液壓支架立柱動態性能仿真研究

鄭麗偉+李亞男+賈春強

摘要： 通過對液壓支架立柱的動態特性進行仿真，研究了立柱活柱腔的壓力變化特征，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

Abstract: The post live column cavity pressure variation characteristics are analyzed through the study of the simulation of dynamic performance of hydraulic support column to provide necessary theoretical basis for the study of the hydraulic support column brace system.

關鍵詞：立柱；動態特性；仿真

Key words: column；dynamic performance；simulation

中圖分類號：TD355文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0055-02

0引言

液壓支架立柱是液壓支架重要的支撐部件，其性能和可靠性直接影響著綜采工作面的安全和生產效率。由于工作面頂板快速來壓造成支架立柱活塞腔的瞬間壓力成倍增高，進而導致立柱壓彎、壓粗、爆裂，頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。

因此，研究立柱活塞腔的壓力動態特性對設計開發新型抗沖擊立柱具有重要的意義。本文以液壓支架雙伸縮立柱為研究對象，利用功率鍵合圖法對頂板快速來壓時立柱的動態特性進行仿真，研究立柱活塞腔的壓力變化特性，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

1物理模型

[1][2][3][B][W][A][RP][F1][m1][m2][C1][C2][A2][A1][R溢][SQ][4][C]

圖1雙伸縮防沖擊立柱的簡化模型

液壓支架雙伸縮立柱屬于雙伸縮式液壓缸，主要由活柱、中缸、大缸筒和底閥組成，根據雙伸縮立柱的工作原理形成其結構和簡化原理模型如圖1所示。在頂板快速來壓時，頂板沉降速度可達240~600mm/s，有時甚至更高，使得支架立柱中缸內的瞬間壓力可能升高數倍，直接導致立柱壓彎、壓粗、爆裂、頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。因此，研究雙伸縮立柱中缸內的壓力動態特性對設計開發支架立柱具有重要的意義。

2功率鍵合圖

功率鍵合圖以一組一階微分方程作為數學模型形式，能夠清晰、形象地反映液壓系統中幾乎所有部件對該系統動態特性的影響狀況，真實地反映系統的動態特性。根據系統的簡化物理模型和系統功率流的作用，功率建和圖模型如圖2所示。

[R溢][3][Sq][1][1][4][TF][A2][5][0][7][TF][8][10][1][TF][11][13][0][(2)q2p2][V6F6(6)][(9)q9 p9][A1][A1][V12F12(12)][SF]

圖2功率建合圖模型

3狀態方程

根據功率鍵合圖模型建立狀態方程：

2=Sq-

·

V2-

P6

6=

V2A2-

V9A1

9=A1（

P6-

P12）

12=

V9A1-SF

以某司的320缸徑的雙伸縮立柱為例計算，其中，B為液壓的體積彈性模量（乳化液的B≈2.1×109Pa），立柱完全升起后中缸和大缸的體積V1=0.09474m3，V2=0.17584m3，R溢為安全閥的簡化阻性元，對于一般的系統分析，在鍵合圖中可以表示為從0節點引出的一個R元，根據立柱安全閥的特性取R溢=4.78×109Pa/(m3/s)；慣性元I1=m1=557kg，I2=m2=778.5kg；活塞作用面積A1=0.0660185m2，A2=0.1256m2， 頂板來壓約為Se=5000kN。

4仿真

通過Simulink模型進行立柱大缸和中缸壓力仿真計算，得出如下仿真曲線（圖4）。

從曲線中看出，中缸沖擊壓力峰值達到約118MPa，壓力穩定后壓力值約為82MPa，中缸壓力基本上是大缸壓力的2倍，大缸、中缸壓力震蕩波動在0.15s和0.22s后趨于穩定定值，大缸壓力波動明顯好于中缸壓力波動，主要是大缸設置有安全閥，能夠有效地進行壓力釋放，中缸設置底閥，壓力無法釋放，故在設計立柱時要充分考慮立柱中缸的強度和底閥主密封件的強度。

5結束語

通過對雙伸縮立柱動態性能的仿真研究，得出雙伸縮立柱大缸和中缸的壓力曲線，為雙伸縮立柱的設計提供理論計算依據，并在產品性能分析上提供新的方法和手段。

參考文獻：

[1]王國法等.高端液壓支架及先進制造技術[M].北京：煤炭工業出版社，2010.

[2]李海寧，白志峰，趙書明等.雙伸縮立柱在沖擊力作用下的動態分析[J].煤礦機械，2010，31(3)：90-92.

[3]劉欣科，趙忠輝，趙銳.沖擊載荷作用下液壓支架動態特性研究[J].煤炭科學技術，2012，40(12)：66-70.

