第六章液壓支架及其智能化技術(shù)目錄CONTENTS6.1概述6.2基本結(jié)構(gòu)與原理6.3液壓支架電液控系統(tǒng)6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)6.6液壓支架智能感知及控制策略6.1概述概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造1液壓支架是以高壓乳化液為動(dòng)力，由若干液壓元件與一些金屬結(jié)構(gòu)件組合而成的支撐和控制頂板的支護(hù)設(shè)備。它能實(shí)現(xiàn)升架、降架、移架、推動(dòng)刮板輸送機(jī)前移以及頂板管理等一整套工序。早期液壓支架主要采用手動(dòng)操縱方式，20世紀(jì)70年代國(guó)外開(kāi)始研發(fā)電液控技術(shù)，

到90年代電液控技術(shù)基本成熟。電液控技術(shù)實(shí)現(xiàn)了液壓支架的自動(dòng)化。近年來(lái)，液壓支架開(kāi)展智能化研究，提出發(fā)展支護(hù)狀態(tài)的自感知、自分析及自調(diào)整等功能，實(shí)現(xiàn)支架對(duì)圍巖的自適應(yīng)支護(hù)，達(dá)到工作面“有人巡視、無(wú)人值守”的智能化開(kāi)采目標(biāo)。

圖6-1兩柱掩護(hù)式液壓支架6.2基本結(jié)構(gòu)與原理基本結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造2承載結(jié)構(gòu)件主要包括前梁、頂梁、掩護(hù)梁、前、后連桿及底座等金屬結(jié)構(gòu)件。液壓支架一般由承載結(jié)構(gòu)件、執(zhí)行元件、控制元件及輔助裝置四大部分組成。頂梁——直接與頂板接觸，承受頂板載荷的支架部件叫頂梁。支架通過(guò)頂梁實(shí)現(xiàn)支撐、控制頂板的功能。頂板載荷

圖6-2液壓支架頂梁承載示意圖底座——直接與底板接觸，承受立柱傳來(lái)的頂板壓力，并將其傳遞至底板的部件叫底座。支架通過(guò)底座與推移裝置相連，以實(shí)現(xiàn)自身前移和推移輸送機(jī)前移。底板載荷

圖6-3液壓支架底座傳遞載荷示意圖前梁——前梁通過(guò)前梁千斤頂可實(shí)現(xiàn)上下擺動(dòng)，這種擺動(dòng)能力使得前梁能夠適應(yīng)不同高度的頂板，從而提高整個(gè)液壓支架的適應(yīng)性和穩(wěn)定性?；窘Y(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造3掩護(hù)梁——阻擋采空區(qū)垮落的矸石串入工作面，并承受采空區(qū)垮落矸石的載荷和承受頂板通過(guò)頂梁傳遞的水平推力的部件叫掩護(hù)梁。掩護(hù)梁與前、后連桿、底座共同組成四連桿機(jī)構(gòu)，承受支架的水平分力。當(dāng)?shù)装宀黄綍r(shí)，掩護(hù)梁還將承受扭轉(zhuǎn)載荷。前、后連桿——前、后連桿與掩護(hù)梁、底座組成四連桿機(jī)構(gòu)，既可承受支架的水平分力，又可使頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)在支架調(diào)高范圍內(nèi)做近似直線運(yùn)動(dòng)，使支架的梁端距基本保持不變，從而提高了支架控制頂板的可靠性。

圖6-4液壓支架掩護(hù)梁承載示意圖采空區(qū)工作區(qū)頂板底板煤壁梁端距鉸接點(diǎn)

圖6-5前、后連桿及支架調(diào)高示意圖前連桿后連桿6.2基本結(jié)構(gòu)與原理

基本結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造46.2基本結(jié)構(gòu)與原理執(zhí)行元件主要包括立柱和各種千斤頂。立柱——支架上凡是支撐在頂梁(或掩護(hù)梁)和底座之間直接或間接承受頂板載荷，調(diào)整支護(hù)高度的液壓缸稱(chēng)為立柱。千斤頂——液壓支架中除立柱以外的液壓缸均稱(chēng)為千斤頂。依其功能分為前梁千斤頂、推移千斤頂、平衡千斤頂、護(hù)幫千斤頂、側(cè)推千斤頂和復(fù)位千斤頂?shù)?。它們完成推移刮板輸送機(jī)、移設(shè)支架、調(diào)整支架及各種保護(hù)動(dòng)作等。當(dāng)液壓支架設(shè)置防倒、防滑裝置時(shí)，還設(shè)有各種防倒、防滑千斤頂和調(diào)架千斤頂。

圖6-6液壓支架立柱和各類(lèi)千斤頂

基本結(jié)構(gòu)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造56.2基本結(jié)構(gòu)與原理輔助裝置包括推移裝置、護(hù)幫裝置和防倒防滑裝置等。推移裝置——實(shí)現(xiàn)支架自身前移和刮板輸送機(jī)前移的裝置。推移裝置分為正拉結(jié)構(gòu)和反拉結(jié)構(gòu)，一般重型支架采用反拉結(jié)構(gòu)。反拉式推移裝置主要由推移油缸、活塞桿、推移桿、連接頭等組成。推移油缸通過(guò)缸底的圓銷(xiāo)與底座連接，推移桿通過(guò)連接頭與刮板輸送機(jī)的中部槽連接。推移油缸前、后連桿活塞桿底座推移桿連接頭中部槽

