基于发展趋势的煤矿机械论文

摘要：为了预防井下碰撞事故发生，提高煤矿安全生产水平，文中利用井下业已安装的视频监控系统，提出了一种基于安全时间模型的井下运动目标防撞预警方法。今天小编为大家精心挑选了关于《基于发展趋势的煤矿机械论文(精选3篇)》相关资料，欢迎阅读！

基于发展趋势的煤矿机械论文 篇1：

基于PLC的自动控制分捡系统的设计

摘要设计一套基于PLC控制的柔性生产线自动分捡系统,该系统的功能是提取从流水线传送带上送过来的工件,检测工件的类型,并进行分类,最后将其推放到对应的工件滑槽里。就其设计思想、工作原理、控制方案、程序设计等要点进行阐述。

关键词PLC;柔性生产线;分捡系统

随着社会对产品多样化、低制造成本以及短制造周期等需求日趋迫切,柔性制造系统(FMS,Flexible Manufacturing System)发展颇为迅速。FMS是由加工系统、物料系统和计算机控制系统组成的,并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。本文设计的基于PLC控制的自动分捡系统,根据工件的颜色和材质在线检测,快速分类,提高分检效率。

1系统组成与功能分析

本设计的工件分为三种,第一种为红色红色工件,第二种为黑色塑料工件,第三种为银色金属工件,设计基于PLC控制的自动分捡系统结构原理如图1所示。

图1分检系统组成框图

气动提取部件主要是由提取工件的气动机械手、直线驱动单元、光电传感器、电磁接近传感器等组成。当工件由流水线传送带将传送过来,光电传感器检测到有工件后,机械手将其抓住实现提取动作,直线驱动单元带动机械手进行直线运动实现运送动作,将工件运送到检测单元。

检测与分检部件主要由分检动作执行元件、传送带、工件分类堆放滑槽和各种检测传感器等组成。当气动提取部件将工件传送到检测部件的传送带上,光电传感器检测到有工件,便启动传送带和第一个执行挡杆将工件挡住检测位置,该位置安装两个传感器,即电感式传感器和漫反射传感器,其中电感式传感器检测工件是否为金属,漫反射传感器传感器检测工件是否为黑色,检测完毕判断出工件为哪类工件时,相应的执行元件带动挡杆旋转挡在相应的工件分类位置,实现分类堆放,最后拨板复位,传送部分停止运动,完成分检,如图2所示。

图2分检系统装配图

2控制系统硬件设计

分捡系统的控制框图如图3所示,硬件主要由S7-300 型PLC 微机控制器与各传感器、电机的接口电路等组成。

图3分捡系统的控制框图

2.1PLC 控制系统的工作要求

要求PLC 控制系统能够控制工件的提取、检测与分检等动作。其工作流程为。

流水线传送带上工件到位→气动提取部件→检测气动机械手位置→检测气动机械手状态→机械手下降抓取工件→机械手沿直线驱动单元移动→检测工件送到分检传送带→机械手下降松开→机械手上升→机械手返回→启动分检传送带→检测工件类型→检测相应执行挡杆状态→相应执行挡杆伸出→相应执行挡杆缩回→检测工件分检到位。

2.2核心器件

Simatic S7-300 是一种模块式的结构, 主要由机架、CPU 模块、信号模块、功能模块、接口模块、通信模块、电源模块和编程设备组成,各种模块安装在机架上,系统构成和扩展都十分方便。根据整个系统的要求,控制模块选用:CPU-313C 2DP,I/O模块选用:CP 342-2。

2.3传感器选用

传感器是一种具有检测某种变量并把检测结果传送出去的功能器件,在本系统中主要用来检测工件是否到位、工件类型和行程控制等。

3控制系统软件设计

由于自动分检系统的工作过程是顺序动作,所以控制程序采用步进顺控指令编程。控制程序包括初始化程序、复位程序和自动运行程序。自动运行方式起动时系统必须处在原位,即提取部件、分检部件均处原位。系统起动后连续重复运行,直到按下“停”按钮或报警时,系统运行至原位后停机。

