懸臂式掘進機截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費 燁，王繼明，葉曉帥

Shield Equipment& Project 盾構(gòu)工程

懸臂式掘進機截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費 燁，王繼明，葉曉帥

[摘 要]針對掘進機工作過程中截割頭液壓伸縮回路壓力沖擊問題，利用LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對截割頭伸縮機構(gòu)進行機液一體化聯(lián)合建模。模型求解分析表明，截割頭觸碰巖壁瞬間，伸縮回路壓力沖擊最大，壓力超調(diào)達79%，是導(dǎo)致截割頭伸縮油缸泄漏失效的主要原因，應(yīng)在設(shè)計過程中通過增設(shè)蓄能器加以避免。

[關(guān)鍵詞]懸臂式掘進機；截割頭；伸縮回路；壓力沖擊

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，懸臂式掘進機作為煤礦采掘機械化的關(guān)鍵設(shè)備，因其截割功率大、掘進速度快、適應(yīng)性強等特點得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，煤礦使用的掘進機大多通過伸縮油缸驅(qū)動截割頭完成掏窩鉆進。它工作時常會遇到半煤巖或硬巖，復(fù)雜多變的載荷會對液壓系統(tǒng)造成振動和壓力沖擊，導(dǎo)致伸縮缸密封損壞伸縮部無法正常伸縮。為此，本文借助LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對懸臂式掘進機截割頭伸縮機構(gòu)進行機液一體化建模，對工作過程中伸縮缸的壓力沖擊進行分析。

1 懸臂式掘進機伸縮液壓回路

懸臂式掘進機截割頭伸縮回路，主要由負載敏感泵1、比例多路換向閥2以及伸縮油缸3組成，如圖1所示。其中負載敏感控制閥彈簧預(yù)緊力較小，恒壓閥彈簧預(yù)緊力較大。

圖1 懸臂式掘進機伸縮機構(gòu)液壓原理圖

負載敏感泵在低壓待機時，變量泵只輸出高于負載敏感閥彈簧彈力的壓力油，以推動斜盤逆時針旋轉(zhuǎn)至僅維持系統(tǒng)泄漏量位置。正常工作時，負載敏感閥處于動態(tài)平衡狀態(tài)，泵的輸出壓力僅高于伸縮油缸負載一個由比例多路換向閥2產(chǎn)生的壓差Δp，當(dāng)伸縮回路所需流量增大時，比例多路換向閥的開度增大，其產(chǎn)生的壓差小于Δp，此時LS回路便會推動負載敏感閥閥芯向增大泵排量方向移動；當(dāng)所需流量減小時與上述情況剛好相反。當(dāng)比例多路閥產(chǎn)生的壓降大于Δp時，推動閥芯向減小泵排量方向移動，使得泵輸出流量始終與系統(tǒng)所需相適應(yīng)。當(dāng)伸縮回路壓力由于某些原因超壓時，恒壓閥打開，變量缸迅速將泵推至零排量附近，僅維持系統(tǒng)高壓狀態(tài)下的泄漏量[2]。

因此，該負載敏感回路可根據(jù)截割頭伸縮的實際承載及速度需求，輸出與負載工況相匹配的壓力和流量[3]。

2 伸縮回路機液一體化建模

懸臂式掘進機截割部伸縮油缸工作時需要底盤提供牽引力，其反作用力通過機體底盤傳遞至支撐油缸，是典型的機液一體化系統(tǒng)。這里利用LMS Virtual.Lab Motion完成伸縮機構(gòu)建模，利用AMESim的HCD功能搭建負載敏感泵模型對伸縮機構(gòu)液壓回路建模。最后通過高級接口將二者聯(lián)合，形成懸臂式掘進機截割頭伸縮機構(gòu)機液一體化模型。

