基于流體動力學的BHS快速換繩裝置行走機構的設計與模擬

張延軍，張俊，寇子明

(1.太原理工大學機械工程學院，山西太原030024;2.山西省礦山流體工程技術研究中心，山西太原030024)

根據我國《煤礦安全規程》第403 條規定，摩擦輪式提升鋼絲繩的使用期限應不超過兩年。對主、副井均采用摩擦輪提升的煤礦而言，平均每年都需要更換一次提升鋼絲繩，眾所周知，更換提升鋼絲繩難度大、技術性強而且危險程度極高。隨著科學技術的日益發展，煤礦生產自動化程度也越來越高，在國外已經有利用掛繩專用摩擦絞車、“依萬諾夫”型絞車等專用設備進行換繩，國內也有集機電液自動控制于一體的BHS 快速換繩裝置。BHS 快速換繩裝置利用液壓驅動平行四邊形鎖緊機構，以達到鎖繩的目的，不同于國外的連續換繩裝置，BHS 快速換繩裝置是利用步進油缸帶動鎖住鋼絲繩的鎖緊裝置來回運動以達到下放新繩的目的［1］。換繩的速度和換繩過程的平穩性是取決于步進油缸的運動特性，為了達到安全換繩尤其是防止摽繩事故的發生，在文中著重對換繩裝置的步進送繩的動力部分進行仿真研究。

1 送繩機構簡介

BHS 換繩裝置的送繩機構包括移動小車、平行四邊形鎖緊裝置、鎖緊油缸、雙聯油缸底座和步進油缸組等［2］，送繩機構如圖1所示。

圖1 送繩機構結構圖

現有煤礦采用四繩提升占有相當大的比例，下面以四繩換繩為例進行詳盡的說明。鎖緊油缸固定在平行四邊形鎖緊裝置的兩端，平行四邊形鎖緊裝置又固定在移動小車上，雙聯油缸底座是固定在地基上的，步進油缸一端固定在雙聯油缸底座上，另一端固定在移動小車上，因此鎖緊油缸、平行四邊形鎖緊裝置和移動小車構成了一個整體。新繩和舊繩的繩頭通過繩卡卡在一起，當新繩被鎖緊后，通過連接在移動小車上的步進油缸的伸縮使新繩來回運動，送繩機構的動作要求如表1所示。

表1 送繩機構的動作要求表

2 送繩機構的液壓原理

由上述的分析可知，步進油缸與鎖緊油缸的動作是順序進行的，兩者之間互不干擾，因此可簡化送繩模型，其液壓原理如圖2所示。

圖2 送繩機構液壓原理

由表1 可知，當鎖緊裝置鎖住鋼絲繩后，步進油缸的動作是一致的，要么同時打開，要么同時收回。兩步進油缸不可能同時送繩，即有一組油缸是空行程復位。結合圖2 進一步分析，無桿腔進油時，油缸是差動連接的;換向閥處于左位時油缸的速度是連續可調的，由于漸變節流式緩沖裝置能使緩沖過程較平穩［5］，因此需著重對油缸的無桿腔緩沖節流進行研究。

3 緩沖油缸的設計

3.1 油缸設計要求

油缸行程s=1 000 mm，缸徑D =100 mm，桿徑d=70 mm，油缸縮回時間t≤10 s，為了防止產生過大的沖擊，油缸在緩沖終了時的速度應不大于0.05 m/s。

3.2 緩沖結構原理

文中所研究的緩沖油缸為缸體固定活塞桿運動，其緩沖結構為拋物線型，緩沖結構示意圖如圖3所示。緩沖柱塞由拋物線型漸變節流緩沖結構和圓柱型縫隙節流結構組成。

圖3 緩沖結構示意圖

當緩沖柱塞3 未進入緩沖腔4 時，無桿腔的液壓油經固定節流孔5 和回油道7 流回油箱，此時主要的能量損失為局部節流損失。

當緩沖柱塞3 開始進入緩沖腔4 時，隨著油缸的運動，緩沖柱塞3 與緩沖腔4 之間形成的通流面積逐漸減小，由連續性方程和伯努利方程可知，緩沖腔4形成的背壓將逐漸增大，隨著通流面積的減小，背壓越來越大，在活塞2 上的作用力也隨之增大，動能逐漸被吸收轉變為壓力能，從而使活塞2 的運動速度隨油缸的位移而減小。