4结束语

柔性生产线自动分捡系统采用的是并行控制、模块化设计思想,无论是机械装置,还是控制系统设计,都具有良好的可扩展性、高度的柔性和灵活性。其不仅适用于少数品种物品的分检,也可拓展到多种物品的分检;不仅适用于成品的分检,也适用于零部件的分散输送。该系统已成功地运用于机电工程实验室柔性生产线上。结果表示性,能稳定,效果良好,完全适用于FMS柔性生产线的工件自动分检,使柔性生产线的效率大幅度提高,具有一定的推广应用价值。

参考文献

[1]李卫京.面向二十一世纪的柔性制造系统.机械工程与自动化,2004,3:83-86.

[2]郭聚东,钱惠芬.柔性制造系统的优势及发展趋势.轻工机械,2004,4:4-5.

[3]唐晓红.PLC在微细圆棒料自动分检系统中的应用.煤矿机械,2006,27(2):273-274.

[4]鲁远栋.PLC机电控制系统应用设计技术.北京:电子工业出版社,2006,4.

作者：柳清华

基于发展趋势的煤矿机械论文 篇2：

安全时间模型下的井下运动目标防撞预警方法

摘要：为了预防井下碰撞事故发生，提高煤矿安全生产水平，文中利用井下业已安装的视频监控系统，提出了一种基于安全时间模型的井下运动目标防撞预警方法。该方法首先依据视觉计算原理推导出目标的运动状态三维参数，分析运动目标之间的相对运动情况构建出相对运动情况树；然后根据运动状态三维参数和相对运动情况树，计算出运动目标之间的实际距离；最后建立安全时间模型计算出安全距离，分析从t时刻到t+Δt时刻内运动目标之间是否可能发生碰撞，制定相应的预警策略，其中Δt的选取由安全时间模型中的安全时间决定。实验结果表明，该方法能够准确计算出运动目标之间的实际距离，实时预防矿工和运煤车碰撞事故的发生，为煤矿运输事故自动预警机制提供了新的技术手段。

关键词：煤矿安全；碰撞预警；安全时间模型；运动情况树

引言

井下煤矿运输过程中，运煤车相撞或撞人等安全事故时有发生，可能导致严重的人员伤亡和经济损失并可能诱发煤矿煤尘、瓦斯爆炸等危险灾害，是最为严重的矿井运输事故之一[1]。根据国家煤矿安全监察局煤矿事故查询系统公布的数据，2001—2013年发生的运输事故占总体11.9%，近3年发生的运输事故占8.2%[2].例如，2012年在枣庄矿业集团的蒋庄煤矿上发生的一起运输事故，造成5人当场死亡，直接经济损失792.36万元。因此，建立安全的防撞预警系统[3]已经成为研究热点之一。

通过对井下事故的调查分析，减少井下从业人员是避免或减少重特大事故发生的最有效措施[4]。为此，煤矿企业配备大量的监控设施，来提高煤矿生产的自动化水平，缩减井下工作人员[5]。但目前还不足以做到井下无人，研究防撞预警方法仍然迫在眉睫。目前，井下防撞预警技术主要有：①雷达测距预警。樊家良、孙继平等[6-7]利用雷达测距理论，建立雷达防撞测距模型，但分辨率较低；②超声波测距防撞预警。王业琴等[8]利用超声波测距传感器设备测出距离和速度，建立预警模型，定位准确，但结果对空气的湿度、密度等比较敏感；③红外测距防撞预警。薛伟伟等[9-11]采用红外光线的测距装置监测运动目标，控制报警装置，但光学设备的成本和要求较高；④基于机器视觉的防撞预警。郭江涛、余旺盛等[12-13]在机器视觉原理的基础上研究视频中运煤车碰撞的过程。另外，卢文玉[14]利用单目视觉技术研究高速公路上车辆的预警模型，成本较低，但准确性受目标跟踪结果、预警模型等因素的影响较大。上述方法中，前3种均利用测距辅助设备建立防撞预警模型，但其应用受限于井下复杂地理及气候环境。目前，井下安装了大量视频监控系统，为了充分利用视频资源，文中利用视觉计算技术监测视频中所有目标（包括运煤车与矿工）的运动状态，探索新的防撞预警方法。