2.1 機械部分Motion建模

機械部分包括伸縮機構(gòu)以及與之相連用于傳力的機體底盤、支撐油缸?？紤]到本文重點研究伸縮缸的壓力變化，因而建模時將整機與支撐油缸視為一體并與地面固定，具體過程分為以下幾步：①在CATIA環(huán)境下建立伸縮機構(gòu)三維模型，并利用LMS Virtual.Lab Motion軟件將其導(dǎo)入；②將已存在的各部分模型轉(zhuǎn)化為構(gòu)件；③設(shè)定約束、外力以及驅(qū)動等參數(shù)。由此得掘進機伸縮機構(gòu)動力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 懸臂式掘進機伸縮機構(gòu)Motion模型

2.2 伸縮回路AMESim建模

伸縮回路建模分為2步：①借助AMESim軟件分別建立LS閥、恒壓閥及變量油缸的HCD模型，將之組合為負載敏感泵模型；②按照圖1，將所建負載敏感泵模型和液壓庫中直接調(diào)用的節(jié)流閥、換向閥、液壓缸和負載機構(gòu)模型組合，得到完整的掘進機負載敏感伸縮回路AMESim模型，如圖3所示。

圖3 懸臂式掘進機伸縮回路AMESim模型

2.3 伸縮機構(gòu)的機液一體化模型

將伸縮機構(gòu)Motion模型與伸縮回路AMESim模型，分別通過修改AME路徑、失效驅(qū)動、控制輸入輸出變量節(jié)點、改選積分器以及添加libmotion文件、修改編譯器等操作完成接口設(shè)置，最后生成液壓回路驅(qū)動伸縮機構(gòu)的機液一體化模型，如圖4所示。

圖4 懸臂式掘進機伸縮機構(gòu)機液一體化模型

圖4帶虛線方框是Motion模型求解生成的接口模塊，其中force_ss、velocity_ss、displace_ss分別為伸縮機構(gòu)輸入輸出控制變量節(jié)點。

3 模型求解與分析

3.1 模型求解

在AMESim中對伸縮機構(gòu)機液一體化模型采用CO-Simulation方式進行求解，積分求解器選用AMESIM_COSIM[4]。Motion中截割頭伸縮機構(gòu)液壓缸驅(qū)動力由AMESim提供，與此同時AMESim接收由Motion反饋的油缸速度、位移信號，構(gòu)成閉環(huán)耦合系統(tǒng)，實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)交換。

表1是EBZ160懸臂式掘進機伸縮回路基本參數(shù)。

表1 伸縮回路基本參數(shù)

整機掏窩鉆進過程可用多路換向閥閥口開度和負載信號模擬。

設(shè)定換向閥開度信號如圖5所示。0～2s閥芯靜止，模擬前鏟板及后支撐伸出，將整機支撐起的工作準(zhǔn)備過程；2～4s模擬伸縮回路換向閥在主機工作2s時閥芯移動，閥口開度由0線性增至0.285；4～6s閥口開度穩(wěn)定在0.285；4～6s線性關(guān)閉。設(shè)置模擬負載信號如圖6所示：0～3s模擬截割頭空載伸出；3-10s模擬截割頭觸碰巖開始掏窩鉆進，載荷從100kN隨著鉆進深度線性增至150kN，其中5s時截割頭突遇硬巖隨后瞬間硬巖崩裂。