圖6-7反拉式推移裝置結(jié)構(gòu)示意圖動(dòng)作原理——推溜時(shí)，先升起立柱，支架頂梁支撐頂板，支架保持不動(dòng)，活塞桿縮回，推移桿向煤壁方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推溜；移架時(shí)，先降低立柱，支架頂梁脫離頂板，活塞桿伸出，由于溜槽被固定，成了拉架的支點(diǎn)，支架被推移油缸頂向煤壁。

動(dòng)作原理戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造66.2基本結(jié)構(gòu)與原理（1）升架

當(dāng)需要支架上升支護(hù)頂板時(shí)，將操縱閥1置于升柱位置，高壓液體經(jīng)液控單向閥進(jìn)入立柱下腔，立柱上腔回液，高壓液體推動(dòng)立柱活塞上升，使與活塞桿相連接的頂梁升起支撐頂板。液壓支架在工作過(guò)程中，主要進(jìn)行升架、降架、移架和推溜這四個(gè)基本動(dòng)作，這些動(dòng)作是利用泵站供給的高壓乳化液通過(guò)工作性質(zhì)不同的液壓缸來(lái)完成的。（2）降架當(dāng)需要支架下降時(shí)，將操縱閥1置于降柱位置，高壓液體經(jīng)液控單向閥進(jìn)入立柱上腔，立柱下腔回液，高壓液體推動(dòng)立柱活塞下降，于是頂梁脫離頂板。

圖6-8液壓支架工作原理圖

動(dòng)作原理戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造76.2基本結(jié)構(gòu)與原理（3）移架

在完成降架卸載后，將操縱閥2置于移架位置，高壓液體進(jìn)入推移千斤頂活塞桿腔，活塞腔回液，以輸送機(jī)為支點(diǎn)，缸體前移，把支架拉向煤壁。（4）推溜支架升架支撐頂板，將操縱閥2置于推溜位置，高壓液體進(jìn)入推移千斤頂活塞腔，活塞桿腔回液，以支架為支點(diǎn)，活塞桿伸出，把輸送機(jī)推向煤壁。

圖6-8液壓支架工作原理圖THANKS第六章液壓支架及其智能化技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS6.1概述6.2基本結(jié)構(gòu)與原理6.3液壓支架電液控系統(tǒng)6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)6.6液壓支架智能感知及控制策略6.3液壓支架電液控系統(tǒng)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造8液壓支架電液控系統(tǒng)是將計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電子技術(shù)和液壓技術(shù)結(jié)合為一體的新技術(shù)。由計(jì)算機(jī)、傳感器和液壓回路控制部件等組成，能夠根據(jù)生產(chǎn)需要而控制液壓支架自動(dòng)動(dòng)作。其核心是通過(guò)計(jì)算機(jī)程序控制電子信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)電液閥動(dòng)作將手動(dòng)操作變計(jì)算機(jī)控制的電子信號(hào)操作。支架電液控系統(tǒng)可以大大提高支架的動(dòng)作速度、自動(dòng)化程度和安全保障功能，同時(shí)減輕操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)效率。其自主動(dòng)作、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，避免了因操作人員的誤動(dòng)作而帶來(lái)的不必要的人員和財(cái)產(chǎn)損失。6.3液壓支架電液控系統(tǒng)液壓支架電液控系統(tǒng)組成戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造9工作面液壓支架電液控系統(tǒng)由井下主控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器、隔離耦合器、隔爆兼本安型電源、支架控制器、電液控制閥組、壓力、位移等各類(lèi)傳感器、各種線纜等元件組成，各部分通過(guò)電纜及其它電控輔助配套部件連接。井下主控計(jì)算機(jī)是液壓支架電液控系統(tǒng)的控制樞紐，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)工作面液壓支架工況信息的集中監(jiān)測(cè)、顯示和分析，對(duì)支架的啟停、動(dòng)作進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，對(duì)支架跟機(jī)自動(dòng)化的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置等。井下主控計(jì)算機(jī)還負(fù)責(zé)將設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)上傳至井上。

圖6-9工作面液壓支架電液控系統(tǒng)組成

圖6-10單臺(tái)液壓支架電液控系統(tǒng)組成6.3液壓支架電液控系統(tǒng)液壓支架電液控系統(tǒng)組成戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造10支架控制器是電液控制系統(tǒng)的核心部件，每一臺(tái)支架配置一臺(tái)支架控制器。支架控制器向下連接電磁閥驅(qū)動(dòng)器、紅外接收器、壓力、位移、姿態(tài)等傳感器。支架控制器與電磁閥驅(qū)動(dòng)器之間通過(guò)一根4芯電纜連接，其中2芯為電源線、2芯為數(shù)據(jù)線。驅(qū)動(dòng)器再通過(guò)數(shù)根電纜分別與相應(yīng)的電磁閥連接。驅(qū)動(dòng)器接受控制器的控制命令，實(shí)現(xiàn)對(duì)每個(gè)電磁線圈通/斷的控制，使相對(duì)應(yīng)的液控主閥通/斷，實(shí)現(xiàn)支架的各個(gè)動(dòng)作。壓力傳感器安裝在支架立柱和千斤頂上，用來(lái)檢測(cè)立柱和千斤頂?shù)墓ぷ鲏毫?。位移傳感器通常?nèi)置于推移千斤頂中，用以測(cè)量工作面的累計(jì)推進(jìn)量和推進(jìn)速度。紅外、壓力、位移、姿態(tài)等傳感器連接至控制器，是電液控系統(tǒng)中用于反饋支架工作狀態(tài)的元部件。紅外接收器一般安裝在支架的立柱上，主要功能是監(jiān)測(cè)采煤機(jī)的位置和方向，用以實(shí)現(xiàn)液壓支架跟隨采煤機(jī)的自動(dòng)控制。姿態(tài)傳感器，即傾角傳感器，安裝在支架的頂部或側(cè)面，用以計(jì)算當(dāng)前液壓支架的姿態(tài)。