以车场为例，视频场景中背景变化小，一般情况下运动目标物仅有运煤车和矿工，文中设计了一种基于安全时间模型的井下运动目标防撞预警方法。依据视觉计算原理[15-19]推导出目标的运动状态参数计算公式，分析运动目标运动情况，构建运动情况树。然后利用安全时间模型构建防撞预警系统。最后对井下实际工作视频进行实验，结果表明文中方法能对矿工与运煤车的碰撞进行预警。

1井下目标运动状态参数

1.1摄像机标定

目标的运动状态参数包括目标的位置、速度、加速度及运动方向。摄像机采集视频时，将物体从三维空间映射到成像平面上，造成深度信息丢失或遮挡，从而导致预警系统的准确性下降[20]。文中采用视觉计算技术，从视频图像中重建运动目标在世界坐标系中的三维运动状态，以减少误差。首先标定摄像机的参数，涉及的坐标系有：图像坐标系、摄像机坐标系和世界坐标系。图1为摄像机投影模型，其中Oc为投影中心，物点P在成像平面的投影为p.

式中1/dx和1/dy分别为摄像机在x与y轴上的采样频率；f为摄像机焦距。R为旋转矩阵；t为平移向量。M1为内部参数矩阵；M2为外部参数矩阵；M是投影矩阵。可通过将足够多已知点的图像坐标与相应的世界坐标带入式（1）中，计算出投影矩阵M，即摄像机参数。此时，可利用式（1）获得图像中运动目标所对应的三维位置。运动目标的瞬时速度、加速度、运动方向可分别通过较短时间内目标的位移与目标的移动方向求得。

1.2运动状态三维参数计算

1.2.1运动目标三维坐标

在井下，运煤车沿着固定的轨道运行，与矿工处于同一水平面上。为了计算方便，以轨道所在的水平面为OXwYw平面，Z轴垂直于该平面向上为正方向，建立右手坐标系，即世界坐标系。图像中，将目标抽象为其外接矩形的中心，故中心点的位置就是目标的位置。由于运煤车和矿工的高度固定，所以世界坐标中运煤车与矿工中心点的坐标Zwe和Zwp是不变的。为了得到目标的三维坐标，将式（1）中的投影矩阵M展开，该模型为

通过将投影矩阵M与目标的高度Zw带入式（3）中，就可以把运动目标的图像坐标映射为其对应的世界坐标，得到目标的三维位置信息。

1.2.2运动目标速度及方向

短时间内运煤车与矿工的运动状态基本不变。首先检测计算出t1和t2时刻运动目标在图像上的坐标。然后通过式（3）可计算出t1和t2时刻目标的三维坐标分别为Pw1（Xw1，Yw1，Zw1）和Pw2（Xw2，Yw2，Zw2）.那么，运动目标的瞬时速度计算公式为

v=‖pw2-pw1‖2t2-t1=

（Xw2-Xw1）2+（yw2-yw1）2+（Zw2-Zw1）2t2-t1=

（Xw2-Xw1）2+（yw2-yw1）2t2-t1.（4）

目标的运动方向可根据2个时刻目标的位置确定。如图2所示，运动方向为以t1时刻目标的位置Pw1为起点，以t2时刻目标的位置Pw2为终点的方向，为

=1‖Pw2-Pw1‖（Pw2-Pw1）.（5）

运动目标加速度

假设较短时间内井下目标均进行匀加速运动，利用式（4）计算出在t1时刻和t2时刻运动目标的速度分别为Vt1（vx1，vy1，vz1）和Vt2（vx2，vy2，vz2）。可得运动目标的加速度为

2防撞预警方法

2.1安全时间模型

矿工的运动状态会随着井下地理环境和运煤车运行状态的变化而改变。依据认知心理学的机理与矿工行为的刺激-机体-反应经典模式[21]，把煤矿矿工的反应过程分为：感知阶段、判断决策阶段和操作阶段，如图3所示。

