多因素影響下推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真

王耀輝

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京　100013;

2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)分院， 北京　100013)

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多因素影響下推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真

王耀輝1，2

(1.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部， 北京100013;

2.煤炭科學(xué)研究總院 開采設(shè)計(jì)分院， 北京100013)

摘要：根據(jù)刨運(yùn)機(jī)組推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工作原理，在AMESim液壓仿真軟件中建立了液壓系統(tǒng)仿真模型；針對乳化液彈性模量、負(fù)載、背壓等影響推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)運(yùn)行的主要因素，在實(shí)際允許范圍內(nèi)改變其數(shù)值，對推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真，得出各因素對液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響程度，并提出相應(yīng)的系統(tǒng)性能改進(jìn)措施。

關(guān)鍵詞：刨運(yùn)機(jī)組； 推移機(jī)構(gòu)； 液壓系統(tǒng)； 多因素影響

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160405.1132.013.html

0引言

液壓系統(tǒng)是井下大部分線性運(yùn)動(dòng)執(zhí)行部件的主要?jiǎng)恿υ矗湓O(shè)計(jì)是否合理、性能是否穩(wěn)定和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性是否優(yōu)良，是該類部件性能是否達(dá)到設(shè)定目標(biāo)的關(guān)鍵。液壓仿真技術(shù)是液壓系統(tǒng)和元件在設(shè)計(jì)階段經(jīng)常采用的方法，可對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析和評估，較傳統(tǒng)的利用物理成型和試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)合理性的方法具有更高的可靠性，且大大簡化了分析過程，縮短了工作周期[1-2]。本文以急傾斜煤層刨運(yùn)機(jī)組的關(guān)鍵執(zhí)行部件——推移機(jī)構(gòu)為研究主體，利用AMESim液壓仿真軟件分析多項(xiàng)因素對刨運(yùn)機(jī)組推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的影響，根據(jù)分析結(jié)果來判定推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性，并提出相應(yīng)的動(dòng)態(tài)性能優(yōu)化措施。

1推移機(jī)構(gòu)工況分析

在急傾斜走向長壁工作面中，當(dāng)位于上部的落煤設(shè)備割煤時(shí)，下落的煤塊時(shí)常威脅下部人員的安全。采用擋矸機(jī)構(gòu)和防護(hù)手段雖然有一定效果，但實(shí)現(xiàn)落煤過程中工作面內(nèi)無人才是最根本的方案。因此，提出了急傾斜煤層刨運(yùn)機(jī)組機(jī)械化采煤方法。該機(jī)組由液壓支架、刨運(yùn)機(jī)、推移機(jī)構(gòu)及電液控制系統(tǒng)等組成。推移機(jī)構(gòu)前端連接刨運(yùn)機(jī)梁，后端安裝在液壓支架底座上，是刨運(yùn)機(jī)組割煤的主要執(zhí)行部件。該機(jī)構(gòu)由推移千斤頂和雙搖擺千斤頂組成。推移千斤頂為機(jī)組在推進(jìn)方向割煤的動(dòng)力執(zhí)行部件，搖擺千斤頂為機(jī)組在垂直頂?shù)装宸较蚋蠲旱膭?dòng)力執(zhí)行部件。

推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)是以傳遞動(dòng)能為主的傳動(dòng)系統(tǒng)，在工作過程需要頻繁進(jìn)行液壓缸的伸縮及設(shè)備的啟停，采煤過程中會(huì)受到鄰架刨運(yùn)機(jī)、電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩、煤層阻力等因素的干擾。液壓系統(tǒng)壓力為31.5 MPa，流量和功率都較大，若系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較差，會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行部件運(yùn)動(dòng)失調(diào)，推移千斤頂活塞桿及缸體出現(xiàn)液壓沖擊、液壓爬行及運(yùn)動(dòng)沖擊等現(xiàn)象，電液控制系統(tǒng)控制精度不高。因此，需要采用多種方法對液壓系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性研究[3-4]。

2推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)工作原理及仿真步驟

2.1推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)組成及工作原理

推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)組成及工作原理如圖1所示。考慮到刨運(yùn)機(jī)組電液控制系統(tǒng)對乳化液有要求，在泵站前方加入反沖洗過濾站。電磁換向閥分別控制推移千斤頂和搖擺千斤頂?shù)纳炜s。

圖1　推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)組成及工作原理

為實(shí)現(xiàn)采煤過程的定量推移，在推移千斤頂內(nèi)安裝位移傳感器。移架時(shí)，推移千斤頂同時(shí)起到拉架作用。但因急傾斜工作面在移架時(shí)不易控制支架位置，所以拉架過程中，推移千斤頂收回時(shí)采用鄰架控制方式。另外，為確保刨運(yùn)機(jī)梁在推進(jìn)過程中方向的單一性，推移千斤頂不發(fā)生回收，在推移千斤頂液壓回路中安裝1個(gè)液壓單向鎖。

