巷道超前支架全支撑态动力学模型_卢进南

Fig. 2
图 2 巷道超前支架外形结构 Structure of the roadway bracket in advance
Fig. 3
图 3 巷道超前支架三维模型 3D model of the roadway bracket in advance
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组成及工作原理
4 个侧护板、 4根 巷道超前支架是由 7 根顶梁、 28 个支撑液压缸、 4 根推移千斤顶、 4 根侧推 横梁、
Dynamics model of advanced powered support in heading under full support situation
LU Jinnan， MAO Jun， XIE Miao， ZHANG Ｒui
（ School of Mechanical Engineering， Liaoning Technical University， Fuxin 123000 ， China）
第1 期
卢进南等： 巷道超前支架全支撑态动力学模型
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我国巷道掘进临时支护主要采用窜管前 目前， 探梁支护和单体支柱配合的铰接横梁支护 ， 这2 种 支护方式存在几个突出问题： 临时支护时间过长， 延 缓整个综掘速度， 造成了采掘失调； 工人架设支护频 繁、 劳 动 强 度 大； 不 能 完 全 杜 绝 空 顶 作 业， 安全性 ［1－4 ］ 。巷道超前支架可实现一掘多锚， 差 更重要的 是可以将掘进和支护作业平行化， 明显提高综掘速 度。工人工作均在支架的保护之下， 杜绝了空顶作 业， 支架上安装自行铺网设备， 减轻了工人的劳动。 由此可见， 这种设备可以有效解决目前巷道掘进所 面临的问题。设备在综掘工作面应用工况示意如图 1 所示。
超前支架的工作原理可以概括为“迈步行走、 ， “定支护 ” 交互支撑” 设备的支护形式分为 和“迈步 ” 。 支护 “定支护 ” 就 是 主、 副支撑组同时承受顶板压 力， 共同起到支护作用。 在巷道超前支架支护掘进 巷道的过程中， 主、 副支撑组在 8 根支撑立柱油缸的 作用下同时升起， 在立柱油缸的作用下， 主、 副支撑 组上方的顶部支撑液压缸与巷道顶板接触并起支撑 ； “迈步支护 ” 作用 就是随着掘进工作面推移， 设备 在各个油缸的协调动作下， 自动向前迈步行走。 副 支撑组下降， 主支撑组仍然支护顶板， 当副支撑下降 至主支撑组顶梁时， 立柱继续收缩完成抬腿动作， 至 此， 副支撑组悬停在主支撑组顶梁上。然后， 以主支 撑组为支点， 在推移千斤顶作用下， 副支撑组向前移
Fig. 1
图 1 超前支护掘进工作面巷道支护原理 Principle of headon roadway supporting in advance
［5 ］
王永岩等 应用边界罚单元与有限元相结合， 计算了开巷初期巷道周边应力集中的大小及其分布 状态， 为开巷初期预测临时支护压力和进行临时支 ［6 ］ 护的设计提供了参考。 侯友夫等 研制了一种可 适应巷道高度和宽度两方向变形的新型大可缩量巷 道支架， 并对支架整体支护性能进行优化。 陈加胜 ［7 ］ 等 设计了一种巷道掘进的配套临时支护液压支 架， 阐述了支架结构组成及液压系统布置 ， 认为临时 支护支架具有良好的经济效益和社会效益 。康红普 ［8 ］ 认为目前 等 对目前主要巷道支护理论进行评价， 支护理论的发展可以保证煤矿安全高效生产 。 然 而， 目前国内对巷道临时支架的研究主要侧重于支 架结构性能， 整体设计偏重于经验设计， 没有将超前 支架设计方法与巷道围岩支护理论进行有机结合 。 笔者在介绍了超前支护结构和工作原理的前提下 ， 利用结构动力学、 拉格朗日方法、 拉普拉斯变换等知 识， 建立超前支护的振动模型和传递函数 ， 并利用辅 助软件对不同激励下超前支护的振动特性进行仿 真。借助超前支护实验用样机， 利用单点激励、 多点 采集的方法， 对样机不同工作状态进行模态分析 。 最后， 结合仿真结果和实验数据， 得到超前支护整机 前六阶的模态参数和极易引起整机共振的频率范 围。
8 个掩护梁、 8 根平衡千斤顶、 8 个前连杆、 8 千斤顶、 8 个底座和立柱等部件组成， 个后连杆、 共同构成整 机的主、 副两个支撑架组。 巷道超前支架外形结构及三维模型如图 2 和 3 所示。在与综掘设备配合工作过程中， 巷道超前支 架主要完成升柱、 降柱、 全支撑、 单组支撑、 移架、 护 帮等动作。这些动作的主要执行机构分别为立柱油 缸、 平衡千斤顶、 推移千斤顶、 侧推千斤顶、 顶部支撑 液压缸， 并通过液压和电控系统控制执行机构完成 以上动作。
收稿日期： 2013 － 12 － 26 责任编辑： 常 琛 基金项目： 国家自然科学基金资助项目（ 51304107 ） ； 液压传动新技术及装备资助项目（ LT2013009 ） ； 辽宁省煤矿液压技术与装备工程研究中 心开放基金资助项目（ CMHT－201206 ） 讲师。E－mail： ljn－22@ 163． com 男， 辽宁丹东人， 作者简介： 卢进南（ 1979 —） ，