圖6-9工作面液壓支架電液控系統(tǒng)組成6.3液壓支架電液控系統(tǒng)液壓支架電液控系統(tǒng)組成戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造11支架控制器之間由架間電纜進(jìn)行串行連接，通訊方式采用CAN總線或以太網(wǎng)。通常每4個(gè)支架控制器為一組，組與組之間由隔離耦合器進(jìn)行隔斷。隔離耦合器隔斷組與組之間的電氣連接，只允許通過(guò)數(shù)據(jù)信號(hào)，從而確保煤礦井下的安全生產(chǎn)。隔爆兼本安型電源為支架電液控系統(tǒng)提供電源。每個(gè)支架控制器組配備1臺(tái)隔爆兼本安型電源，該電源由AC127V供電，輸出兩路獨(dú)立的DC12V，經(jīng)隔離耦合器后向兩側(cè)的支架控制器組供電。服務(wù)器安裝在靠近刮板輸送機(jī)機(jī)頭（或機(jī)尾）處，外觀和支架控制器相同，其功能是處理工作面所有支架控制器的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換器傳輸給井下主控計(jì)算機(jī)。電液控系統(tǒng)主要元部件介紹戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造126.3液壓支架電液控系統(tǒng)

圖6-11ZDYZ-Z型支架控制器防護(hù)標(biāo)準(zhǔn)：本安型;防護(hù)等級(jí)：IP68;額定工作電壓:DC12V;額定工作電流:≤130mA;20路開(kāi)關(guān)量輸出，驅(qū)動(dòng)電流為100~120mA;5路模擬量輸人，其中電流型為12~110mA，電壓型為0.5~4.5V;通信接口為雙冗余型CAN總線支架控制器：以ZDYZ-Z型支架控制器為例，其外觀如圖所示，采用不銹鋼外殼結(jié)構(gòu)，其內(nèi)部采用橡膠密封、環(huán)氧樹(shù)脂全灌封等措施，使支架控制器防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68，提高了支架控制器的抗潮能力。控制器有足夠的各種類(lèi)型的輸入口、輸出口，通信口總共12個(gè)，它們的電纜插座都分布在控制器后面，插頭座的型式都是統(tǒng)一的4芯結(jié)構(gòu)，1號(hào)芯為電源12V、4號(hào)芯為0V或接地、2號(hào)芯和3號(hào)芯的用途隨功能而異?？刂破鞯娜藱C(jī)界面設(shè)有22個(gè)操作鍵、一個(gè)閉鎖按鈕、一個(gè)急停按鈕、2×10中文漢字波晶顯示屏、LED信號(hào)顯示燈以及蜂鳴器，這些硬件設(shè)施保證了操作者方便地進(jìn)行各種提作控制和參數(shù)設(shè)置，并及時(shí)獲得系統(tǒng)的提示和狀態(tài)信息。電液控系統(tǒng)主要元部件介紹戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造136.3液壓支架電液控系統(tǒng)隔爆兼本安型直流穩(wěn)壓電源是一種允許在瓦斯、煤塵爆炸危險(xiǎn)環(huán)境中使用，作為支架電控系統(tǒng)專(zhuān)用的電源變換裝置。從工作面接入127V交流電源，變換成額定的12V直流電源，向系統(tǒng)各類(lèi)設(shè)備供電。

圖6-12KDW127/12型隔爆兼本安型電源電源箱內(nèi)裝有兩個(gè)獨(dú)立的AC/DC膠封模塊構(gòu)成獨(dú)立的雙路電源，每路額定負(fù)載電流為2A可向多至6個(gè)相鄰的支架控制器供電，每路電源都具有輸入過(guò)壓保護(hù)、雙重截止式快速過(guò)流和過(guò)壓保護(hù)、可帶載啟動(dòng)和自動(dòng)恢復(fù)。電液控系統(tǒng)主要元部件介紹戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造146.3液壓支架電液控系統(tǒng)隔離耦合器是用來(lái)實(shí)現(xiàn)支架控制器的電源組隔離和信號(hào)耦合。一個(gè)電源箱只能帶4~6個(gè)支架控制單元，在工作面內(nèi)需要有多個(gè)電源箱，分別給所在區(qū)域的支架控制單元供電。為防止控制信號(hào)干擾，使用隔離耦合器對(duì)電信號(hào)進(jìn)行隔離，還可以實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展。