图3中Tp为矿工感知危险所需时间；Td为决策的时间；To为实施操作的时间。根据美国各州公路工作者协会规定，反应时间Tp最少为0.4 s，判断时间为1.5 s，作用时间为1 s，所以从感知到操作完成的全部时间按2.5 s至3.0 s计算。因此，从矿工感知危险到实施操作过程的总时间T为

2.5s≤T=Tp+Td+To≤3.0 s.（7）

为保证矿工的安全，安全时间Ts必须大于T，故Ts为

Ts≥max（Tp+Td+To）.（8）

获得安全时间与运煤车及矿工的运动速度之后，利用2.2节中的距离公式，计算得到运煤车与矿工间的安全距离D1和矿工与轨道之间的安全距离D2，作为判断是否存在碰撞的依据。

2.2运动目标间距离的计算

以车场为例，分析井下运煤车与矿工的相对运动情况，并结合运输事故发生的危险因素，构建运动情况树。如图4所示，将运煤车与矿工运动情况细分为：只有运煤车、只有矿工、车与矿工同时存在。车与矿工同时存在时，根据车与矿工的相对位置，将运动情况分为：矿工在危险区域如轨道上行走和矿工在轨道旁行走。

由于运煤车运行轨道固定，如图4所示可根据矿工运动方向将矿工在轨道旁行走的情况分为：矿工平行于车运动方向运动、矿工靠近车运动、矿工远离车运动。矿工运动方向与轨道的关系示意图如图5所示，其中箭头方向为目标运动方向。若矿工在轨道的另一侧，运动情况与上述情况类似。

（a）平行轨道（b）靠近轨道（c）偏离轨道针对图4中不同运动情况下运煤车与矿工之间距离的计算

1）图4中x1，x2为安全情况，不计算距离，无需预警；

2）针对图4中x3的情况，检测出矿工在轨道上行走，不计算距离，直接预警提醒矿工注意安全；

3）当运动目标的相对运动情况为x4或x5时，预测Δt时间后矿工到轨道的距离；

4）针对图4中x6的情况，预测Δt时间后矿工到轨道的距离和矿工到运煤车的距离。

预测Δt时间后目标之间的距离之前，首先需要估算Δt时间后矿工和运煤车的位置

xt+Δt=xt+vx*Δt

yt+Δt=yt+vy*Δt

zt+Δt=0.（10）

其中（xt，yt，zt）是t时刻目标的世界坐标；vx，vy分别为运动目标在x和y轴方向的速度。假设矿工和运煤车在Δt时间后的位置分别为P1（X1，Y1，Z1）和P2（X2，Y2，Z2），轨道可表示为OXwYw平面上的一条直线Ax+By+C=0，则矿工到轨道的距离为

Dr=|Ax1+By1+C|A2+B2.（11）

煤矿矿工到运煤车的欧式距离为

Dc=‖P1（X1，Y1，Z1）-P2（X2，Y2，Z2）‖2=（X1-X2）2+（Y1-Y2）2+（Xwp-Zwc）2.（12）

2.3预警算法步骤

根据视觉计算理论计算运煤车与矿工的三维运动状态参数，构建运动情况树，根据安全时间模型进行预警。预警方法的流程如图6所示。

具体操作步骤如下

1）读入视频图像序列，检测识别出运煤车或矿工，并进行目标跟踪；

2）计算目标的运动状态三维参数，分析目标的运动情况，构建运动情况树；

3）建立安全时间模型。获取危险发生时矿工反应到操作的时间，预测出该模型的安全时间。将安全时间与运动目标的速度及方向结合，计算运煤车及矿工间的安全距离D1和矿工与轨道之间的安全距离D2；

4）距离计算。判断矿工与运煤车是否同时存在。若不同时存在，不存在安全隐患，无需预警；若二者同时存在，则检测矿工行走的区域。若在危险区域行走，立即预警，提醒矿工小心运煤车；若在轨道旁行走，进一步监测目标的运动状态，并预测Δt秒后目标的运动状态；

