基于AMESim的斷帶抓捕裝置液壓系統(tǒng)仿真研究

董 凱

（山西晉煤集團(tuán)沁水胡底煤業(yè)有限公司， 山西 晉城 048000）

引言

為了滿足日益擴(kuò)大的煤炭市場(chǎng)需求，我國(guó)各大煤礦開(kāi)始有計(jì)劃的提升采煤設(shè)備的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，大功率、長(zhǎng)距離、大傾角、高帶速的帶式輸送機(jī)大批量的投入應(yīng)用[1]，輸送帶在長(zhǎng)期工作時(shí)因輸送帶自身的質(zhì)量原因、輸送帶接頭質(zhì)量不合格、啟動(dòng)時(shí)輸送帶內(nèi)的應(yīng)力變化過(guò)大、輸送機(jī)在運(yùn)行的過(guò)程中載荷的突然變化等因素的影響極易發(fā)生斷帶事故，導(dǎo)致輸送帶及其上的輸送物將順著傾斜的支架滑落至巷道的底部，造成煤礦長(zhǎng)期的停產(chǎn)及重大的經(jīng)濟(jì)損失[2-3]。因此，通過(guò)對(duì)電液控制型的斷帶抓捕裝置控制原理的分析及利用AMESim仿真分析軟件對(duì)液控系統(tǒng)的建模仿真研究。

1 斷帶抓捕機(jī)構(gòu)液控系統(tǒng)的工作原理

斷帶抓捕裝置的液壓控制系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。

在帶式輸送機(jī)的輸送機(jī)構(gòu)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，斷帶抓捕裝置的信號(hào)監(jiān)控系統(tǒng)會(huì)對(duì)輸送帶的運(yùn)行情況進(jìn)行不間斷監(jiān)控，并運(yùn)用編制好的邏輯判斷是否斷帶（斷帶抓捕裝置工作流程圖如圖2所示），若斷帶則發(fā)出斷帶信號(hào)，控制系統(tǒng)發(fā)出抓捕信號(hào)，控制電機(jī)啟動(dòng)，將油箱內(nèi)的液壓油通過(guò)單向閥注入到三位四通電磁換向閥中（此時(shí)三位四通電磁換向閥處于右位工作），液壓油通過(guò)右側(cè)的液控單向閥進(jìn)入到執(zhí)行油缸的無(wú)桿腔，推動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)推出，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在推出的過(guò)程中將有桿腔內(nèi)的液壓油壓出，這部分液壓油則通過(guò)兩位四通電液換向閥進(jìn)入到執(zhí)行油缸的無(wú)桿腔，同時(shí)兩位四通電液換向閥處于連通位置，使預(yù)先儲(chǔ)存在蓄能器中的高壓油通過(guò)系統(tǒng)的油管進(jìn)入到執(zhí)行機(jī)構(gòu)的無(wú)桿腔，三者共同作用，確保執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠以最短的時(shí)間推出到位。

圖1 液壓系統(tǒng)控制原理圖

圖2 斷帶抓捕裝置工作流程圖

2 液壓系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的建立

由液壓系統(tǒng)的工作原理圖可知，該液壓系統(tǒng)采用的是具有差動(dòng)連接的差動(dòng)式液壓缸，液壓缸的無(wú)桿腔的面積遠(yuǎn)大于有桿腔的面積，由P=F/S可知，即使兩腔的壓力相同，執(zhí)行油缸的活塞桿還是會(huì)向著有桿腔的方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)從有桿腔被擠壓出來(lái)的液壓油則通過(guò)回路進(jìn)入到執(zhí)行油缸的無(wú)桿腔中，極大地加快執(zhí)行油缸活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度。