圖6-13SAC-I型隔離耦合器如圖所示為SAC-I型隔離耦合器，該耦合器有4個(gè)插口，分別為A1、A2、A3和A4，兩側(cè)(每側(cè)2個(gè)口)分別連接被隔離的兩組控制器，靠外的插口接控制器，靠?jī)?nèi)的插口接12V電源。隔離耦合器器工作電壓為DC12V，工作電流A1側(cè)不大于35mA，A4側(cè)不大于25mA。電液控系統(tǒng)主要元部件介紹戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造156.3液壓支架電液控系統(tǒng)壓力傳感器：目前礦用壓力傳感器主要采用高溫?zé)Y(jié)工藝的硅應(yīng)變技術(shù)，這種燒結(jié)工藝能有效避免用膠粘貼應(yīng)變片帶來(lái)的蠕變問(wèn)題，并且其靈敏度是普通金屬應(yīng)變式和濺射薄膜式的5~10倍，因此在同樣壓力量程下，能將膜片直徑做小而厚度加大，從而提高壓力傳感器的可靠性和抗過(guò)載能力。如圖所示為礦用壓力傳感器及其半剖圖，傳感器壓力腔體是采用整塊17-4PH沉淀硬化不銹鋼棒料，CNC加工出引壓孔，并在引壓孔底部保留直徑5毫米、厚度2~3毫米的感壓膜片，這種一體化結(jié)構(gòu)使壓力腔體內(nèi)部不存在焊縫和“O”型圈，消除了泄露隱患，使傳感器具有良好的密封性。礦用壓力傳感器的主要技術(shù)參數(shù)有：測(cè)量范圍為0~60MPa或0~100MPa，測(cè)量精度可達(dá)±1%，具備1.5倍過(guò)載能力。

圖6-14礦用壓力傳感器電液控系統(tǒng)主要元部件介紹戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造166.3液壓支架電液控系統(tǒng)位移傳感器：目前主要采用干簧管原理，傳感器外形為細(xì)長(zhǎng)管結(jié)構(gòu)，外部套有磁環(huán)，管體一端固定在液壓缸端部，另一端則插入活塞桿中心的長(zhǎng)孔中。磁環(huán)安裝在活塞桿端部，隨活塞桿移動(dòng)。

圖6-15干簧管式位移傳感器

圖6-16傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和原理：如圖所示，管體內(nèi)沿軸向均勻分布著電阻列和干簧管列，干簧管作用相當(dāng)于開(kāi)關(guān)，它們連接成網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成電位器電路。隨著活塞桿移動(dòng)，磁環(huán)的磁場(chǎng)使所到位置的干簧管接點(diǎn)閉合，相當(dāng)于電位器的移動(dòng)觸刷走到該位置，電位器輸出值發(fā)生變化，從而反映位移變化。主要技術(shù)指標(biāo)：額定工作電壓為DC12V，額定工作電流為15mA，有效測(cè)量范圍為0~1200mm，測(cè)量精度為3mm。THANKS第六章液壓支架及其智能化技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS6.1概述6.2基本結(jié)構(gòu)與原理6.3液壓支架電液控系統(tǒng)6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)6.6液壓支架智能感知及控制策略6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造17液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架是根據(jù)采煤機(jī)當(dāng)前位置信息和作業(yè)循環(huán)要求，在采煤機(jī)位置前或后的設(shè)定距離上自動(dòng)執(zhí)行推移刮板輸送機(jī)、移架(液壓支架的降、移、升架)、自動(dòng)伸縮護(hù)幫板等一系列配套動(dòng)作，完成由液壓支架驅(qū)動(dòng)的綜采工作面整體推進(jìn)，其動(dòng)作工藝流程如圖所示。

圖6-17跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作工藝流程

圖6-17跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作工藝流程6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造18采煤機(jī)在輸送機(jī)上運(yùn)行割煤，由采煤機(jī)長(zhǎng)度的中點(diǎn)定義采煤機(jī)當(dāng)前位置，并以此為基準(zhǔn)定義各個(gè)動(dòng)作執(zhí)行區(qū)間。例如，移架距離表示能夠執(zhí)行移架動(dòng)作的支架與采煤機(jī)當(dāng)前位置的最小距離。如圖中移架距離為7，表明允許執(zhí)行移架動(dòng)作的支架與采煤機(jī)當(dāng)前位置的最小間距為7，即7臺(tái)支架的間隔。移架范圍指移架距離后面能夠執(zhí)行移架動(dòng)作的支架范圍，如圖中移架范圍為5，表示在這個(gè)范圍內(nèi)的5個(gè)支架均可以執(zhí)行移架動(dòng)作。

圖6-17跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作工藝流程6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造19同理，推移刮板輸送機(jī)距離、伸護(hù)幫板距離、收護(hù)幫板距離表示執(zhí)行推移刮板輸送機(jī)動(dòng)作和護(hù)幫板動(dòng)作與采煤機(jī)位置的最小間隔距離。推移刮板輸送機(jī)范圍、伸護(hù)幫板范圍、收護(hù)幫板范圍則表示推移刮板輸送機(jī)和護(hù)幫板能夠動(dòng)作的范圍。6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造20最終，依據(jù)圖中所規(guī)定的工藝流程，當(dāng)采煤機(jī)行走時(shí)，處于采煤機(jī)運(yùn)行方向前的液壓支架自動(dòng)收護(hù)幫板，運(yùn)行方向后的液壓支架自動(dòng)完成移架、伸護(hù)幫板、推移刮板輸送機(jī)等功能，實(shí)現(xiàn)綜采工作面液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架。

