基于磁流变的煤矿抗冲击支架关键技术研究

摘要

液压支架是确保煤矿工作面安全正常生产的重要设备，在承载顶板来压方面发挥着关键作用。随着煤矿开采深度日益增大，冲击地压现象发生逐渐频繁。从众多煤矿冲击地压事故发生的案例来看，在发生冲击地压时大流量安全阀在冲击发生时并未及时开启卸压，造成立柱发生胀缸、弯曲等结构破坏。现有抗冲击支架研究大多将吸能缓冲材料应用于煤矿巷道支护装备中来提高设备的抗冲击能力。但受到采掘工作的影响，工作面冲击地压与巷道冲击地压相比在发生时间和烈度上都更具有不确定性。由于吸能构件受材料力学特性的限制，难以根据不同冲击地压工况实现缓冲力的自动调节，因而使用工况有所限制。所以如何减小冲击过程中液压支架峰值压力，提高大流量安全阀响应速度、增大泄流流量，提高液压支架抗冲击能力是解决煤矿冲击地压事故的关键问题。　　为了解决以上问题问题，本文结合磁流变缓冲技术提出了一种新型液压支架抗冲击技术，并利用联合仿真对比分析了缓冲技术的有效性。　　基于Bingham模型和Herschel-Buckley模型本构方程，结合设计的磁流变缓冲元件结构提出了磁流变缓冲元件输出阻尼力学模型，并在此基础上对磁流变缓冲元件各项关键结构参数进行了设计。　　针对液压支架受冲击地压时的工况特点，设计了用于磁流变缓冲元件的多种工况控制系统和模糊PI控制系统，对多种工况控制系统的控制策略和模糊PI控制模糊规则进行了研究。　　基于AMESim和Simulink软件实现了传统液压支架和抗冲击液压支架的动态特性仿真，通过对立柱腔内压力、液压支架位移和大流量安全阀泄流流量进行对比分析，验证了基于磁流变的煤矿液压支架抗冲击技术的有效性。通过对比分析不同冲击速度工况下的仿真结果验证了缓冲元件输出阻尼力力学模型的正确性，通过对比不同速度下立柱腔内压力和安全阀泄流流量，分析了在不同速度下两种控制策略的控制效率。　　针对现有液压支架冲击测试系统的不足，研究设计了一种用于工作面液压支架冲击试验的测试系统，为抗冲击液压支架样机试验打下基础。

目录

声明

变量注释表

1 绪 论

1.1 研究背景（Research background）

1.2 液压支架抗冲击技术研究现状（ Research status of anti shock technology of hydraulic support）

1.3 磁流变液及其缓冲技术研究现状（ Research status of MR fluid and its buffer technology）

1.4 主要研究内容及意义（Main research contents and significance）

1.5 主要创新点（Main innovation points）

2 磁流变缓冲元件结构建模与分析

2.1 磁流变缓冲元件的工作原理（ Working principle of Mr buffer element）

2.2 缓冲元件输出阻尼力学模型（ Mechanical model of output damping of buffer element）

2.3 缓冲元件的结构设计（Structure design of buffer element）

2.4 缓冲元件的磁路设计（Magnetic circuit design of buffer element）

2.5 本章小结（Conclusions）

3 磁流变缓冲元件控制技术研究

3.1抗冲击液压支架力学模型建立（Mechanical model of anti shock hydraulic support）

3.2缓冲元件控制系统工作原理（Working principle of buffer element control system）

3.3缓冲元件多种工况控制策略研究（Research on the control strategy of buffer element under various working conditions）

3.4缓冲元件模糊PI控制策略研究（Research on Fuzzy PI control strategy of buffer element）

3.5 本章小结（Conclusions）

4 基于AMESim和Simulink的抗冲击液压支架联合仿真技术

4.1 缓冲元件控制系统建模（Modeling of control system with buffer element）

4.2 抗冲击支架液压系统建模（Modeling of hydraulic system of anti shock support）

4.3 AMESim与Simulink联合仿真与分析（AMESim and Simulink joint simulation and analysis）

4.4 本章小结（Conclusions）

5 液压支架冲击试验系统设计

5.1 设计背景（Design background）

5.2 液压支架冲击试验系统设计（ Design of hydraulic support shock test system）

5.3 本章小结（Conclusions）

6 总结与展望

6.1 主要结论与成果（Main conclusions and achievements）

6.2 今后研究工作展望（Prospect of future research work）

参考文献

作者简历

致谢

学位论文数据集