5）若矿工平行或者远离轨道运动，则利用式（11）计算Δt秒后矿工与轨道间的距离Dr；若矿工靠近轨道运动，则利用式（11）和式（12）分别计算Δt秒后矿工与轨道之间的距离Dr和矿工与运煤车之间的距离Dc；

6）报警策略制定。将安全距离D1和D2分别作为运煤车与矿工之间距离Dc和矿工与轨道间距离Dr的阈值，进行碰撞判断。若满足Δt时间后Dr小于D1或者Dc小于D2，则表明运煤车与矿工可能相撞，立即预警，提醒矿工采取安全措施，并制动运煤车；否则不存在危险，无需预警；

7）判断视频文件是否结束，若没有结束，则继续读入下一帧，重复上述步骤；否则结束该过程。

3实验结果

利用井下运输巷道中的监控系统录取的视频数据，对基于安全时间模型的井下运动目标防撞预警方法进行实验。文中所有方法都是在Visual C++ 6.0和Open CV平台上实现的。首先获取图像中运动目标轮廓外接矩形中心的图像坐标。然后根据视觉计算原理重建出运动目标在世界坐标下的三维坐标。见表1所示为重建出的矿工的三维坐标。由于目标在OXwYw平面上运动，所以目标的高度Zw保持不变，而Xw与Yw的值随着目标的移动而变化。

得到运动目标的三维坐标后，可根据短时间内运动目标的位移计算出瞬时运动速度，结果见表2.从表2可知，短时间内目标为匀速运动，且目标在Zw方向上的运动速度为0.

（a）危险情况（b）非危险情况4结论

1）井下运动目标防撞预警方法是一种智能化的预警方法。利用视觉计算理论重建视频中运动目标的三维运动参数，使得目标的运动状态信息更加精确；

2）通过分析运煤车与矿工的运动情况，构建运动情况树，更加清晰的反映了目标的运动情况。最后针对不同的运动情况，将安全时间模型与目标运动状态参数相结合进行预警；

3）充分利用井下视频监控信息资源，能进行有效的碰撞预警，为防止运输事故的发生提供了技术支持，具有很好的应用价值。

参考文献References

[1]徐青云，赵耀江，李永明.我国煤矿事故统计分析及今后预防措施[J].煤炭工程，2015，47（3）：80-82.

XU Qingyun，ZHAO Yaojiang，LI Yongming.Statistical analysis and precautions of coal mine accidents in China[J].Coal Engineering，2015，47（3）：80-82.

[2]牛超，施龙青，肖乐乐，等.2001—2013年煤矿生产事故分类研究[J].煤矿安全，2015，46（3）：208-211.

NIU Chao，SHI Longqing，XIAO Lele，et al.Study on accidents classification of coal mine from 2001 to 2013[J].Safety in Coal Mines，2015，46（3）：208-211.

[3]李海英，李玄，宋建成.基于雷达图法的矿用高压电缆安全预警模型[J].煤炭学报，2012，37（11）：1 941-1 946.

LI Haiying，LI Xuan，SONG Jiancheng.Early safety warning model for mining HV cable based on radar chart method[J].Journal of China Coal Society，2012，37（11）：1 941-1 946.

[4]孙继平.煤矿安全生产理念研究[J].煤炭学报，2011，36（2）：313-316.

SUN Jiping.Research on coalmine safe production conception[J].Journal of China Coal Society，2011，36（2）：313-316.

[5]孙继平.煤炭安全生产监控与通信技术[J].煤炭学报，2010，35（11）：1 925-1 929.

SUN Jiping.Technologies of monitoring and communication in the coal mine[J].Journal of China Coal Society，2010，35（11）：1 925-1 929.

[6]樊家良.机车防撞雷达的信号处理与目标检测技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2014.

FAN Jialiang.Research of signal processing and target detection technology in train anticollision radar[D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2014.

[7]孙继平.煤矿信息化和自动化发展趋势[J].工矿自动化，2015，41（4）：1-5.