圖6-17跟機(jī)自動(dòng)化動(dòng)作工藝流程6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)采煤機(jī)位置檢測(cè)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造21采煤機(jī)位置是自動(dòng)跟機(jī)移架實(shí)現(xiàn)的依據(jù)，所有自動(dòng)跟機(jī)移架動(dòng)作序列都必須依靠采煤機(jī)的位置來(lái)實(shí)現(xiàn)，因此必須準(zhǔn)確、可靠。采煤機(jī)位置以整數(shù)數(shù)字來(lái)表示，通常在1~300之間，表示采煤機(jī)的中間部位對(duì)應(yīng)著以整數(shù)數(shù)字編號(hào)的液壓支架。目前，檢測(cè)采煤機(jī)位置的主要方法為紅外檢測(cè)法。紅外檢測(cè)法：紅外檢測(cè)裝置由紅外發(fā)射器及接收器構(gòu)成，如圖所示。紅外發(fā)射器安裝在采煤機(jī)上，接收器安裝在液壓支架立柱上，紅外發(fā)射器的紅外二極管和接收器的紅外二極管必須面對(duì)面安裝。一個(gè)工作面在采煤機(jī)上安裝一個(gè)紅外發(fā)射器，每個(gè)液壓支架安裝1個(gè)接收器。發(fā)射器每隔20ms定時(shí)發(fā)射紅外線信號(hào)，附近支架上的接收器接收到紅外線信號(hào)后轉(zhuǎn)發(fā)給支架控制器，由支架控制器對(duì)接收到的紅外線信號(hào)進(jìn)行處理，得到采煤機(jī)位置數(shù)據(jù)。隨著采煤機(jī)行走，液壓支架上的接收器依次接收到紅外線信號(hào)，由此得到動(dòng)態(tài)的采煤機(jī)位置。

