CN107605834A - 一种适应液压支架动作的稳压供液方法 - Google Patents
一种适应液压支架动作的稳压供液方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及工作面液压系统技术领域，提供了一种适应液压支架动作的稳压供液方法，将支架系统液压过程划分为3个阶段：系统漏液阶段、蓄能器供液阶段和泵供液阶段；分别对所述3个阶段的支架动作和压力变化进行分析，得出稳压供液流量；进而根据稳压供液流量形成可执行供液策略，并由执行机构具体实现供液流量的输出。本发明通过判断支架动作和压力变化等条件，以提高支架动作速度和稳定液压系统压力为目标，实现了液压支架动作过程高效、稳定地供液；该供液优化过程不仅使支架保持并略微提高动作速度，而且在动作完成时恰好达到卸载压力设定，有效避免了压力波动现象；可提高煤矿工作面推进速度，降低液压系统设备损耗，应用前景可观。
Description
技术领域
本发明涉及工作面液压系统技术领域，特别涉及一种适应液压支架动作的稳压供液方法。
背景技术
工作面液压系统包括液压支架系统和供液系统，其中液压支架的作用是紧随采煤机割煤并及时跟进移动，以保证工作面顶板支护并正常推进；供液系统是液压支架的动力源，其作用是输出充足高压乳化液，以保证液压支架跟随采煤机快速稳定地运行。
工作面液压系统的供液目标是提供充足乳化液，使液压系统压力保持高压状态，以提高液压支架动作速度。当前最常规的供液方法是多泵联动供液，即设定压力阈值，判断系统压力状态，通过多台乳化液泵的加载和卸载实现供液流量的多级调整，以达到系统保持额定压力的目标。但该方法缺少变频功能，供液流量不能实现无级调节，流量调节精度较低，压力控制效果较差。变频器驱动乳化液泵可实现供液流量无级调节，因此近年来提出了变频恒压供液，即判断系统压力状态及其变化规律，通过变频驱动改变乳化液泵转速，调节供液流量以达到系统压力恒定在目标值附近。然而，实际系统压力受支架动作直接影响，其变化过程具有耦合、瞬变等特性，变频恒压供液效果甚微。此外，变频恒压供液方法未考虑液压系统工作原理，仍然以压力设定值为控制目标，导致频繁的频率变化和液压系统压力波动，严重影响液压系统稳定性和设备寿命。实际上，工作面液压系统中供液的作用对象是液压支架动作，液压支架动作速度与系统压力和供液流量之间存在相互耦合关系，因此供液流量的调整依据不仅应当考虑系统压力变化状态，同时也要考虑液压支架动作类型、行程、数量等因素。
综上所述，目前供液控制技术单纯以恒压供液为目标，没有考虑支架跟机速度与系统压力波动工况。本文重点设计和发明一种适应液压支架动作的稳压供液方法，以实现液压支架供液过程中液压支架提速和系统压力稳定，为工作面液压支架快速、稳定地推进提供供液技术保障，具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明的目的就是克服现有技术的不足，提供了一种适应液压支架动作的稳压供液方法，根据单台或多台支架具体动作特征，供液系统输出充足、合理的供液流量，以达到支架动作过程中压力稳定且支架动作提速的供液目标。
本发明一种适应液压支架动作的稳压供液方法，将支架系统液压过程划分为3个阶段：系统漏液阶段a、蓄能器供液阶段b和泵供液阶段c；分别对所述3个阶段的支架动作和压力变化进行分析，得出稳压供液流量；进而根据所述稳压供液流量形成可执行供液策略，并由执行机构具体实现供液流量的输出。
进一步的，所述系统漏液阶段的泄漏流量Qr为：
式中，p0为蓄能器的额定压力；V0为蓄能器的额定体积；p为蓄能器的当前压力；V为蓄能器的当前体积；p′a为阶段a压力变化率的绝对值；pl为卸载阀加载压力(压力下限)，pu为卸载阀卸载压力(压力上限)。
进一步的，所述蓄能器供液阶段的蓄能器供液流量Ql为：
式中，pa为支架动作开始时的系统压力；Ain为支架进液缸的作用面积；p′b为b阶段压力变化率的绝对值。
进一步的，所述稳压供液流量Qp为：