SUN Jiping.Development trend of coal mine informatization and automation[J].Industry and Mine Automation，2015，41（4）：1-5.

[8]王业琴.基于AT89C52单片机的煤矿运煤车防撞预警系统设计[J].煤矿机械，2013，34（3）：248-250.

WANG Yeqin.Design of anticollision warning system of coal mine electric locomotive based on AT89C52 singlechip microcomputer[J].Coal Mine Machinery，2013，34（3）：248-250.

[9]薛伟伟，胡伟，董冉.矿用运煤车防撞系统的研究[J].煤矿机电，2011（5）：31-33.

XUE Weiwei，HU Wei，DONG Ran.Research on ming electrical anticollision system[J].Collietry Mechanical & Electrical Technology，2011（5）：31-33.

[10]薛玮玮.基于双目视觉的矿用运煤车防撞预警系统设计[D].焦作：河南理工大学，2011.

XUE Weiwei.The design of mine electric locomotive collision warning system based on binocular vision[D].Jiaozuo：Henan Polytechnic University，2011.

[11]孙继红，靳继红.煤矿运煤车防撞预警系统的2种设计方案的对比研究[J].煤矿机械，2013，33（4）：10-12.

SUN Jihong，JIN Jihong.Comparative study for two kinds of design programs of coal mine locomotive’s dashproof warning system[J].Coal Mine Machinery，2013，33（4）：10-12.

[12]郭江涛.矿井运煤车防撞系统障碍物识别方法[J].工矿自动化，2011，1（1）：26-28.

GUO Jiangtao.Obstacle recognition method of anticollision system of mine locomotive[J].Industry and Mine Automation，2011，1（1）：26-28.

[13]杨娟.煤矿井下运煤车防撞系统设计[J].煤炭技术，2014，33（11）：197-199.

YANG Juan.Design on anticollision system of coalmine underground tramcar[J].Coal Technology，2014，33（11）：197-199.

[14]卢文玉.基于视觉的车辆防撞预警研究[D].南京：南京航空航天大学，2011.

LU Wenyu.Applied study of machine vision for vehicle collision warning system[D].Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2011.

[15]厉丹，田隽，肖理庆.基于Camshift自适应多特征模板的视频目标跟踪[J].煤炭学报，2013，38（7）：1 299-1 304.

LI Dan，TIAN Jun，XIAO Liqing.Adaptive mutifeature template video target tracking based on Camshift algorithm[J].Journal of China Coal Society，2013，38（7）：1 299-1 304.

[16]李占利，赵文博.基于视觉计算的胶带运输机跑偏监测[J].煤矿安全，2014，45（5）：118-121.

LI Zhanli，ZHAO Wenbo.Deviation monitoring of coal belt conveyor based on visual computing[J].Safety in Coal Mines，2014，45（5）：118-121.

[17]LI Zhanli，HE Qian.Research on speed monitoring method of coal belt conveyor based on video image[J].Journal of Computational Information Systems，2012，8（12）：5 093-5 101.

[18]LI Zhanli，XIE Ailing.Research on target tracking and earlywarning for safety of coal mine production[J].Applied Mechanics and Materials，2014，644（650）：925-929.

[19]何倩.基于视觉技术的井下胶带运输机运动监测方法研究[D].西安：西安科技大学，2012.

HE Qian.Research on the motion monitoring method of underground belt conveyor based on vision technology[D].Xi’an：Xi’an University of Science and Technology，2012.

[20]徐剑坤.基于机器视觉的巷道变形实时监测预警技术研究[D].北京：中国矿业大学，2012.

XU Jiankun.Realtime monitoring and early warning roadway deformation based on machine vision[D].Beijing：China University of Mining and Technology，2012.

[21]张浩.客车操纵稳定性分析及其控制策略研究[D].长春：吉林大学，2012.