圖6-18采煤機(jī)位置紅外檢測(cè)方法6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)自動(dòng)推移刮板輸送機(jī)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造22根據(jù)采煤工藝設(shè)定及采煤機(jī)位置自動(dòng)成組推移刮板輸送機(jī)。此功能相對(duì)簡(jiǎn)單，但在井下使用時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)推移刮板輸送機(jī)不到位、煤機(jī)速度快時(shí)漏架、架間有水泵等設(shè)備時(shí)不能拉架等問(wèn)題。為此需采取多種措施：一是每次推移刮板輸送機(jī)到100%行程，同時(shí)傳感器到位后再多推5~10s，確保每架推到位；二是增加漏架檢測(cè)功能，推移刮板輸送機(jī)前及時(shí)補(bǔ)拉；三是程序上增加拖架功能，如支架故障拉不到位或架前有設(shè)備不能拉架時(shí)，推移刮板輸送機(jī)時(shí)程序自動(dòng)將未拉到位的支架立柱降下周邊支架推移刮板輸送機(jī)時(shí)可將此支架拖出。6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)自動(dòng)跟機(jī)拉架戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造23根據(jù)不同工藝，按照采煤機(jī)不同位置和牽引方向，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟機(jī)拉架。針對(duì)井下使用時(shí)出現(xiàn)跟機(jī)速度慢的問(wèn)題，采取了多種措施：一是提高支架移架速度，主要措施是增加泵站系統(tǒng)乳化液供液流量，加大主供(回)液管直徑，采用雙供雙回系統(tǒng)；二是支架拉架速度滯后采煤機(jī)時(shí)，控制系統(tǒng)立即啟用成組拉架功能，成組拉架時(shí)采用擦頂拉架方式；三是每次拉架拉到100%行程，同時(shí)傳感器到位后再多拉1~28，確保每架拉到位；四是本架拉架時(shí)，旁邊2~4架支架推移刮板輸送機(jī)，以防止刮板輸送機(jī)倒退導(dǎo)致支架拉不到位；五是位移傳感器失效時(shí)，程序會(huì)以時(shí)間判斷拉架，防止漏架。護(hù)幫板自動(dòng)控制自動(dòng)收打護(hù)幫板主要是根據(jù)采煤機(jī)運(yùn)行速度調(diào)整程序運(yùn)行參數(shù)，防止采煤機(jī)速度過(guò)快出現(xiàn)干涉。一般在采煤機(jī)速度達(dá)到10m/min左右時(shí)，采煤機(jī)前方收護(hù)幫板動(dòng)作超前架數(shù)設(shè)定為20~25架。液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架是工作面智能化系統(tǒng)的基本功能，是否自動(dòng)跟機(jī)移架直接關(guān)系到工作面自動(dòng)化生產(chǎn)的實(shí)現(xiàn)。6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造24工作面在連續(xù)推進(jìn)過(guò)程中必須保證在傾斜方向始終處于直線狀態(tài)，確保輸送機(jī)、支架排列整齊，避免因彎曲度過(guò)大導(dǎo)致設(shè)備的損壞。工作面推進(jìn)時(shí)，支架和刮板輸送機(jī)互為支點(diǎn)，通過(guò)推移千斤頂?shù)纳炜s動(dòng)作實(shí)現(xiàn)向前移動(dòng)。因此支架和刮板輸送機(jī)的位置是一個(gè)相互之間沒(méi)有約束的浮動(dòng)系統(tǒng)，真正實(shí)現(xiàn)二者的直線度控制較為困難。目前，綜采工作面的自動(dòng)找直有多種技術(shù)，包括安裝調(diào)直行程傳感器、激光傳感器、LASC技術(shù)等。工作面每個(gè)支架都是獨(dú)立的，沒(méi)有相對(duì)參考物，如何明確支架自身的姿態(tài)、與相鄰架的相對(duì)位置，并在支架移動(dòng)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)移架距離、姿態(tài)的精確控制是支架控制系統(tǒng)首先需要解決的問(wèn)題。因此，綜采工作面的自動(dòng)找直技術(shù)研究的重點(diǎn)集中在設(shè)備的姿態(tài)、相鄰支架的相對(duì)位置和推移千斤頂行程的檢測(cè)方面。6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)基于測(cè)距儀的工作面直線度控制方法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造25該方法在液壓支架的頂梁上安裝測(cè)距儀，用于測(cè)量液壓支架與煤壁之間的距離；同時(shí)，安裝角度傳感器用于檢測(cè)液壓支架頂梁的姿態(tài)。液壓支架在移架過(guò)程中，通過(guò)測(cè)距儀檢測(cè)液壓支架與煤壁之間的距離，并進(jìn)行液壓支架移架行程的控制，使移架后的液壓支架與煤壁保持相同的距離，從而實(shí)現(xiàn)工作面液壓支架直線度的控制。通過(guò)液壓支架推移刮板輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)整個(gè)工作面的直線度控制?；谥Ъ芟鄬?duì)位移的工作面直線度控制方法直線度控制的目標(biāo)是相鄰設(shè)備間的相對(duì)位移為零，因而只要測(cè)量設(shè)備的相對(duì)位移即可作為直線度控制的依據(jù)。研究的重點(diǎn)在于基準(zhǔn)的選取和傳感器的應(yīng)用。若選取相鄰已經(jīng)移動(dòng)的支架作為參照，則需采用可以測(cè)量?jī)芍Ъ芟鄬?duì)位置變化的行程傳感器。傳感器本體和永磁體分別安裝在液壓支架之間兩側(cè)頂梁側(cè)護(hù)板內(nèi)，根據(jù)行程傳感器的輸出值確定相鄰支架的相對(duì)位移。該方法對(duì)相鄰支架頂梁側(cè)護(hù)板的距離有要求，永磁體長(zhǎng)時(shí)間安裝在側(cè)護(hù)板內(nèi)也會(huì)產(chǎn)生磁化，對(duì)行程傳感器的輸出精度造成影響；同時(shí)，由于是相鄰支架作為參照，因而從工作面整個(gè)范圍內(nèi)來(lái)看會(huì)產(chǎn)生誤差積累，會(huì)對(duì)直線度控制帶來(lái)難度。6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)基于支架相對(duì)位移的工作面直線度控制方法戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造26為此，可以選取某一固定基準(zhǔn)作為所有支架相對(duì)位置的參考，這種方法可采用激光傳感器進(jìn)行測(cè)量。將激光傳感器的發(fā)射端安設(shè)在工作面的一端支架上，其他支架都安裝有接收裝置，每個(gè)支架的相對(duì)位置都與安裝有發(fā)射端的支架位置相比較，這樣工作面整體直線度就有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，有利于后續(xù)的控制執(zhí)行。在明確支架的相對(duì)位置后，還要通過(guò)安裝在推移千斤頂上的位移傳感器獲取液壓支架與刮板輸送機(jī)之間的相對(duì)位置，據(jù)此來(lái)調(diào)直指定范圍內(nèi)的刮板輸送機(jī)。LASC技術(shù)澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織(CSIRO)推出了基于陀螺儀導(dǎo)向定位的自動(dòng)化采煤方法，英文名稱(chēng)為L(zhǎng)ASC，是以承擔(dān)此項(xiàng)技術(shù)研究團(tuán)隊(duì)ongwalAutomationSteeringCommittee(譯為“長(zhǎng)壁自動(dòng)化指導(dǎo)委員會(huì)”)英文縮寫(xiě)命名這種技術(shù)。LASC技術(shù)采用高精度光纖陀螺儀和定制的定位導(dǎo)航算法，解決了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與采煤機(jī)高度通信、采煤機(jī)起始點(diǎn)校準(zhǔn)、截割曲線生成、支架推移調(diào)整控制等難題。LASC技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造276.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)LASC系統(tǒng)的核心是應(yīng)用高精度(軍事級(jí)別)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行采煤機(jī)位置、姿態(tài)精確檢測(cè)，描繪工作面運(yùn)輸機(jī)的實(shí)際形狀。然后通過(guò)對(duì)每個(gè)液壓支架推移行程單獨(dú)閉環(huán)控制來(lái)達(dá)成直線度控制目標(biāo)。LASC機(jī)架通過(guò)與采煤機(jī)通信，獲得初始空間位置，當(dāng)采煤機(jī)行走時(shí)，陀螺儀(INS)檢測(cè)采煤機(jī)的運(yùn)行軌跡，當(dāng)一刀煤完成時(shí)，LASC機(jī)架生成采煤機(jī)運(yùn)行軌跡曲線，并通過(guò)LASC服務(wù)器發(fā)出。主機(jī)Longwangmind(LM-SAC)軟件收到數(shù)據(jù)后，下發(fā)給控制器，控制器會(huì)根據(jù)收到的數(shù)據(jù)，“找直目標(biāo)”參數(shù)寫(xiě)入滿行程值減去收到的數(shù)值，于是，在下一刀采煤時(shí)，“找直目標(biāo)”作用在成組移架中，根據(jù)上一刀的曲線數(shù)值進(jìn)行補(bǔ)償，從而達(dá)到工作面的找直功能?；贚ASC技術(shù)實(shí)現(xiàn)工作面直線度控制的流程如圖所示。