式中，tc为c阶段持续时间；Aout为支架出液缸的作用面积；a为活塞杆运动加速度；θ为动作所需克服阻力与动作速度之间的比例系数；，Vu为pu压力下的蓄能器体积；Vl为pl压力下的蓄能器体积；L为支架动作行程；p′c为支架动作过程压力曲线斜率。
进一步的，所述方法具体包括如下步骤：
步骤一、信息采集模块采集稳压供液信息：所述稳压供液信息包括系统压力p、卸载压力pu、加载压力pl信息、支架运行联动规则Rule和当前支架动作状态Act；
步骤二、信息转换模块实现信息处理、转换：转换后的信息包括下一步支架动作的动作行程L、出液作用面积Aout、进液作用面积Ain、卸载压力pu、加载压力pl、泵加载时的压力值pa和支架动作后到泵加载前的压力变化率p′b；
步骤三、稳压供液流量计算模块接收步骤二中所述转换后的信息，进行稳压供液流量计算，并将计算结果送至可行性检验模块；
步骤四、可行性检验：对稳压供液流量Qp进行可行性检验，具体检验步骤为：检验当前生成的Qp是否超出系统供液流量的调节范围；如果Qp超出流量高限Qp,MAX，则输出流量Q被调整为Qp,MAX后输出；如果Qp低于流量低限Qp,MIN，则输出流量Q被调整为Qp,MIN后输出；如果Qp并未超限，则输出流量Q正常输出Qp；Qp,MAX和Qp,MIN根据实际系统能力确定；供液流量能力检验作用是判断处理超出系统能力的Qp，以保证供液流量的可行性；
步骤五、策略生成与执行：策略生成模块将输出流量Q进一步转换成供液系统可执行的供液策略S，所述供液策略S由供液系统执行机构具体实现供液流量的输出。
本发明的有益效果为：通过判断支架动作和压力变化等条件，以提高支架动作速度和稳定液压系统压力为目标，实现了液压支架动作过程高效、稳定地供液；该供液优化过程不仅使支架保持并略微提高动作速度，而且在动作完成时恰好达到卸载压力设定，有效避免了压力波动现象；该方法可以提高煤矿工作面推进速度，降低工作面液压系统设备损耗，应用前景可观。
说明书附图
图1所示为理想的稳压供液压力过程曲线。
图2所示为本发明实施例一种适应液压支架动作的稳压供液方法流程示意图。
具体实施方式
下文将结合具体附图详细描述本发明具体实施例。应当注意的是，下述实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。在下述实施例的附图中，各附图所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
在液压支架具体动作过程中，供液流量对于支架的动作速度和系统压力变化有直接影响，而且不同类型的支架动作对供液流量的需求不同。支架动作过程的稳压供液理论的指导思想为：根据单台或多台支架具体动作特征，供液系统输出充足、合理的供液流量，以达到支架动作过程中压力稳定且支架动作提速的供液目标。稳压供液评价目标可用系统压力变化曲线衡量，即合理的供液流量使支架动作过程中的系统压力缓慢上升且未出现波动。该供液优化过程不仅使支架保持并略微提高动作速度，而且在动作完成时恰好达到卸载压力设定，有效避免了压力波动现象；理想的稳压供液压力过程曲线如图1所示。
由图1可知，支架系统的液压过程分为三个阶段：系统漏液阶段a、蓄能器供液阶段b和泵供液阶段c。显然，可以利用压力过程曲线描述支架动作过程的液压特征。理想状态下，三个阶段的理论分析具体如下：
(1)系统漏液阶段a
a阶段支架未执行任何动作，支架液压系统处于缓慢漏液状态。在此阶段，由于系统压力未低于压力低限(加载压力设定)，泵处于卸载状态，泄漏液体主要来源于蓄能器内存储的压力液，导致系统压力缓慢下降。当压力降至压力低限时，卸载阀关闭，泵处于加载状态，蓄能器迅速被充满，压力迅速上升至压力高限，泵再次被卸载，如此不断循环直到执行支架动作。在系统漏液阶段a中，泄漏流量与系统压力正相关，由于压力变化幅度较小，可假设泄漏流量为定值Qr，其计算公式如式1。
式中，p0为蓄能器的额定压力；V0为蓄能器的额定体积；p为蓄能器的当前压力；V为蓄能器的当前体积；p′a为阶段a压力变化率的绝对值；pl为卸载阀加载压力(压力下限)，pu为卸载阀卸载压力(压力上限)。可见，系统泄漏流量由压力变化率和压力限制决定。