Abstract： A steppingtype advanced powered support used for heading roof support in a fullmechanized excavation roadway was designed ， and the structure and the work principle of the support were presented． The dynamics model of the multidegree vibration system under the full support situation of the advanced powered support was established by applying Lagrange method． Based on the automatic control theory ， the Laplace transformation of the dynamics model was performed ， and the transfer function was obtained． Based on the modern control theory ， the state space model for the vibration system of the advanced powered support was set up and the parameters were given． The simulation model of the support system was established by using Matlab ， the simulation of the vibration system was carried out， and the system dynamic response was obtained． The modal parameters of the vibration system were obtained by employing a hammering test． According to the simulation result， the resonance frequency of the support were 42． 3 －42． 9 Hz． By applying the experimental prototype and the measuring equipments， the vibration experiments under the different working conditions of the support were performed ， and the first six orders’ frequencies and the damping ratios were obtained． Key words： supporting bracket in advance ； dynamics model； steppingtype； Langrage ； status space
巷道超前支架全支撑态动力学模型
毛 君， 谢 苗， 张 睿 卢进南，
（ 辽宁工程技术大学 机械工程学院， 辽宁 阜新 123000 ）
摘 要： 设计了一种用于综掘巷道工作面顶板支护的迈步式超前支护装备 ， 为提高该装备的工作稳 避免共振的产生， 介绍了支护装备的结构和工作原理 ， 利用拉格朗日方法， 建立超前支架全支 定性， 撑状态多自由度振动系统的动力学模型 。基于自动控制理论， 对超前支架动力学模型进行拉普拉 斯变换， 得到传递函数。基于现代控制理论， 建立超前支架振动系统状态空间模型并给出参数， 利 用 Matlab 软件建立模拟动力扰动下超前支架系统的仿真模型 ， 对振动系统进行仿真， 得出系统动 态响应。利用锤击试验得到振动系统模态参数 ， 结合仿真结果， 得到超前支架易产生共振频率为 42. 3 ～ 42. 9 Hz。利用实验样机和测试仪器， 对超前支架不同工作状态进行了振动实验 ， 得到了前 6 阶的频率和阻尼比。 关键词： 超前支架； 动力学模型； 迈步式； 拉格朗日； 状态空间 中图分类号： TD353 文献标志码： A 文章编号： 0253 －9993 （ 2015 ） 01 －0050 －08
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煤
炭
学
报
x5 － 1 a θ + b ψ － x1 2
2015 年第 40 卷
并在移架结束后， 副支撑组升柱支护顶 动一个步距， 板。
(
2Baidu Nhomakorabea
系统动力学模型的建立
b ψ － x2
超前支架振动系统的简化模型如图 4 所示。 图 c2 ， c3 ， c4 为 超 前 支 架 的 阻 尼 参 数 ， N · s/ c1 ， 中， k2 ， k3 ， k4 为超前支架的刚度系数， m2 N / m ； m1 ， m； k1 ， ， kg ； m ， kg ； I ， I 为顶梁下集中质量 3 为顶梁质量 1 2 分 kg 别为 顶 梁 俯 仰 和 侧 倾 绕 转 动 轴 的 转 动 惯 量 ， b 和 c 分别为顶梁体宽度和顶梁质心到前、 · m2 ； a ， mm； x1 为左前梁下集中质量垂直位 后立柱的距离， mm； x2 为右前梁下集中质量垂直位移， mm； x3 移， mm； x4 为右后梁下 为左后梁下集中质量垂直位移， mm； x5 为 顶 梁 质 心 的 垂 直 位 集中质量 垂 直 位 移， （ °） ； mm； θ， 移， ψ 为 顶 梁 侧 倾 角 和 顶 梁 俯 仰 角， mm； x11 ～ x44 为 顶 梁 与 各 立 柱 接 合 处 垂 直 位 移， N。 F1 （ t） ～ F4 （ t） 为顶板施加与超前支架的激励，
第 40 卷第 1 期 2015 年 1月
煤 炭 学 报 JOUＲNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 40 Jan．
No． 1 2015
J］ ． 煤炭学报， 2015 ， 40 （ 1 ） ： 50－57． doi： 10． 13225 / j． cnki． jccs． 卢进南， 毛 君， 谢 苗， 等． 巷道超前支架全支撑态动力学模型［ 2013． 1918 Lu Jinnan， Mao Jun， Xie Miao， et al． Dynamics model of advanced powered support in heading under full support situation［ J］ ． Journal of China Coal Society， 2015 ， 40 （ 1 ） ： 50－57． doi： 10． 13225 / j． cnki． jccs． 2013． 1918