圖6-19基于LASC的工作面直線度控制流程示意THANKS第六章液壓支架及其智能化技術(shù)戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造目錄CONTENTS6.1概述6.2基本結(jié)構(gòu)與原理6.3液壓支架電液控系統(tǒng)6.4液壓支架自動(dòng)跟機(jī)移架技術(shù)6.5綜采工作面自動(dòng)調(diào)直技術(shù)6.6液壓支架智能感知及控制策略6.6液壓支架智能感知及控制策略概述戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造28目前，液壓支架的電液控制系統(tǒng)主要完成的仍然是支架在煤礦綜采中的過(guò)程控制，如自動(dòng)跟機(jī)移架、自動(dòng)推移刮板輸送機(jī)、工作面調(diào)直等，而對(duì)支架的智能自適應(yīng)控制則尚未涉及。支架的智能自適應(yīng)控制是指支架除了目前的被動(dòng)支撐功能外，還應(yīng)具有自主感知、自主分析、自主改變支護(hù)狀態(tài)等主動(dòng)支護(hù)功能，從而實(shí)現(xiàn)支架關(guān)鍵參數(shù)隨圍巖狀態(tài)變化自動(dòng)調(diào)節(jié)，滿足圍巖支護(hù)需求。

支架與圍巖的適應(yīng)性主要由支架的支護(hù)狀態(tài)體現(xiàn)，而支架的支護(hù)狀態(tài)則主要由支架的姿態(tài)及承載狀態(tài)體現(xiàn)，因此應(yīng)首先實(shí)現(xiàn)對(duì)支架姿態(tài)及承載狀態(tài)的感知，其次應(yīng)建立評(píng)判支架支護(hù)狀態(tài)優(yōu)劣的準(zhǔn)則，最后依據(jù)評(píng)判準(zhǔn)則給出調(diào)整策略或進(jìn)行預(yù)警。

6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架的姿態(tài)模型及姿態(tài)感知戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造29液壓支架的姿態(tài)是指組成液壓支架的各構(gòu)件的位姿信息，可抽象為機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖進(jìn)行展現(xiàn)。以兩柱掩護(hù)式液壓支架為例，其機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖所示。

1-底座；2-后連桿；3-前連桿；4-掩護(hù)梁；5-頂梁；6，7-平衡千斤頂；8，9-立柱圖6-20兩柱掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖為簡(jiǎn)化分析，圖中忽略了支架的前梁和護(hù)幫板。由圖可知，支架可簡(jiǎn)化為9個(gè)構(gòu)件，用數(shù)字1-9表示。鉸接點(diǎn)為轉(zhuǎn)動(dòng)副，共包含9個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)副，用字母A-I表示。此外，平衡千斤頂和立柱簡(jiǎn)化為移動(dòng)副，用字母U和V表示。若考慮底座固定不動(dòng)，支架的活動(dòng)構(gòu)件數(shù)目為8，而支架所包含的低副個(gè)數(shù)為11，由此可知支架的自由度為2。因此理論上只需要給定除底座以外任意兩個(gè)構(gòu)件的位姿信息，即可確定液壓支架的姿態(tài)。6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架的姿態(tài)模型及姿態(tài)感知戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造30然而在實(shí)際工作過(guò)程中，支架的底座會(huì)隨底板的起伏呈現(xiàn)傾斜的情況，因此為確定支架的姿態(tài)，還需額外增加底座的位姿信息。基于上述分析，為確定液壓支架的姿態(tài)，應(yīng)選擇三個(gè)構(gòu)件的位姿信息作為輸入，考慮到構(gòu)件的傾角易于檢測(cè)，因此選擇底座、頂梁和后連桿的傾角作為輸入，并利用坐標(biāo)系變換原理建立支架的姿態(tài)模型。

1-底座；2-后連桿；3-前連桿；4-掩護(hù)梁；5-頂梁；6，7-平衡千斤頂；8，9-立柱圖6-20兩柱掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖為應(yīng)用坐標(biāo)系變換原理，在機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖上建立1個(gè)全局坐標(biāo)系和4個(gè)局部坐標(biāo)系。全局坐標(biāo)系為XOY，局部坐標(biāo)系分別為X1OY1、X2AY2、X3DY3以及X4GY4，如圖所示。不失一般性，假設(shè)底座、后連桿和頂梁與水平方向的夾角分別為α、β和γ。為方便推導(dǎo)，還需引入一些輔助角，如λ，λ為鉸接點(diǎn)AB的連線與局部坐標(biāo)系X2軸方向的夾角。6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架的姿態(tài)模型及姿態(tài)感知戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造31建模過(guò)程以求取D點(diǎn)坐標(biāo)為例：首先求取D點(diǎn)在局部坐標(biāo)系X2AY2中坐標(biāo)。由于局部坐標(biāo)系Y2軸方向定義為后連桿AD方向，且后連桿AD長(zhǎng)度固定，該長(zhǎng)度記為l3，因此D點(diǎn)局部坐標(biāo)為：