圖5 多路換向閥閥口開度變化

圖6 截割頭模擬載荷

設(shè)定求解步長0.05，求解時間10s，得到泵出口和伸縮油缸無桿腔壓力、流量如圖7、圖8所示。

圖7 泵出口和油缸無桿腔壓力

圖8 泵出口和油缸無桿腔流量

3.2 求解結(jié)果分析

圖7、圖8中，曲線1分別為泵輸出壓力、輸出流量曲線，曲線2分別為伸縮缸無桿腔輸出壓力、輸出流量曲線。由此可知在伸縮缸工作過程中：①泵出口壓力始終高于油缸無桿腔的負載壓力0.2MPa，這恰是負載敏感閥設(shè)定壓力，見圖7；②泵未啟動時處于最大排量，啟動瞬間輸出流量1470r/min×145mL/r=213L/min，啟動后迅速由最大排量調(diào)整至相應(yīng)所需排量，僅輸出略微高于油缸伸出所需的流量以補充泄漏，見圖8；③當(dāng)伸縮缸工作結(jié)束即8s時多路閥關(guān)閉（圖5），此時不再有流量進入伸縮缸，單向閥關(guān)閉，負載敏感閥的LS回路不再感應(yīng)伸縮油缸無桿腔負載壓力而近似為油箱壓力，負載敏感泵處于低壓待機狀態(tài)，輸出壓力為敏感閥設(shè)定的0.2MPa。而此時負載壓力仍舊線性增大，如圖6，致使伸縮缸無桿腔壓力繼續(xù)線性上升，見圖7?？梢?，本文所建模型準(zhǔn)確反映了伸縮回路工作特性，可用于分析其壓力沖擊。

由于掘進機伸縮機構(gòu)機液一體化模型基于AMESim平臺調(diào)用Motion求解，要求 Motion采樣步長大于AMESim步長。因此，在AMESim中調(diào)出的圖7無法展現(xiàn)壓力沖擊現(xiàn)象。現(xiàn)改為在Motion中輸出伸縮缸活塞桿受力及其動態(tài)過程放大曲線，它與伸縮缸無桿腔壓力僅相差一個活塞面積比例因子，如圖9所示。

圖9 伸縮缸活塞桿受力

由圖9可以明顯看出，伸縮缸整個工作過程只在接觸巖壁表面瞬間會產(chǎn)生明顯的壓力沖擊，超調(diào)達79%。而遇到突變載荷導(dǎo)致的壓力變化，超調(diào)僅為4.3%，可以忽略。這是由于觸碰巖壁瞬間，負載敏感系統(tǒng)剛剛啟動，其功率自適應(yīng)機構(gòu)尚未工作，而遇到突變載荷時系統(tǒng)已經(jīng)處于高壓功率自適應(yīng)狀態(tài)。

可見，對硬巖截割由于伸縮缸頻繁觸碰巖壁，會產(chǎn)生很大的周期性瞬間壓力沖擊，這對伸縮缸的密封十分不利，可能會導(dǎo)致其工作故障。

4 結(jié) 論

通過對懸臂式掘進機伸縮機構(gòu)機液一體化建模求解分析，可以得到如下結(jié)論。

1）所搭建的伸縮機構(gòu)機液一體化模型能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)工作特性，可據(jù)此對其性能進行優(yōu)化改進。

2）伸縮缸壓力沖擊主要來自于截割頭觸碰巖壁瞬間，掏窩鉆進過程中的突變載荷影響可以忽略。

3）可在伸縮回路中加裝蓄能器來緩釋截割頭觸碰巖壁導(dǎo)致的伸縮缸周期性壓力沖擊，以此延長伸縮缸壽命并提高其工作可靠性。

上述結(jié)論對懸臂式掘進機液壓系統(tǒng)改進設(shè)計具有實用價值。

[參考文獻]

[1] 高承興，劉德林．掘進機的技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤礦機械，2009，30(5)：3-4.

[2] 楊梅生，彭天好，劉佳東．懸臂式掘進機中的負載敏感控制及節(jié)能分析[J]．煤礦機械，2010，31（3）：214-217．

[3] 王 炎，胡軍科，楊波．負載敏感泵動態(tài)特性分析與研究[J]．現(xiàn)代制造工程，2008，（12）：84-88．

[4] 崔娜娜，吳 娟，崔海云．基于Motion/AMESim的某變載機構(gòu)的建模與仿真分析[J].液壓氣動與密封，2013，（9)：14-16.

（編輯 賈澤輝）

Analysis of boom-type roadheader cutting head expansion circuit pressure impact

FEI Ye, WANG Ji-ming, YE Xiao-shuai
（沈陽建筑大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110168）

［中圖分類號］TD421

［文獻標(biāo)識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0031-04

［收稿日期］2015-04-25