下腔压力达到设计数值时即 停止供液。电液控制系统可以根据系统设定数值自 动调整超前支架初撑力，进而实现初撑力分布形式自 适应调节。 2 ．2 支护阻力自适应控制原理与方法 文献[ 1 3 ] 提出用“低初撑、高工阻”的支护方法 来避免超前支护对顶板的过支护，以减少超前支架对 顶板的破坏。根据上述思想，没计了立柱支护阻力自 适应控制系统，具体原理如图4 所示。立柱初撑时， 操纵阀处于A 位，立柱下腔和立柱上腔与供液管路P 相通，立柱采用差动供液方式进行供液，初撑力为立 柱上下环腔面积差乘以供液管路P 的供液压力，立 柱初始工作时支护阻力较低，以达到低初撑力的目 的。 立柱正常] 二作时，操纵阀处于B 位，立柱上腔与 供液管路P 相通，立柱下腔被封闭，立柱下腔压力随 外载增加而升高。立柱下腔压力达到设定数值时，顺 序阀动作，液动换向阀换向，液动换向阀E 口导通， 1 操纵l 侧；2 一液辑‘单问l 饲；3 一顺阡喇舡一安令刚 5 一液动换向阎；6●柱；7 立拄卜腔8 一立柱卜腔 图4 支护阻力自适应控制系统 F i g ．4S e l f a d a p t i v e “m t r o lS v s | e l l lf o r s u p p o r t i n gl ‘ a 1 f I 、～e y e Is u p p | J 1 ．t 立柱上腔与回液口0 相通，差动供液方式解除，此时 立柱支护阻力为立柱下腔压力乘以立柱下腔面积。 当立柱下腔压力达到安全阀设定数值时，安全阀开 启，立柱达到额定工作阻力。 采用上述方法的立柱支护阻力曲线如图5 所示。 图5 中，J D 。为泵站压力；P ．为立柱第1 次峰值压力时 立柱下腔压力；P 为顺序阀动作压力；P 。。为安全阀 开启压力；F ．为立柱上下腔与泵站供液口相通时立 柱初撑力；F h 。、为顺序阀动作时立柱支护阻力；F 二为 立柱上腔与泵站回液口相通时立柱支护阻力；F 。。、 为立柱上腔与泵站回液口相通时立柱工作阻力； A F 。i ．、 F h 。、一F h 。、。图5 中，曲线1 为差动供液 时 立柱上腔与泵站出口压力管路相连 ，立柱支护 阻力曲线；曲线2 为非差动供液时 立柱上腔与泵站 回液口管路相通 ，立柱支护阻力曲线。若立柱下腔 面积为5 。，上腔面积为S ，不考虑系统背压影响，有 F ， P o S 。一S 2 ，F h 。、 P S 。一S 6 F 2 P ㈣S ，F 2 。。、 P 。。、S I 7 由式 6 ， 7 可知，曲线1 ，2 的初撑力差△F F 一F ， P 。S ，曲线1 ，2 峰值阻力差为△F 。．、 F 二。。、一 F h 。、 P 。。、一P S 。 J p 二S ．。不难发现，上述方法不仅 万方数据 第1 0 期徐 限车等超| i 『支架F i 适应支护理论与心用 F R ⋯ ，l ⋯ n F ， 【幻5 支护阻力曲线 F i g ．5S u p p ’t r e s i s t a t l ‘eC H I V e S 满足了立柱“低初撑、高j j 阻”的设计要求，而且增加 _ r 支护阻力变化幅度范围，具有峰值助力特性，整个 调节过程立柱压力随外部载荷变化自动调节大小，达 到了自适应调节日的。 2 ．3 初撑升柱速度自适应原理与方法 为了防止液压支架接顶时对巷道顶板产生冲击， 设计了基于立柱升降复合控制系统的超前支架升降 速度自适应控制装置，以实现超前支架与顶板平稳接 触。如图6 所示，该装置由位置控制回路和压力控制 回路组成，在顶梁上安装压力传感器检测顶梁与巷道 顶板接触状况，支架接顶前采用位置控制回路，实现 超前支架快速升降；当顶梁接触巷道顶板时，模糊切 换控制器自动切换为压力控制回路，t 柱由快速升高 转换为平稳升高，实现超前支架平稳接顶。 建立单个立柱油缸的电液耦合系统仿真模 型 图7 。似设顶板为弹性体，液旌缸为单活塞双作 用液压缸，考虑泄漏量模型的直径配合误差为 0 ．0 21 1 1 m ⋯．、 图6 超前支架平稳接顶示意 F i g ．