(2)蓄能器供液阶段b
b阶段支架刚开始动作，系统处于支架用液状态。在此阶段，由于系统压力未低于压力低限，泵仍然处于卸载状态，支架动作用液来源于蓄能器。蓄能器输出压力液推动支架液压缸活塞杆，进而导致系统压力迅速下降，当压力降至压力下限pl时，活塞杆达到初速度vl，此时泵开始加载。蓄能器供液阶段非常短暂，通过柔性地调整供液压力和流量，蓄能器推动活塞杆迅速达到稳态，实现支架动作以初速度vl进入泵加载阶段。可假设b阶段蓄能器供液流量为定值Ql，其计算公式如式2。
根据流量决定速度，可得支架动作初速度vl计算公式如式3。
式中，pa为支架动作开始时的系统压力；Ain为支架进液缸的作用面积；p′b为b阶段压力变化率的绝对值。可见，泵加载开始时的支架动作初速度与当前蓄能器供液流量成正比，与作用面积成反比。
(3)泵供液阶段c
c阶段支架已在动作中，并进一步完成动作。在此阶段，由于系统压力已低于压力低限，泵卸载阀关闭，泵处于加载状态，支架动作用液主要来源于乳化液泵。泵供液阶段是稳压供液过程，供液流量直接决定了该阶段的系统压力变化及相应的支架动作速度。在压力限制一定的情况下，适当合理的供液流量可实现图1所示的压力变化过程，而不同的支架动作和动作行程对应不同的合理供液流量。理想情况下，假设该稳压过程的压力曲线以斜率p′c线性上升，且当系统压力由压力低限pl上升至压力高限pu时，支架正好完成动作行程L。因此，可认为压力变化斜率p′c为定值，可假设c阶段压力处于稳态上升，活塞匀加速运动，可得公式4
其中tc为c阶段持续时间；Aout为支架出液缸的作用面积；a为活塞杆运动加速度；θ为动作所需克服阻力与动作速度之间的比例系数，此处假设为线性关系。由于压力线性上升，活塞杆以加速度a做匀加速运动，则活塞杆运动满足如下匀加速运动公式，可得公式5：
式4-7为匀加速运动方程，假设泵的供液流量Qp实现了上述的稳压过程，则供液流量需要满足活塞杆匀加速过程所需的流量、随压力上升蓄能器充能所需的流量和系统漏液流量之和。根据液压系统内的体积平衡，可得公式6。
Qp·tc＝L·Ain+Qr·tc+Vu-Vl (6)
式中，Vu为pu压力下的蓄能器体积；Vl为pl压力下的蓄能器体积。根据公式1-6推导，可得理想状态下稳压供液流量Qp的计算公式如式7
由式7可知，对于同一个系统，p′a、p0、V0、θ的取值固定不变，Qp由变量L、Ain、Aout、pu、pl、pa和p′b决定，也就是说，支架动作类型、动作行程、卸载-加载压力设定、泵加载时的压力值和支架动作后到泵加载前的压力变化率共同影响了稳压供液流量。
根据上述分析，本发明提出适应支架动作的稳压供液方法，即以支架动作情况和系统压力等条件为判断依据，以提高支架动作速度和减少系统压力波动为目标，通过调整供液流量，使支架动作时压力变化过程缓慢平稳，略微上升，以实现支架动作过程时液压系统压力稳定。其稳压供液方法如图2所示。
由图2可知，实现稳压供液流量预测的模块功能设计如下四个步骤：
(1)信息的采集和转换
信息采集模块采集稳压供液相关信息：系统压力p、卸载压力pu、加载压力pl信息、支架运行联动规则Rule和当前支架动作状态Act。信息转换模块实现信息处理、转换功能，转换后的信息内容包括下一步支架动作的动作行程L、出液作用面积Aout、进液作用面积Ain、卸载压力pu、加载压力pl、泵加载时的压力值pa和支架动作后到泵加载前的压力变化率p′b。
(2)稳压供液流量计算
稳压供液流量计算模块根据式7编写逻辑计算程序，接收转换后的信息进行稳压供液流量计算，并将计算结果送至可行性检验模块。
(3)可行性检验
稳压供液流量Qp需要进行可行性检验，具体检验步骤为：检验当前生成的Qp是否超出系统供液流量的调节范围。如果Qp超出流量高限Qp,MAX，则输出流量Q被调整为Qp,MAX后输出；如果Qp低于流量低限Qp,MIN，则输出流量Q被调整为Qp,MIN后输出；如果Qp并未超限，则输出流量Q正常输出Qp。Qp,MAX和Qp,MIN根据实际系统能力确定。供液流量能力检验作用是判断处理超出系统能力的Qp，以保证供液流量的可行性。