差動(dòng)油缸在工作時(shí)活塞桿的運(yùn)行速度為[4]：

式中：q為系統(tǒng)工作時(shí)的供油量；d為執(zhí)行油缸的活塞桿直徑。

執(zhí)行油缸在工作時(shí)有桿腔的回油量為：

式中：φ為執(zhí)行油缸內(nèi)徑與活塞桿直徑之比；D為執(zhí)行油缸內(nèi)徑。

執(zhí)行油缸工作時(shí)有桿腔的壓力為[5]：

式中：Py為系統(tǒng)的供油壓力；R1為油泵出液口到差動(dòng)油缸前管路的等效液阻；R2為執(zhí)行油缸有桿腔進(jìn)液管的等效液阻。

執(zhí)行油缸工作時(shí)無(wú)桿腔的壓力為：

式中：R3為無(wú)桿腔的等效液阻。

根據(jù)上面的計(jì)算公式，可得出執(zhí)行油缸在工作時(shí)的推力：

3 利用AMESim進(jìn)行的仿真分析

根據(jù)斷帶抓捕機(jī)構(gòu)液壓泵站的工作原理圖，利用仿真分析軟件對(duì)液壓系統(tǒng)執(zhí)行抓捕動(dòng)作時(shí)的狀態(tài)進(jìn)行仿真分析，該液壓泵站在工作時(shí)的額定工作壓力為8 MPa（80 bar），執(zhí)行抓捕動(dòng)作時(shí)系統(tǒng)內(nèi)最大的液流量為58 000 mL/min，系統(tǒng)的檢測(cè)采樣的周期為5 s，仿真分析的運(yùn)行時(shí)間設(shè)置為10 s，假設(shè)系統(tǒng)在5 s時(shí)發(fā)生了斷帶事故，系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1 仿真參數(shù)設(shè)置

利用AMESim仿真分析可知，在斷帶抓捕裝置處于保壓狀態(tài)時(shí)，執(zhí)行油缸有桿腔的壓力曲線和活塞桿的位移曲線分別如圖3、4所示：

由圖3和圖4分析可知，在0～0.6 s時(shí)斷帶抓捕裝置的液壓系統(tǒng)處于啟動(dòng)的階段，執(zhí)行油缸有桿腔的壓力快速上升并在8 MPa（80 bar）時(shí)處于穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)斷帶抓捕裝置的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在處于保壓狀態(tài)時(shí)，其離工作點(diǎn)的距離約0.9 m，當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，執(zhí)行油缸的活塞桿收回，達(dá)到保壓位置。

圖4 執(zhí)行油缸活塞桿的位移曲線

執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中壓力的變化情況如下圖5所呈現(xiàn)的變化曲線，工作時(shí)壓力迅速升高，最后處于穩(wěn)定狀態(tài)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工作過(guò)程中的位移的變化曲線如圖6所示[5]。

圖5 執(zhí)行機(jī)構(gòu)液控系統(tǒng)壓力變化曲線

圖6 執(zhí)行機(jī)構(gòu)活塞桿的位移變化曲線

由圖5、圖6分析可知，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出抓捕信號(hào)，系統(tǒng)開(kāi)始執(zhí)行抓捕過(guò)程時(shí)，液壓系統(tǒng)的兩位四通電液換向閥1接通，執(zhí)行油缸開(kāi)始差動(dòng)，當(dāng)系統(tǒng)開(kāi)始進(jìn)行抓捕時(shí)系統(tǒng)壓力迅速下降并維持在約6.6 MPa（66 bar），這是由于作為輔動(dòng)力源的蓄能器釋放其中儲(chǔ)存的液壓油進(jìn)入無(wú)桿腔，但蓄能器中仍有壓力油，因此系統(tǒng)壓力得以保持穩(wěn)定，執(zhí)行油缸整個(gè)執(zhí)行抓捕動(dòng)作的實(shí)際時(shí)間約0.6 s，滿足抓捕的要求。

4 結(jié)論

帶式輸送機(jī)斷帶抓捕裝置是避免輸送機(jī)發(fā)生斷帶后輸送帶下滑的一種機(jī)械設(shè)備，采用差動(dòng)設(shè)計(jì)的斷帶抓捕液壓控制系統(tǒng)能夠在斷帶發(fā)生的0.6 s內(nèi)控制抓捕機(jī)構(gòu)完成對(duì)輸送帶的抓捕，確保對(duì)輸送帶的緊急制動(dòng)，可靠性高、靈敏性好。