6 S m o o t hr o a d w a yI ．o o fC O l l l l P ’t i o no t I I V a l I ‘e ] O W e l ’e ds u I p o r t 图7 系统仿真模型 F i g ．7 S y s t m ns i m u l a t i I l lm o d e l 以金鸡滩煤矿Z C Z 3 8 4 0 0 ／2 8 ／5 3 D 超前液压支架 为例，确定仿真模型参数，见表l ，其中，K 。为抗偏差 比例参数；K ．为积分参数；K 。．为微分参数。 机 考虑系统泄漏和泵容积效率，液压泵的转速为 1 0 0I ／n l i n ，仿真N 寸l m J 为4 ．0s ，采样问隔0 ．0 2S ，初撑 力设定为30 9 6N ，分别使用新型萤火虫算法和神经 万方数据 煤炭 学报 2 0 2 0q - 第4 5 卷 网络结合的P I D 控制器 改进P I D 控制器 Ⅲ1 和普 通P I D 控制器进行“降架一移架一升架”这一过程的 仿真，结果如图8 ，9 所示。 表1 仿真模型参数设置 T a b l e1S i m u l a t i o nm o d e lp a r a m e t e rs e t t i n g s 阀芯质_ f l t M A S 2 1 ／k g 活塞杆质{ I f M A S 2 1 ／k g 反馈信5 i } 比例系数 G A 0 0 e l e 、t 0 14 阀芯控制比例系数 G A 0 0 e l e c t 0 1 0 ．2 1 5 5 1 时间／s fa 降架过程支撑力曲线 时间／s b 油缸活塞f 讧移对比 图8 立柱降架过程仿真结果 F i g ．8S t q t o l ’t 1 l l ’v eo ff a l l i n gp l ’ ‘P S S 由图8 a 可知，改进P I D 控制器在降架过程支 撑力在0 ～0 ．9S 时缓慢下降，在此时间段内支架顶 时间／s a 升架过程支撑力曲线 时I 闭／s b 油缸} 【l 寒位移刘比 图9 立柱升架过程仿真结果 F i g ．9S u p p o r lc u l ．v P ，fh o i s t i n gp r o c e s s 梁与顶板开始分离，保证无支撑时顶板应力不发生突 变，有效保护顶板；0 ．9 ～2 ．5S 时支撑力迅速减少，此 时间段内超前支架顶梁与顶板分离，为保证超前支架 快速移架，支撑力迅速减小；2 ．5 ～4 ．0S 支撑力稳定 不变，超前支护顶梁与顶板完成脱离。而普通P I D 控制器在降架初期，支撑力存在突变下降且波动较 大，会造成小幅度反复支撑不利于保护顶板；另外，支 撑力下降缓慢，在一定程度上影响支护效率。 由图8 1 ， 油缸活塞位移曲线可知，改进P I D 控 制器在0 ～1 ．1S 时立柱缓慢脱离顶板，防止实际工 况中振动现象的发生，抑制顶梁上下波动，避免对顶 板反复支撑破坏；1 ．1 ～2 ．8S 由于超前支架顶梁与顶 板已经分离，逆柱快速下降，提高降柱效率；2 ．8S 以 后立柱完全回落，为下一步移架做好准备。改进的 P I D 控制器避免了普通P I D 控制存在降架初期波动 幅度过大，整个降柱过程效率低下的问题。 超前支架完成“降架一移架”动作后，超前支架升 架过程仿真结果如图9 所示。由图9 a 口J ．知，应用 改进P I D 控制器在升架过程支撑力在0 ～0 ．9S 时缓 慢增加，有利于保证支撑立柱同步启动；0 ．9 ～2 ．0s 时支撑力迅速增加，未与顶板接触前，升柱速度快； 2 ～4s 实行超前支架缓慢接顶策略，此时问段内支撑 力缓慢增加到最后稳定不变，更好地保护顶板。而普 通P I D 控制器在升架初期，支撑力存在突变增加且 万方数据 第1 0 期徐、I 矿军等超I j l 『支架f 1 适应支护理论与应用 3 6 2 波动较大，同步启动难度大；另外，支撑力上升缓慢， 影响升柱效率，在达到初撑力设定值时不能平稳过 渡。 