作者：李占利 陈佳迎 李洪安 谢爱玲

基于发展趋势的煤矿机械论文 篇3：

基于VB的液压支架CAD设计平台探析

摘 要：液压支架广泛应用于煤矿机械化综采作业面，随着其应用范围的不断扩大，传统液压支架产品设计和应用显露出滞后性，为此要开发基于VB环境下的液压支架CAD设计平台，结合液压支架的实际使用需求，利用三维设计软件和ACCESS数据库系统，进行不同模块的优化设计，包括整体受力、强度校核、三维参数建模、数据库等模块，实现基于VB的液压支架CAD设计平台的参数化、标准化。

关键词：液压支架 CAD设计平台 参数

回采作业面广泛应用液压支架，以实现对作业面顶板的支撑、采空区的有效隔离，对于提升综采效率和产量有极其重要的辅助性作用和意义。随着综采作业面的纵深发展，原有的液压支架设计和使用显露出滞后性，难以满足高工作阻力、高工作强度的作业需求。如传统二维力学模型设计为主的液压支架缺乏实时更新，各零件之间相互干涉等问题。为此，本文重点探讨基于VB的液压支架设计，运用三维设计软件和ACCESS数据库系统，研制和开发液压支架CAD设计平台，进行具有高可靠性液压支架的设计，较好地实现液压支架的模块化、参数化。

1 液压支架设计相关概述

液压支架用于对作业面顶板的支护，体现出良好的支护性、高强度、安全可靠的优势特点，普遍适用于综采机械化、自动化作业之中。在当前的液压支架设计之中，主要采用掩护式液压支架和支撑掩护式液压支架，其中：（1）掩护式液压支架。是采用单排斜立柱结构的液压支架，有相对宽的掩护梁，适用于直接顶中等稳定以下、压力较弱的作业面，可以承受一定的水平推力，然而作业空间和通风断面较为狭窄。（2）支撑掩护式液压支架。该支架采用整体刚性和分体铰接的不同方式设计顶梁，并设计倾斜的两排立柱，使之支撑顶梁和底座；掩护梁部分上接顶梁、下连底座和连杆，并采用双人行通道，适宜于直接顶中等稳定及坚硬、压力极强的综采作业面。

本文重点研究两柱掩护式液压支架，将其设计为承载结构件、液压缸、控制元部件、辅助装置等零部件，其工作原理是利用不同性质的液压缸完成升降、推移等动作，具体来说，主要体现为以下方面：（1）支架升降。通过立柱的伸缩运动实现液压支架的升降操作，在初撑阶段，支架操纵单向阀将泵站输送的高压液体送至立柱下腔，立柱上腔进行排液，并升起活柱和顶梁，将顶板支撑起来。之后进入承载阶段，顶板下沉的压力使液压支架受到弹性压缩，液压缸出现弹性扩张，这就是支架对顶板的支撑力也即工作阻力，它通过安全阀泄出液体而使立柱下缩，并使立柱保持恒定的工作阻力。最后进入卸载阶段，即操纵阀位于降架位置，立柱上腔注入高压液体，而立柱下腔则排出液体，支架卸载完成。（2）拉架和推溜。在降柱卸载的条件下，由操纵阀将高压液体推移进入活塞杆腔，实现液压缸控制下的液压支架和输送机前移操作。

2 基于VB的液压支架CAD设计平台总体设计

基于VB的液压支架CAD设计是复杂的过程，要依循规划设计、方案设计、技术设计的流程进行运作，在基于市场调研的前提下，构思基于VB的液压支架设计方案，并使之转化为合理产品零部件的合理结构。

2.1 平台架构

要运用三维设计软件和ACCESS数据库系统，研制和开发液压支架CAD设计平台，并进行液压支架整体受力数据分析，了解液压支架运动状态、关键部件处于一定高度时的受力情况、底板比压分布等，并构建液压支架数据库，较好地提升基于VB的液压支架CAD平台的精准度和质量。

2.2 平台设计流程

基于VB的液压支架CAD设计平台以Visual Basic为集成开发环境，借助于具有开放性体系结构的三维设计软件Solidworks2009，实现面对对象的可视化程序开发和设计，通过向液压支架数据库调用适宜的参考架型，优化设计合理的支架四连杆结构，并对其进行整体受力分析、强度校核、立体三维干涉检查和运动仿真，最后进行CAE有限元分析和支架动力学分析，使之满足设计规范和相关要求。

