基于AMESim的支架液壓系統(tǒng)仿真分析

高建紅

（山西煤銷集團(tuán) 臨汾礦業(yè)投資公司，山西 臨汾 041000）

0 引言

隨著采煤技術(shù)的發(fā)展，礦山充填技術(shù)得以在綜采工作面廣泛應(yīng)用，而充填支架是整個充填采煤技術(shù)的核心支護(hù)設(shè)備。充填支架與一般支架的主要區(qū)別在于充填支架后端懸掛充填輸送機(jī)或者充填物料管道，在采煤工作過程中，充填支架配合采煤機(jī)和刮板輸送機(jī)完成采煤工作，同時(shí)，支架利用后端懸掛的充填輸送機(jī)或者充填管道進(jìn)行充填操作。采煤機(jī)完成一個截割步距后，充填支架即開始充填工作，物料充填工序結(jié)束利用夯實(shí)機(jī)構(gòu)對充填物料進(jìn)行夯實(shí)，然后進(jìn)行推溜移架操作，繼續(xù)進(jìn)行采煤工作。充填開采工藝過程對充填支架液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性提出了較高要求，本文通過對充填支架立柱液壓系統(tǒng)的仿真，研究分析其液壓系統(tǒng)響應(yīng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，以達(dá)到發(fā)揮支架支護(hù)效果、提高可靠性的目的。

1 支架液壓系統(tǒng)建模

本文以ZC5600／17／28液壓支架為研究對象，對其立柱液壓系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果研究其響應(yīng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。ZC5600／17／28支架的液壓系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 支架液壓系統(tǒng)

首先通過AMESim軟件對支架液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模。考慮到液壓支架液壓系統(tǒng)中的換向閥和單向閥開啟關(guān)閉對液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性有重要影響，因此在仿真建模中采用液壓元件設(shè)計(jì)庫設(shè)計(jì)換向閥和單向閥的子模型，以此更加精確地研究立柱工作過程中乳化液壓力和立柱運(yùn)動，并在AMESim中直接選擇立柱和安全閥的模型組建液壓系統(tǒng)整體仿真模型。

三位四通換向閥模型如圖2所示。設(shè)置閥芯直徑為Φ10mm，閥芯桿徑為Φ5mm。

圖2 三位四通換向閥仿真模型

液控單向閥仿真模型如圖3所示，黏性摩擦系數(shù)設(shè)為0．015 5，閥芯直徑為Φ26mm，閥芯桿徑為Φ22mm。

圖3 液控單向閥仿真模型

利用AMESim對液壓支架液壓系統(tǒng)進(jìn)行整體仿真。仿真時(shí)，液控?fù)Q向閥先導(dǎo)閥一端輸入信號，由乳化液泵站來的高壓油液經(jīng)換向閥和液控單向閥進(jìn)入立柱下腔，立柱上腔回液，支架升起接頂，操縱換向閥移到中位，液控單向閥關(guān)閉，立柱下腔液體被封閉。在這個過程中，立柱液壓系統(tǒng)必須保持良好的性能和穩(wěn)定性，以此保證切頂支護(hù)和充填的效果。立柱液壓系統(tǒng)仿真模型如圖4所示。

2 支架液壓系統(tǒng)仿真

根據(jù)支架液壓系統(tǒng)圖建立仿真模型后，根據(jù)工程實(shí)際情況設(shè)置仿真分析所需的相關(guān)參數(shù)。設(shè)置立柱油缸內(nèi)徑為Φ230mm，活柱直徑為Φ160mm，活柱長度為1 500mm，質(zhì)量為100kg，安全閥的調(diào)定壓力為33．7MPa；液壓泵的輸出流量Q＝150L／min。液控單向閥壓降為3MPa，再設(shè)置仿真運(yùn)行時(shí)間為0s～10 s，仿真步長為10－4s，仿真允許誤差為10－3，采用標(biāo)準(zhǔn)解算器混合誤差進(jìn)行仿真分析，得到的立柱活塞桿速度曲線如圖5所示，加速度曲線如圖6所示，立柱下腔的壓力變化曲線如圖7和圖8所示。

圖4 立柱液壓系統(tǒng)仿真模型

圖5 活塞桿速度曲線

圖6 活塞桿加速度曲線

根據(jù)輸出結(jié)果分析可知，立柱升柱過程開啟時(shí)，由于液壓沖擊影響，速度和加速度出現(xiàn)短時(shí)波動，速度瞬時(shí)增大到0．12m／s，立柱下腔壓力升至0．7MPa，在安全閥作用下速度震蕩后保持在0．06m／s穩(wěn)定運(yùn)行，加速度趨于零位，立柱下腔壓力恢復(fù)平衡。之后系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定運(yùn)行，完成升柱過程，系統(tǒng)整體運(yùn)行穩(wěn)定。

3 結(jié)論

通過建模仿真結(jié)果分析可知，立柱升柱過程開啟時(shí)系統(tǒng)出現(xiàn)波動，但活塞桿加速度和無桿腔乳化液壓力波動幅度較小，在可控制范圍內(nèi)，對系統(tǒng)整體影響較小，之后立柱穩(wěn)定運(yùn)行直至完成升柱過程。仿真結(jié)果表明，支架液壓系統(tǒng)整體性能穩(wěn)定，運(yùn)行良好，與實(shí)際工況相符，說明AMESim軟件具有良好的動態(tài)仿真性能和仿真精度，從而驗(yàn)證了仿真建模方法的正確性。

圖7 立柱下腔壓力曲線

圖8 開啟階段立柱下腔壓力曲線

根據(jù)仿真結(jié)果對支架液壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)可以在輸入端添加蓄能器，以充分吸收開啟階段液壓沖擊的能量，減小乳化液對支架液壓系統(tǒng)整體的沖擊作用；同時(shí)適當(dāng)增大立柱封閉容腔體積，可以減小液壓沖擊對立柱的影響。另外，在滿足使用條件下安全閥可以采用剛度較高彈簧以加快復(fù)位速度，增大換向閥閥芯質(zhì)量以確保換向閥響應(yīng)的穩(wěn)定性，這樣就能充分降低系統(tǒng)震蕩，保證支架發(fā)揮支護(hù)的效果，提高設(shè)備可靠性。