單個(gè)推移機(jī)構(gòu)對應(yīng)的刨運(yùn)梁、刨頭及刨鏈質(zhì)量達(dá)800 kg。為防止其在割煤過程中抬起及下落時(shí)發(fā)生震動(dòng)，在搖擺千斤頂液壓回路兩端安裝液壓雙向鎖。同時(shí)，在推移千斤頂上方安裝傾角傳感器，根據(jù)推移千斤頂?shù)膬A角來控制搖擺千斤頂?shù)纳炜s，以此控制刨運(yùn)機(jī)割煤高度范圍[5-7]。

2.2推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真步驟

(1) 通過理論推導(dǎo)建立描述現(xiàn)有推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，經(jīng)實(shí)際檢驗(yàn)和分析，將該數(shù)學(xué)模型作為進(jìn)行類似設(shè)計(jì)及改進(jìn)的理論依據(jù)。本文根據(jù)圖1確定推移機(jī)構(gòu)各部件相關(guān)參數(shù)之間的相互關(guān)系。

(2) 將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)仿真模型。確定數(shù)學(xué)模型和仿真模型后，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，不斷調(diào)整已設(shè)定的液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)值，以提高設(shè)計(jì)效率，縮短系統(tǒng)測試及試驗(yàn)周期。

(3) 選用適當(dāng)算法編制仿真程序或采用現(xiàn)有程序進(jìn)行仿真。目前大多采用專用的液壓仿真軟件進(jìn)行仿真。仿真軟件提供建模模塊，用戶根據(jù)設(shè)計(jì)要求輸入相關(guān)參數(shù)，便可直接建立仿真模型，運(yùn)行仿真后輸出仿真數(shù)據(jù)和曲線。

(4) 根據(jù)仿真結(jié)果獲得系統(tǒng)參數(shù)動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)和曲線，分析系統(tǒng)和元件設(shè)定的參數(shù)值對液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響，經(jīng)過與實(shí)踐結(jié)果對比，確定合適的參數(shù)值。

(5) 分析推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)變參數(shù)仿真得出的動(dòng)態(tài)特性數(shù)據(jù)，驗(yàn)證液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性及相關(guān)參數(shù)設(shè)定的準(zhǔn)確性，然后確定液壓系統(tǒng)和參數(shù)的最佳結(jié)合點(diǎn)，得出推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)的措施[8-9]。

本文采用AMESim仿真軟件分析多因素對刨運(yùn)機(jī)組推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的影響，并采用AMESim的批處理方式優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù)。根據(jù)推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)工作原理及設(shè)計(jì)要求，建立系統(tǒng)仿真模型，如圖2所示。

圖2　推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)仿真模型

3多因素對液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響

推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在運(yùn)行過程中受負(fù)載、油液特性、粉塵、濕度及液壓元件特性等多因素的影響。為了充分了解各因素對液壓系統(tǒng)的影響程度，選取主要的影響參數(shù)，包括乳化液彈性模量、負(fù)載、背壓等，在一定范圍內(nèi)改變其數(shù)值，對推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真[10]。

3.1乳化液彈性模量的影響

乳化液彈性模量為

(1)

式中：V0為原始狀態(tài)下的乳化液體積；ΔP為乳化液壓力的改變量;ΔV為乳化液體積的改變量。

煤礦機(jī)械常用的高水基乳化液或工程中常用的礦物系液壓油的彈性模量變化很小，若乳化液中混入空氣，將具有明顯的可壓縮性。一般來說，乳化液中無空氣混入時(shí)，Ey可取1.4～2.010 9；乳化液中混入1%空氣時(shí)，Ey減小到原來的5%上下。

分別在Ey取1 700，800，100 MPa時(shí)，對推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖3所示。

(a) 推移千斤頂活塞速度曲線

(b) 搖擺千斤頂1活塞速度曲線

(c) 搖擺千斤頂2活塞速度曲線

從圖3可看出，Ey=1 700 MPa時(shí)，對于雙搖擺千斤頂，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度很快，2個(gè)搖擺千斤頂在0.2 s時(shí)即上升至峰值，系統(tǒng)振蕩幅值相對較小，在0.5 s時(shí)趨于穩(wěn)定；對于推移千斤頂，系統(tǒng)振蕩幅值相對較小，2.5 s時(shí)趨于穩(wěn)定。Ey=800 MPa時(shí)，3個(gè)千斤頂?shù)捻憫?yīng)速度較慢，系統(tǒng)振蕩幅值大幅增加。Ey=100 MPa時(shí)，在整個(gè)千斤頂推進(jìn)階段都存在大幅振蕩，容易造成刨運(yùn)機(jī)組運(yùn)行不穩(wěn)定。另外，當(dāng)Ey減小時(shí)，2個(gè)搖擺千斤頂?shù)乃俣炔罹嘣龃螅瑢?dǎo)致雙搖擺千斤頂動(dòng)作不同步，直接影響推移機(jī)構(gòu)的強(qiáng)度和壽命。

可見提高Ey值有利于提高液壓系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及快速響應(yīng)性，因此在液壓系統(tǒng)使用前應(yīng)排出管路中的空氣，以提高Ey值。但乳化液中不可避免地含有一定空氣，可采取相關(guān)措施(如設(shè)置過濾及排氣裝置等)將其控制在適當(dāng)范圍，從而滿足不同液壓系統(tǒng)的要求。