油缸結束漸變節流緩沖后將進入圓柱環狀縫隙節流緩沖，此時緩沖腔4 的背壓將快速升高到一固定值，進一步對活塞2 進行減速以減小沖擊。由于圓柱環狀縫隙的通流面積不變，縫隙的流量與縫隙兩端的壓差成正比，壓差越大，縫隙流量越大，活塞2 的運動速度波動將越大。圓柱環狀縫隙較小，由連續性方程和伯努利方程可知，在緩沖腔4 內將形成較高的背壓。為了提高系統運行的平穩性，要盡量延長漸變節流緩沖的時間，將運動件的速度減小至不高于0.05 m/s，同時要縮短環狀縫隙節流緩沖的時間，避免不必要的波動。

3.3 緩沖油缸動態特性的數學描述

3.3.1 緩沖油缸的力平衡方程

活塞兩邊的力平衡方程:

在此例計算中活塞的質量m 遠遠小于負載的質量M，因此將力平衡方程簡化為

式中:p1、p2分別為無桿腔和有桿腔的壓力;

A1、A2分別為無桿腔和有桿腔的有效作用面積;

m、M 分別為活塞和負載的質量;

L 為油缸的位移。

3.3.2 緩沖油缸輸入油液的連續性方程

式中:λ 為緩沖油缸的泄漏系數;

V 為緩沖腔油液體積;

K 為液壓油的體積彈性模量。

3.3.3 緩沖第一階段

緩沖第一階段僅有固定節流孔緩沖節流，薄壁孔口流量方程為:

式中:cq為流量系數，查表取cq=0.75;

Δp 為節流孔兩側的壓力差，由于節流孔的出口連接油箱，近似認為Δp 為一常值;

A 為緩沖腔的通流面積;

ρ 為液壓油的密度。

3.3.4 緩沖第二階段

根據設計要求，在漸變節流緩沖過程中活塞的運動速度將逐漸地、平穩地下降，由拋物線節流緩沖特性，當緩沖柱塞進入緩沖腔時，活塞將做勻減速運動:

式中:v0為緩沖柱塞進入緩沖腔前的速度;

vx為緩沖過程中活塞的速度;

x 為緩沖柱塞進入緩沖腔的長度;

a 為緩沖過程的減速度。

緩沖柱塞與緩沖腔間的通流面積:

由于緩沖腔的內徑遠大于緩沖柱塞與緩沖腔的間隙δx，在工程計算中，將通流面積近似地看作是一個隨緩沖柱塞與緩沖腔間隙變化而變化的線性變量，式(6)可簡化為:

式中:Ax為緩沖柱塞進入緩沖腔距離為x 時的通流面積;

δx為緩沖柱塞進入緩沖腔距離為x 時緩沖柱塞與緩沖腔的間隙;

d0為緩沖腔的內徑。

當緩沖柱塞進入緩沖腔后無桿腔的有效面積為:

由于δx遠小于d0，將式(8)改寫為:

由式(3)、(4)、(5)、(9)可求得緩沖柱塞進入緩沖腔后的運動速度為:

將式(10)代入式(5)整理得

y2=F(C－x)

緩沖柱塞的長度為:

3.3.5 緩沖第三階段

第三階段為同心圓柱環形縫隙節流，同心圓柱環狀縫隙的流量計算公式為:

式中:d0為緩沖柱塞的直徑;

δ0為同心圓柱環的單邊縫隙;

μ 為液壓油的動黏度;

l0為緩沖柱塞的長度;