3 基于VB的液压支架CAD设计平台的模块化设计应用

3.1 数据库模块设计

在液压支架的数据库模块设计过程中，要结合支架的不同架型进行设计，以掩护式液压支架数据库模块设计为例，主要包括以下设计内容：（1）数据库模块界面设计。要在该界面中显示液压支架的架型、技术特征、使用条件、技术与结构参数，对所有数据实现查询、修改、添加、删除操作和管理。其中，支架的技术参数包括有工作阻力、支架的长宽高及中心距、初撑力、支护强度、立柱缸径及柱径等。支架的结构特征参数主要包括有掩护梁及前后连杆的长度、顶梁与掩护梁铰接点的水平距离和底面距离、立柱上铰点与顶梁的距离等。（2）建立液压支架数据库。可以选取基于VB的Access可视化数据管理库，采用ADO数据访问接口，添加ADO控件，并设置ConnectionString属性。

3.2 优化设计模块

要进行液压支架的优化设计，以支架工作高度和工作阻力为例，可以采用复合型法进行掩护式工作面液压支架的四连杆结构优化设计，改善掩护式工作面液压支架四连杆结构的整体受力状况，并保证支架前后连杆受力最小。

3.3 液压支架整体受力模块设计

考虑到液压支架的顶板压力大小、作用位置、顶板与顶梁接触状况的变化因素，要进行液压支架整体受力情况分析，精准获悉一定高度条件下各部件的空间几何关系、受力变化情况，进行截面强度计算和校核。具体来说，可以利用Matlab和VB混合编程技术，简化显示液压支架运动分析模型，计算刚性铰接支架结构各铰接点的坐标，设计相关程序，输入液压支架的立柱工作阻力、平衡千斤顶、支架最高及最低工作高度等数据，计算分析液压支架顶板载荷、顶梁与掩护梁铰点合力、底板比压等参数，获取液压支架在不同工作高低状态下的受力情况。

3.4 液压元件校核模块设计

可以在液压支架CAD设计平台中设计并确定“立柱校核程序”，界面展示相关的立柱校核参数，如活柱全部伸出时活柱端部销孔至最大挠度处的间距、活柱直径、外缸的内外径、立柱最大工作阻力等，在程序中输入相关的参数进行计算分析。同时，还要选择和确定“千斤顶校核程序”，在程序中输入相关的参数：油缸最大工作阻力、立柱总重量、油缸轴线与水平线的夹角、缸筒内的液体压力，活塞杆与导向套处最大配合间隙、缸体壁厚等，并进行油缸挠度、活塞杆合成应力、安全系数的计算和自动分析。通过上述液压元件的校核模块设计，可以实现双伸缩油缸的稳定性校核、活塞杆强度校核和缸体强度校核。

4 结语

综上所述，基于VB的液压支架CAD设计采用先进的计算机信息化平台，运用类比优化的理念和思想，对液压支架进行三维参数设计，集成液压支架相关数据库，进行液压支架的整体力学分析和强度校核，实现基于VB的液压支架模型高度参数化、自动化。未来还要加强对液压支架的CAE模块的开发，要运用参数化设计语言和软件进行液压支架设计的二次开发和封装，并全面反映VB环境下液压支架的动力学参数，完善支架顶梁、掩护梁、底座的强度校核模块。

参考文献

[1] 张志清，赵忠辉.液压支架试验台技术现状及发展趋势分析[J].煤矿机械，2011，32（12）：11-13.

[2] 李秋生，王勇，教光印，等.基于VC++液壓支架四连杆机构的优化设计与分析[J].煤矿机械，2010，31（11）：23-24.

[3] 陈晓鹏，郭聪，芮鹏.基于VB和Pro/E的液压支架的设计[J].煤矿机械，2011，32（7）：17-18.

作者：乐柱