摘要： 通過對液壓支架立柱的動態特性進行仿真，研究了立柱活柱腔的壓力變化特征，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

Abstract: The post live column cavity pressure variation characteristics are analyzed through the study of the simulation of dynamic performance of hydraulic support column to provide necessary theoretical basis for the study of the hydraulic support column brace system.

關鍵詞：立柱；動態特性；仿真

Key words: column；dynamic performance；simulation

中圖分類號：TD355文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0055-02

0引言

液壓支架立柱是液壓支架重要的支撐部件，其性能和可靠性直接影響著綜采工作面的安全和生產效率。由于工作面頂板快速來壓造成支架立柱活塞腔的瞬間壓力成倍增高，進而導致立柱壓彎、壓粗、爆裂，頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。

因此，研究立柱活塞腔的壓力動態特性對設計開發新型抗沖擊立柱具有重要的意義。本文以液壓支架雙伸縮立柱為研究對象，利用功率鍵合圖法對頂板快速來壓時立柱的動態特性進行仿真，研究立柱活塞腔的壓力變化特性，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

1物理模型

[1][2][3][B][W][A][RP][F1][m1][m2][C1][C2][A2][A1][R溢][SQ][4][C]

圖1雙伸縮防沖擊立柱的簡化模型

液壓支架雙伸縮立柱屬于雙伸縮式液壓缸，主要由活柱、中缸、大缸筒和底閥組成，根據雙伸縮立柱的工作原理形成其結構和簡化原理模型如圖1所示。在頂板快速來壓時，頂板沉降速度可達240~600mm/s，有時甚至更高，使得支架立柱中缸內的瞬間壓力可能升高數倍，直接導致立柱壓彎、壓粗、爆裂、頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。因此，研究雙伸縮立柱中缸內的壓力動態特性對設計開發支架立柱具有重要的意義。

2功率鍵合圖

功率鍵合圖以一組一階微分方程作為數學模型形式，能夠清晰、形象地反映液壓系統中幾乎所有部件對該系統動態特性的影響狀況，真實地反映系統的動態特性。根據系統的簡化物理模型和系統功率流的作用，功率建和圖模型如圖2所示。

[R溢][3][Sq][1][1][4][TF][A2][5][0][7][TF][8][10][1][TF][11][13][0][(2)q2p2][V6F6(6)][(9)q9 p9][A1][A1][V12F12(12)][SF]

圖2功率建合圖模型

3狀態方程

根據功率鍵合圖模型建立狀態方程：

2=Sq-

·

V2-

P6

6=

V2A2-

V9A1

9=A1（

P6-

P12）

12=

V9A1-SF

以某司的320缸徑的雙伸縮立柱為例計算，其中，B為液壓的體積彈性模量（乳化液的B≈2.1×109Pa），立柱完全升起后中缸和大缸的體積V1=0.09474m3，V2=0.17584m3，R溢為安全閥的簡化阻性元，對于一般的系統分析，在鍵合圖中可以表示為從0節點引出的一個R元，根據立柱安全閥的特性取R溢=4.78×109Pa/(m3/s)；慣性元I1=m1=557kg，I2=m2=778.5kg；活塞作用面積A1=0.0660185m2，A2=0.1256m2， 頂板來壓約為Se=5000kN。

4仿真

通過Simulink模型進行立柱大缸和中缸壓力仿真計算，得出如下仿真曲線（圖4）。

從曲線中看出，中缸沖擊壓力峰值達到約118MPa，壓力穩定后壓力值約為82MPa，中缸壓力基本上是大缸壓力的2倍，大缸、中缸壓力震蕩波動在0.15s和0.22s后趨于穩定定值，大缸壓力波動明顯好于中缸壓力波動，主要是大缸設置有安全閥，能夠有效地進行壓力釋放，中缸設置底閥，壓力無法釋放，故在設計立柱時要充分考慮立柱中缸的強度和底閥主密封件的強度。

5結束語

通過對雙伸縮立柱動態性能的仿真研究，得出雙伸縮立柱大缸和中缸的壓力曲線，為雙伸縮立柱的設計提供理論計算依據，并在產品性能分析上提供新的方法和手段。

參考文獻：

[1]王國法等.高端液壓支架及先進制造技術[M].北京：煤炭工業出版社，2010.

[2]李海寧，白志峰，趙書明等.雙伸縮立柱在沖擊力作用下的動態分析[J].煤礦機械，2010，31(3)：90-92.

[3]劉欣科，趙忠輝，趙銳.沖擊載荷作用下液壓支架動態特性研究[J].煤炭科學技術，2012，40(12)：66-70.