1-底座；2-后連桿；3-前連桿；圖6-21底座及前、后連桿局部坐標(biāo)系示意圖

其次，由圖可知，局部坐標(biāo)系X2AY2相對(duì)全局坐標(biāo)系XOY的平移向量為：

，旋轉(zhuǎn)角度為

由幾何關(guān)系又易知:

最后，基于坐標(biāo)系變換原理可求得D點(diǎn)在全局坐標(biāo)系坐標(biāo)，公式如下所示：

基于以上思路可易于建立支架的姿態(tài)模型，當(dāng)測(cè)量得到α、β和γ三個(gè)傾角，即可通過(guò)姿態(tài)模型求得支架任意鉸點(diǎn)的全局坐標(biāo)，從而求得任意構(gòu)件的位姿信息。6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架的承載載荷模型及承載載荷感知戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造32液壓支架在井下的實(shí)際工作條件是復(fù)雜的，頂板來(lái)壓的大小、支架頂梁和頂板的接觸情況都會(huì)隨時(shí)間和地點(diǎn)不斷變化。而支架承受載荷大小及位置對(duì)其穩(wěn)定性有重要影響，因此應(yīng)實(shí)現(xiàn)支架的載荷感知。外部載荷作用于支架頂梁，若僅以頂梁為隔離體對(duì)其進(jìn)行受力分析，將外部載荷簡(jiǎn)化為垂直頂梁方向的載荷Q和平行頂梁方向的載荷Qf，載荷作用位置為x，如圖所示。頂梁除受外部載荷作用外，還受到立柱對(duì)其的作用力PJ、平衡缸對(duì)其的作用力PB以及頂梁與掩護(hù)梁鉸接處的銷(xiāo)軸對(duì)其的作用力FS。其中立柱和平衡缸的作用力PJ和PB易于通過(guò)壓力傳感器獲得，而銷(xiāo)軸對(duì)頂梁的作用力FS則難以通過(guò)傳感器獲得。圖6-22支架頂梁受力分析圖為解決上述問(wèn)題，目前采用的方法是在建立載荷模型時(shí)避開(kāi)銷(xiāo)軸力，一方面以頂梁為隔離體進(jìn)行分析時(shí)，僅以頂梁鉸接點(diǎn)O1為矩心建立力矩方程；另一方面，以頂梁和掩護(hù)梁作為整體進(jìn)行分析，將銷(xiāo)軸力視為內(nèi)力。6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架的承載載荷模型及承載載荷感知戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造33該方法需要引入四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)瞬心，如圖所示，圖中前、后連桿延長(zhǎng)線的交點(diǎn)O即為四連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)瞬心。載荷模型建立思路如下：首先以頂梁為研究對(duì)象，對(duì)O1點(diǎn)建立力矩平衡方程如下，O1點(diǎn)為頂梁與掩護(hù)梁的鉸接點(diǎn)。得到如下方程：圖6-23引入四連桿運(yùn)動(dòng)瞬心的掩護(hù)式支架受力分析圖其次再以頂梁和掩護(hù)梁整體為隔離體，對(duì)四連桿運(yùn)動(dòng)瞬心O點(diǎn)建立力矩平衡方程如下：聯(lián)立兩方程即可求得載荷Q及位置x，如下所示：式中參數(shù)如r1、r2、r3、e、d等為幾何參數(shù)，均可通過(guò)姿態(tài)模型進(jìn)行求取。將載荷Q的分子定義為力矩M，當(dāng)M為零時(shí)，載荷Q必然為零，因此可將力矩M作為一個(gè)判斷特征，用以快速識(shí)別支架是否承受外部載荷。6.6液壓支架智能感知及控制策略液壓支架支護(hù)狀態(tài)分析及智能控制策略戰(zhàn)略性新興領(lǐng)域教材建設(shè)團(tuán)隊(duì)-重型高端裝備制造34液壓支架支護(hù)狀態(tài)由支架的姿態(tài)及承載狀態(tài)決定，而支護(hù)狀態(tài)的優(yōu)劣則由支架是否失穩(wěn)來(lái)判斷。液壓支架與圍巖處于耦合狀態(tài)時(shí)，主要表現(xiàn)為承載失穩(wěn)。力平衡區(qū)理論研究了液壓支架的承載能力與載荷位置的關(guān)系。力平衡區(qū)是指以頂梁長(zhǎng)度位置x為橫座標(biāo)，以支架承載能力Q為縱座標(biāo)的Q-x曲線下的面積，如圖所示。圖6-24液壓支架的Q-x曲線及力平衡區(qū)Q-x曲線表示支架的承載能力隨外載荷作用位置而變化的特性。由圖可知，當(dāng)載荷位置小于x1時(shí)，支架承受載荷由Q1曲線決定