履带行走式液压支架动力学特性与控制方法研究

摘要

履带行走式液压支架的结构性能与控制方式直接影响短壁回采工作面的安全性与生产效率。目前，国内有关履带行走式液压支架的结构性能与控制方法研究相对较少，严重制约着制约着短壁机械化采煤成套设备的发展。本论文以辽宁省科技创新重大专项项目“短壁机械化采煤成套设备”为背景，围绕着履带行走式液压支架动力学特性与控制方法展开研究，主要研究内容如下:
　　(1)基于对短壁回采工作面的特点与开采工艺的研究，建立围岩的结构模型，对岩梁与煤柱进行受力分析，得出不同工况下的受力情况;进步分析回采过程中围岩应力的变化规律。通过建立履带行走式液压支架与围岩的相互作用的力学模型，推导出履带行走式液压支架工作阻力的计算公式，并分析其之间的作用关系。
　　(2)通过建立履带行走式液压支架支护状态下与行走装置行走的动力学数学模型，推导动力学微分方程，为虚拟样机的仿真分析提供理论基础。利用Soildworks和ADAMS软件建立了履带行走式液压支架虚拟样机，基于实际工况的的仿真研究履带行走式液压支架的结构性能参数，分析结果为今后履带行走式液压支架的结构优化设计提供理论参考。
　　(3)针对行走装置的运行学与支架部分运行学建立数学模型，利用MATLAB软件对其进行运动学仿真分析，得出各个角度变量与支架高度呈非线性关系，而立柱油缸长度与支架高度则呈近似线性关系。
　　(4)利用AMESim建立履带行走式液压支架立柱油缸的液压系统并进行仿真分析，介绍了常规PID控制算法与模糊PID算法两种算法，通过对不同工况的联合仿真分析，对比两种控制算法对控制立柱油缸的同步性的效果，分析结果显示出模糊PID控制算法的控制精度更好，相应速度快等优点。
　　本文的研究成果，丰富了履带行走式液压支架与围岩相互作用关系理论，完善了履带行走式液压支架结构优化设计与控制方法，对指导履带行走式液压支架的设计与选型并推动我国煤炭资源高效利用及煤炭的可持续发展具有现实的指导意义及理论价值。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 选题背景及意义

1．2 国内外研究现状与发展趋势

1．2．1 履带行走式液压支架的研究现状与发展趋势

1．2．2 液压支架与围岩相互作用机理的研究现状与发展趋势

1．2．3 液压支架动力学特性的研究现状与发展趋势

1．2．4 液压支架运动学的研究现状与发展趋势

1．2．5 液压支架控制方法的研究现状与发展趋势

1．3 主要研究内容

2 履带行走式液压支架与围岩相互作用研究

2．1 履带行走式液压支架的开采工艺及使用条件

2．1．1 短壁回采工作面的开采工艺

2．1．2 履带行走式液压支架的工作原理

2．1．3 履带行走式液压支架的使用条件

2．2 短壁回采工作面围岩结构及力学分析

2．2．1 短壁工作面围岩的结构模型

2．2．2 传递岩梁所受载荷分析

2．2．3 煤柱的平均应力荷载分析

2．2．4 回采过程中围岩应力变化的规律分析

2．2．5 短壁工作面的矿压显现规律分析

2．3 履带行走式液压支架与顶板围岩相互作用的力学特性分析

2．3．1 围岩的力学模型与支架工作阻力确定

2．3．2 工作阻力与围岩载荷的关系

2．3．3 履带行走式液压支架与围岩相互作用关系

2．4 履带行走式液压支架与底板围岩相互作用的力学特性分析

2．4．1 行走装置的结构特点

2．4．2 履带的接地比压分析

2．4．3 逃逸工况下的行走阻力分析

2．5 本章小结

3 履带行走式液压支架动力学特性分析

3．1 履带行走式液压支架的动力学研究概述

3．2 支护状态下的动力学模型建立

3．3 履带行走式液压支架的动力学仿真分析

3．3．1 简谐载荷作用下顶梁的动力学仿真分析

3．3．2 冲击载荷作用下油缸的动力学仿真分析

3．4 本章小结

4 履带行走式液压支架运动学特性分析

4．1 行走装置运动学分析

4．1．1 直线行走状态下的运动学分析

4．1．2 原地转向状态下的运动学分析

4．1．3 不同速度转向状态下的运动学分析

4．2 支架部分运动学分析

4．2．1 自由度分析

4．2．2 矢量环模型建立

4．2．3 运动学正解数学模型建立

4．2．4 运动学逆解数学模型建立

4．3 运动学仿真分析

4．4 本章小结

5 履带行走式液压支架控制方法研究

5．1 液压系统模型建立

5．1．1 立柱油缸液压系统模型的建立

5．1．2 液压系统仿真分析

5．2 系统控制算法研究

5．2．1 PID控制算法研究

5．2．2 模糊PID控制算法研究

5．2．3 两种控制算法仿真结果对比分析

5．3 联合仿真分析

5．3．1 当各缸受力不同时系统仿真分析

5．3．2 当各个缸安装有误差时系统仿真分析

5．3．3 当二级缸换级时系统仿真分析

5．3．4 当立柱油缸发生偏载时系统仿真分析

5．4 本章小结

6 总结与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

作者简历

学位论文数据集