4 基于AMESim 對送繩機構進行液壓建模

基于AMESim 對送繩機構進行液壓建模，相關液壓元件參數如表2所示。

表2 相關液壓元件參數表

送繩機構的液壓模型如圖4所示。

圖4 送繩機構的液壓模型

5 仿真結果

根據設計要求，對緩沖油缸完全伸出需要的時間、油缸的行程與緩沖腔的背壓和油缸的運行速度之間的關系進行描述。油缸的位移與其運動特性的關系如圖5所示。

圖5 油缸的位移與其運動特性

圖5(a)表示油缸的位移與時間關系，油缸在不到8 s 的時間內就達到了行程終了位置，滿足設計要求。圖5(b)、(c)、(d)分別表示油缸的的速度、加速度和緩沖腔背壓與油缸位移之間的關系。在固定節流緩沖過程中，油缸快速穩定在0.19 m/s。進入無桿腔的液壓油流量大，油缸加速時間短，造成加速度較大，同時在緩沖腔內也將快速形成背壓，由于液壓傳動吸收振動的特性，油缸將在這一速度快速穩定。

當柱塞頭進入緩沖腔后，在漸變節流緩沖的作用下，通流面積與行程間呈拋物線性減小，由連續性方程、伯努利方程和薄壁孔節流特性可知通過漸變節流孔的流速將隨著行程的增大拋物線性減小，而加速度將隨之拋物線性增大，同時緩沖腔的背壓也將增大。

考慮到油缸的加工工藝性，緩沖柱塞不可能完全是拋物線性，而且拋物線性緩沖柱塞與緩沖腔的通流面積的變化率是越來越小的，到后來拋物線性緩沖特性將趨向于平穩，這對緩沖是沒有意義的。實際情況下在漸變節流緩沖后還有一段縫隙節流，當緩沖柱塞進入縫隙節流時，活塞運動速度將快速下降到某一特定值后趨于穩定，反應在緩沖腔背壓的情況是背壓快速增高，只要節流緩沖的幾何形狀變化不太激烈，油缸的運動特性將不會有大的變化。漸變節流緩沖到縫隙節流緩沖轉緩的臨界位置，活塞的速度下降到0.046 m/s 后穩定，沖擊減速度從0.06 m/s2減小到0，同理背壓也有類似的變化，如圖5(b)、(c)、(d)所示。

6 結論

在多學科系統建模與仿真平臺AMESim 的作用下，對BHS 換繩裝置送繩機構的液壓控制系統模擬仿真，仿真結論表明:

(1)基于計算流體動力學理論對拋物線性漸變節流緩沖油缸的運動特性進行研究，建立了拋物線性漸變節流緩沖油缸緩沖過程中的流體動力學方程;

(2)應用多學科系統建模和仿真平臺AMESim進行仿真分析，為實際設計提供了理論依據，為機、液一體化奠定了基礎。

【1】吳娟.多繩摩擦提升機快速換繩系統的研究［D］.太原:太原理工大學，2004.

【2】李玉瑾.多繩摩擦提升系統動力學研究與工程設計［M］.北京:煤炭工業出版社，2008.

【3】陳召國，丁凡.基于CFD 的高速液壓缸緩沖過程研究［J］.機床與液壓，2008，36(11):45－49.

【4】TENG Chinkun，HSIAO Chaoyin，WANG Chunshing.The Effect of the Guiding Directions of the Guiding Cylinders of an Area Ratio Modified Machine Cushion on the Capability of Suppressing Impact and Vibration［J］.Advances in Engineering Software，2009，40(10):991－999.

【5】陳榮明.液壓缸內漸變節流式緩沖裝置的特性分析［J］.江蘇理工大學學報，1994，15(2):54－59.

【6】劉波.液壓缸緩沖結構和緩沖過程的研究［D］.杭州:浙江大學，2004.

【7】魏忠永，趙鴻飛，劉偉，等.高壓斷路器液壓操動機構油缸緩沖過程仿真與試驗［J］.農業機械學報，2010，6(41):216－221.