摘要： 通過對液壓支架立柱的動態特性進行仿真，研究了立柱活柱腔的壓力變化特征，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

Abstract: The post live column cavity pressure variation characteristics are analyzed through the study of the simulation of dynamic performance of hydraulic support column to provide necessary theoretical basis for the study of the hydraulic support column brace system.

關鍵詞：立柱；動態特性；仿真

Key words: column；dynamic performance；simulation

中圖分類號：TD355文獻標識碼：A文章編號：1006-4311（2014）23-0055-02

0引言

液壓支架立柱是液壓支架重要的支撐部件，其性能和可靠性直接影響著綜采工作面的安全和生產效率。由于工作面頂板快速來壓造成支架立柱活塞腔的瞬間壓力成倍增高，進而導致立柱壓彎、壓粗、爆裂，頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。

因此，研究立柱活塞腔的壓力動態特性對設計開發新型抗沖擊立柱具有重要的意義。本文以液壓支架雙伸縮立柱為研究對象，利用功率鍵合圖法對頂板快速來壓時立柱的動態特性進行仿真，研究立柱活塞腔的壓力變化特性，為液壓支架立柱防沖擊系統研究提供必要的理論基礎。

1物理模型

[1][2][3][B][W][A][RP][F1][m1][m2][C1][C2][A2][A1][R溢][SQ][4][C]

圖1雙伸縮防沖擊立柱的簡化模型

液壓支架雙伸縮立柱屬于雙伸縮式液壓缸，主要由活柱、中缸、大缸筒和底閥組成，根據雙伸縮立柱的工作原理形成其結構和簡化原理模型如圖1所示。在頂板快速來壓時，頂板沉降速度可達240~600mm/s，有時甚至更高，使得支架立柱中缸內的瞬間壓力可能升高數倍，直接導致立柱壓彎、壓粗、爆裂、頂梁及底座箱焊接件開焊與斷裂等破壞現象。因此，研究雙伸縮立柱中缸內的壓力動態特性對設計開發支架立柱具有重要的意義。

2功率鍵合圖

功率鍵合圖以一組一階微分方程作為數學模型形式，能夠清晰、形象地反映液壓系統中幾乎所有部件對該系統動態特性的影響狀況，真實地反映系統的動態特性。根據系統的簡化物理模型和系統功率流的作用，功率建和圖模型如圖2所示。

[R溢][3][Sq][1][1][4][TF][A2][5][0][7][TF][8][10][1][TF][11][13][0][(2)q2p2][V6F6(6)][(9)q9 p9][A1][A1][V12F12(12)][SF]

圖2功率建合圖模型

3狀態方程

根據功率鍵合圖模型建立狀態方程：

2=Sq-

·

V2-

P6

6=

V2A2-

V9A1

9=A1（

P6-

P12）

12=

V9A1-SF

以某司的320缸徑的雙伸縮立柱為例計算，其中，B為液壓的體積彈性模量（乳化液的B≈2.1×109Pa），立柱完全升起后中缸和大缸的體積V1=0.09474m3，V2=0.17584m3，R溢為安全閥的簡化阻性元，對于一般的系統分析，在鍵合圖中可以表示為從0節點引出的一個R元，根據立柱安全閥的特性取R溢=4.78×109Pa/(m3/s)；慣性元I1=m1=557kg，I2=m2=778.5kg；活塞作用面積A1=0.0660185m2，A2=0.1256m2， 頂板來壓約為Se=5000kN。

4仿真

通過Simulink模型進行立柱大缸和中缸壓力仿真計算，得出如下仿真曲線（圖4）。

從曲線中看出，中缸沖擊壓力峰值達到約118MPa，壓力穩定后壓力值約為82MPa，中缸壓力基本上是大缸壓力的2倍，大缸、中缸壓力震蕩波動在0.15s和0.22s后趨于穩定定值，大缸壓力波動明顯好于中缸壓力波動，主要是大缸設置有安全閥，能夠有效地進行壓力釋放，中缸設置底閥，壓力無法釋放，故在設計立柱時要充分考慮立柱中缸的強度和底閥主密封件的強度。

5結束語

通過對雙伸縮立柱動態性能的仿真研究，得出雙伸縮立柱大缸和中缸的壓力曲線，為雙伸縮立柱的設計提供理論計算依據，并在產品性能分析上提供新的方法和手段。

參考文獻：

[1]王國法等.高端液壓支架及先進制造技術[M].北京：煤炭工業出版社，2010.

[2]李海寧，白志峰，趙書明等.雙伸縮立柱在沖擊力作用下的動態分析[J].煤礦機械，2010，31(3)：90-92.

[3]劉欣科，趙忠輝，趙銳.沖擊載荷作用下液壓支架動態特性研究[J].煤炭科學技術，2012，40(12)：66-70.