由图9 b 可知，应用改进P I D 控制器在0 ～ 1 ．1S 时立柱快速上升，提高升柱效率；1 ．1 ～2 ．8S 超 前支架顶梁与顶板即将接触，立柱缓慢f 升，防止实 际工况中振动现象发生，抑制顶梁位移上二下波动，避 免振动对顶板扰动破坏；2 ．8S 以后活塞与顶板完全 接触，超前支架达到初撑力设定值。改进的P I D 控 制器解决了普通P I D 控制存在升架速度缓慢、顶梁 临近顶板时不能平稳过渡的问题，。 3 支护方式自适应原理与方法 支护方式自适应特指行走方式自适应，包括移架 方式自适应和行走方法自适应两方面内容。 3 ．1 移架方式自适应原理与方法 现有超前支架最大问题是反复支撑破坏巷道顶 板m 一8 。由于采用顺序前移方式进行移动，移动过 程中液压支架不停降柱、升柱⋯，反复对巷道顶板加 载、卸雎，造成巷道顶板破碎，加之支架擦顶移架时， 移架力过大，直接剪切锚杆和锚索，致使锚杆和锚索 松动破坏，托盘脱落，无法锚护，造成锚护系统失效。 为此研制‘r 全方位行走支架 图1 0 ，采用螺旋推进 器作为行走部 图l1 ，利用乳化液马达驱动行止 图 1 2 ，最大持点是仅需改变左右2 个螺旋推进器的转 速和转向，即可实现前进、后退、侧向平移和旋转全方 位行走[ 孙。 图1 0 支架i 维实体模型 F i g ．10 3Dm o d e lo fp i w e i ‘e ds u p t o i ’I 图1 3 为螺旋推进器旋向与行走方向的关系，图 一f 1 左右侧螺旋推进器的旋向分别为左旋和右旋。如 图1 3 a 所示，左侧螺旋推进器向左旋转，右侧螺旋 推进器向右旋转，若左右螺旋推进器转速都为叫、中 径都为r 、螺旋升角为y ，左右侧螺旋推进器，’方向移 动速度”、相互抵消，超前支架沿T 方向前进或后退 速度为”， 2 w r s i ny ；如图1 3 1 J 所示，左、右螺旋推 进器都向左旋转且转速都为∞、中径都为r ，左右侧螺 H1 1 全方位行走部实物样机 F i g ．1lP r o t o t y I } cI l f ‘m i n i d i i ’e c l i o n a lw a l k i n gp a r t 图1 2 螺旋推进器行走部 F i g ．12W a l k i n gp a l ’t J 』．s c r e wl l r 1 l l e H e i ’ 旋推进器戈办向移动速度“ ．相互抵消，超前支架沿1 方向侧向平移速度为”、 2 叫r c o sy ；如图13 c - 所示， 左侧螺旋推进器左旋，右侧螺旋推进器不动，超前支 架原地旋转j 由于基于螺旋推进器的支架具有全方位行走功 能，因此可以采用换位前移的方式进行移架，即将巷 道中的最后一架超前支架直接移动到超前支架组的 前方，变成第架超前支架，通过行走方式的白适应， 有效解决现朽超前支架反复支撑破坏巷道顶板和锚 护系统难题， 3 ．2 行走方法自适应原理与方法 如前所述，全方位行走支架最大特点是操作简 单，仪需改变左右两个螺旋推进器的转速和转向，即 可实现前移、侧移和旋转全方位行走卜卜1 。该特点 决定了该型支架易于实现智能行走。如图1 4 所示， 在超阿支架卜布置红外发射器、红外接收器和超声波 测距装置，超前支架根据红外发射器和红外接收器判 断超前支架行走方向，通过前后部测距装置测量超前 支架到两帮煤壁距离“，d 忙，d Ⅲ，d 舱以及到相邻超 前支架问的距离d ㈤d ∽d 。一d ， 图1 5 ，比较上述参 数差值，判断超前支架判断超前支架在巷道中的位 置，以及是否在巷道中发生偏转。通过上述方法修正 支架位置信息，及时调整支架行走方式和行走状态， 实现超前支架自动导向自动行走与就位，智能行走流 程如『习1 6 所示，6 为系统没定的控制裕度。 万方数据 3 6 2 2 煤炭 学报 2 0 2 0 年第4 5 卷 图1 3螺旋推进器旋向’j 行走方向的关系 F i g ．13 R e l a t i o nb e