3.2負(fù)載的影響

由于煤層狀況不同，刨運(yùn)機(jī)組割煤時(shí)負(fù)載會(huì)隨時(shí)變化。為分析不同負(fù)載下的液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性，在負(fù)載分別為7 000，10 000，13 000 N時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖4所示。

(a) 推移千斤頂活塞速度曲線

(b) 推移千斤頂圓形腔壓力曲線

從圖4可看出，隨著負(fù)載增大，推移過程中推移千斤頂缸圓形腔所需壓力增大，推移千斤頂推進(jìn)速度變慢，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間發(fā)生明顯滯后，但振蕩范圍變小，超調(diào)量變化趨穩(wěn)。2.5 s后，3種負(fù)載情況下系統(tǒng)基本都進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，且穩(wěn)態(tài)值較接近。可得出系統(tǒng)的負(fù)載特性較好，能夠適應(yīng)不同負(fù)載工況。

3.3背壓的影響

搖擺千斤頂兩端裝有雙向鎖，當(dāng)環(huán)形腔回液時(shí)，順序閥起背壓閥的作用，可控制搖擺千斤頂活塞向前推進(jìn)的速度，保證液壓系統(tǒng)的可靠性。在順序閥開啟壓力(背壓)為15，10，20 MPa時(shí)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖5所示。

圖5　背壓不同時(shí)搖擺千斤頂活塞速度曲線

從圖5可看出，順序閥開啟壓力越小，搖擺千斤頂向前推移的速度越快，時(shí)間越長。順序閥開啟壓力為10 MPa時(shí)，搖擺千斤頂推移速度太快，對系統(tǒng)穩(wěn)定性不利；開啟壓力為20 MPa時(shí)，推移速度較慢，但時(shí)間超過12 s，千斤頂工作效率較低；開啟壓力為15 MPa時(shí)，推移速度對刨運(yùn)機(jī)組割煤過程來說較適合。煤層特性不同時(shí)，需對順序閥的開啟壓力進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。

4結(jié)語

根據(jù)刨運(yùn)機(jī)組推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)的工作原理，建立了液壓系統(tǒng)仿真模型，利用AMESim仿真平臺(tái)分析了推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)在不同因素下的動(dòng)態(tài)性能及參數(shù)變化對系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響，并提出改進(jìn)現(xiàn)有液壓系統(tǒng)工作性能的措施。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬威,包廣清.永磁直驅(qū)風(fēng)電機(jī)組的建模與仿真[J].工礦自動(dòng)化,2010,36(8):49-53.

[2]張申.煤礦自動(dòng)化發(fā)展趨勢[J].工礦自動(dòng)化,2013,39(2):27-33.

[3]陳鑫潤,侯鐵軍,趙云峰.急傾斜厚煤層瓦斯分源抽采技術(shù)的應(yīng)用[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(8):85-87.

[4]王勇亮,盧穎,趙振鵬,等.液壓仿真軟件的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].液壓與氣動(dòng),2012(8):1-4.

[5]毛德兵,王耀輝.JBB-I型急傾斜煤層刨運(yùn)綜采機(jī)組研制與試驗(yàn)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2014,42(9):44-47.

[6]馮喆,謝紅梅,梁策.基于AMESim的先導(dǎo)式溢流閥仿真優(yōu)化分析[J].科技資訊,2014,12(10):64-67.

[7]成夢圓,張春雷.基于AMESim的盤形制動(dòng)器液壓仿真研究[J].煤礦機(jī)械,2014,35(11):75-77.

[8]李樹成,徐銀麗,劉念.基于AMESim的電液伺服閥試驗(yàn)和仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2013(17):166-168.

[9]李正偉.液壓仿真技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展[J].科技資訊,2012(22):97.

[10]沙永柏.JFK-15型非開挖導(dǎo)向鉆機(jī)的研制及其液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究[D].長春：吉林大學(xué),2007.

Dynamic characteristics simulation of hydraulic system of

pushing mechanism under multiple factors influence

WANG Yaohui1,2

(1.Coal Mining and Designing Department, Tiandi Science and Technology Co., Ltd., Beijing 100013,

China; 2.Coal Mining and Designing Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China)

Abstract:According to working environment of hydraulic system of pushing mechanism of coal plough and convey unit, a simulation model of the hydraulic system was built in AMESim hydraulic simulation software. Dynamic characteristics of the hydraulic system were simulated by changing value of main influence factors of the hydraulic system including elastic modulus of emulsion liquid, working load and loop back pressure in practical scope. According to simulation results, influence degree of each factor on dynamic performance of the hydraulic system was analyzed, and corresponding improving measures for system performance were put forward.

Key words:coal plough and convey unit; pushing mechanism; hydraulic system； multiple factors influence

中圖分類號(hào)：TD632/67

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間：2016-04-05 11:32

文章編號(hào)：1671-251X(2016)04-0054-04

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.04.013

王耀輝.多因素影響下推移機(jī)構(gòu)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(4)：54-57.