(4)策略生成与执行
策略生成模块将输出流量Q进一步转换成供液系统可执行的供液策略S(如工频运行泵数量、变频调试泵频率等)，生产的策略S由供液系统执行机构具体实现供液流量的输出。
本发明适应液压支架动作的稳压供液方法，通过判断支架动作和压力变化等条件，以提高支架动作速度和稳定液压系统压力为目标，实现了液压支架动作过程高效、稳定地供液。该方法不仅可以提高煤矿工作面推进速度，而且降低工作面液压系统设备损耗，其应用前景可观。
本文虽然已经给出了本发明的几个实施例，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明精神的情况下，可以对本文的实施例进行改变。上述实施例只是示例性的，不应以本文的实施例作为本发明权利范围的限定。
Claims (5)
1.一种适应液压支架动作的稳压供液方法，其特征在于，所述方法将支架系统液压过程划分为3个阶段：系统漏液阶段a、蓄能器供液阶段b和泵供液阶段c；分别对所述3个阶段的支架动作和压力变化进行分析，得出稳压供液流量；进而根据所述稳压供液流量形成可执行供液策略，并由执行机构具体实现供液流量的输出。
2.如权利要求1所述的适应液压支架动作的稳压供液方法，其特征在于，所述系统漏液阶段的泄漏流量Qr为：
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式中，p0为蓄能器的额定压力；V0为蓄能器的额定体积；p为蓄能器的当前压力；V为蓄能器的当前体积；p′a为阶段a压力变化率的绝对值；pl为卸载阀加载压力，pu为卸载阀卸载压力。
3.如权利要求2所述的适应液压支架动作的稳压供液方法，其特征在于，所述蓄能器供液阶段的蓄能器供液流量Ql为：
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式中，pa为支架动作开始时的系统压力；Ain为支架进液缸的作用面积；p′b为b阶段压力变化率的绝对值。
4.如权利要求3所述的适应液压支架动作的稳压供液方法，其特征在于，所述稳压供液流量Qp为：
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式中，tc为c阶段持续时间；Aout为支架出液缸的作用面积；a为活塞杆运动加速度；θ为动作所需克服阻力与动作速度之间的比例系数；，Vu为pu压力下的蓄能器体积；Vl为pl压力下的蓄能器体积；L为支架动作行程；p′c为支架动作过程压力曲线斜率。
5.如权利要求1所述的适应液压支架动作的稳压供液方法，其特征在于，所述方法具体包括如下步骤：
步骤一、信息采集模块采集稳压供液信息：所述稳压供液信息包括系统压力p、卸载压力pu、加载压力pl信息、支架运行联动规则Rule和当前支架动作状态Act；
步骤二、信息转换模块实现信息处理、转换：转换后的信息包括下一步支架动作的动作行程L、出液作用面积Aout、进液作用面积Ain、卸载压力pu、加载压力pl、泵加载时的压力值pa和支架动作后到泵加载前的压力变化率p′b；
步骤三、稳压供液流量计算模块接收步骤二中所述转换后的信息，进行稳压供液流量计算，并将计算结果送至可行性检验模块；
步骤四、可行性检验：对稳压供液流量Qp进行可行性检验，具体检验步骤为：检验当前生成的Qp是否超出系统供液流量的调节范围：如果Qp超出流量高限Qp,MAX，则输出流量Q被调整为Qp,MAX后输出；如果Qp低于流量低限Qp,MIN，则输出流量Q被调整为Qp,MIN后输出；如果Qp并未超限，则输出流量Q正常输出Qp；Qp,MAX和Qp,MIN根据实际系统能力确定；供液流量能力检验作用是判断处理超出系统能力的Qp，以保证供液流量的可行性；
步骤五、策略生成与执行：策略生成模块将输出流量Q进一步转换成供液系统可执行的供液策略S，所述供液策略S由供液系统执行机构具体实现供液流量的输出。
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