提升機(jī)過放被動式吸能系統(tǒng)設(shè)計與仿真*

周智勇

(山西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 工程機(jī)械系，山西 太原 030031)

0 引 言

提升機(jī)在煤礦傾斜、垂直運(yùn)輸行業(yè)發(fā)揮著重大作用，隨著箕斗運(yùn)輸速度、運(yùn)載質(zhì)量的提高，導(dǎo)致提升過放或過卷事故的發(fā)生頻率增加[1-5]。一旦發(fā)生過放或過卷事故，會造成巨大的設(shè)備損壞甚至人員傷亡，因此亟待解決此類事故的發(fā)生。

針對提升過放事故的發(fā)生，機(jī)械式過放吸能裝置得到了應(yīng)用，主要有防撞梁和摩擦吸能裝置，防撞梁吸能裝置使用浸泡瀝青的枕木作為主要吸能結(jié)構(gòu)，該裝置二次利用率低，吸能力低且不可調(diào)節(jié)[6-7]；摩擦式吸能裝置依靠摩擦面消耗過放沖擊，產(chǎn)生的熱量易損壞摩擦片[8-9]。由于機(jī)械式過放吸能裝置存在一定不足，毋虎城等[10]開發(fā)了一種防過放液壓吸能裝置，分析了吸能制動力，但未進(jìn)行較深入研究；唐友亮等[11]研究了液壓驅(qū)動式提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要使用過載閥吸收驅(qū)動馬達(dá)的沖擊動能進(jìn)而制動過放箕斗，該吸能系統(tǒng)局限性較強(qiáng)，只適用于液壓驅(qū)動式提升機(jī)過放事故。

基于現(xiàn)有提升機(jī)過放吸能裝置及系統(tǒng)的不足，結(jié)合目前液壓吸能系統(tǒng)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用研究[12-15]，本文將設(shè)計一種新型的提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)，系統(tǒng)通用性較強(qiáng)，屬于被動式吸能系統(tǒng)，采用液壓缸外接溢流閥的吸能技術(shù)進(jìn)行緩沖吸收提升機(jī)箕斗過放的沖擊能量；首先給出過放液壓吸能系統(tǒng)，并介紹其工作原理，對吸能液壓缸進(jìn)行選型計算，借用液壓仿真軟件AMESIM搭建系統(tǒng)仿真模型，仿真研究過放系統(tǒng)動態(tài)性能，分析吸能缸活塞直徑、溢流閥通徑、溢流閥彈簧壓縮量等參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響情況，為優(yōu)化設(shè)計提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)提供基礎(chǔ)。

1 提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)原理

提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)原理圖如圖1所示。

圖1 提升機(jī)過放液壓吸能原理圖

該系統(tǒng)主要由橡膠墊5、防撞板6、導(dǎo)向裝置7、吸能復(fù)位缸8、溢流閥10組成，圖中1表示提升機(jī)動力源，為液壓馬達(dá)或電機(jī)驅(qū)動卷筒動作提供動力，所設(shè)計的過放液壓吸能系統(tǒng)可適用于液壓馬達(dá)驅(qū)動提升機(jī)和電機(jī)驅(qū)動提升機(jī)過放吸能。

其工作原理為：動力源1控制卷筒2上提和下放箕斗4，箕斗上提過程中由于重力向下，在靠近預(yù)設(shè)提升高度前可依靠重力得到一定的減速，而下放過程中，重力和運(yùn)輸速度方向均向下產(chǎn)生，極易發(fā)生過放事故，發(fā)生過放時，箕斗以一定的速度撞擊橡膠墊5和防撞板6，進(jìn)而壓縮吸能復(fù)位缸8，吸能缸吸能腔壓力迅速增大到溢流閥開啟壓力，吸能腔壓力反作用于活塞，產(chǎn)生制動過放箕斗阻尼力。

由于箕斗速度較高，運(yùn)載較大，沖擊時間較短，而溢流閥開啟需要一定時間響應(yīng)，吸能腔壓力往往超過溢流閥開啟壓力甚至由于溢流閥瞬時過流量較小發(fā)生爆缸現(xiàn)象，需后續(xù)進(jìn)行進(jìn)一步仿真分析。

2 提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)參數(shù)確定

箕斗過放過程中，近似看作滿足能量守恒定律，即過放前的沖擊動能全部被吸能腔壓力反作用力消耗吸收，即：

(1)

式中：E—箕斗初始動能，J；M—箕斗滿載總質(zhì)量，kg，暫取M=1 200 kg；v0—箕斗過放初始速度(即箕斗勻速升降速度)，m/s，目前較快的下放速度有v0=10 m/s，后續(xù)作為仿真輸入?yún)?shù)。

由式(1)進(jìn)一步獲得E=60 000 J，由所設(shè)計的吸能系統(tǒng)可知：該沖擊動能被兩個吸能油缸消耗，那么單個油缸應(yīng)吸收30 000 J的能量，每個液壓缸承擔(dān)的等效質(zhì)量M0=600 kg。

則箕斗動能滿足：

(2)

另外根據(jù)溢流閥靜態(tài)性能，在箕斗過放吸能階段，吸能缸腔壓力認(rèn)為是恒定值，則平均反作用力由以下方程計算：

(3)

式中：D—活塞直徑，m；p0—溢流閥開啟壓力，MPa。

暫取活塞直徑50 mm，活塞最大行程1.0 m，由式(2，3)可算出溢流閥的開啟壓力p0：

(4)

計算可得溢流閥的開啟壓力p0≈15.3 MPa。

箕斗過放吸能階段，活塞桿承受壓力，由經(jīng)驗公式可得活塞桿直徑d=0.7D=35 mm，實(shí)際仿真過程中，活塞桿腔與油箱接通，其桿徑基本對系統(tǒng)動態(tài)性能無影響，故不進(jìn)行研究。

3 提升機(jī)吸能系統(tǒng)仿真建模建立

在AMESIM軟件中，搭建提升機(jī)吸能系統(tǒng)仿真建模示意圖如圖2所示。

圖2 提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)仿真模型示意圖

仿真輸入?yún)?shù)一覽表如表1所示(仿真時間0.5 s，步長0.001 s，進(jìn)行仿真)。

表1 仿真輸入?yún)?shù)一覽表

4 系統(tǒng)仿真結(jié)果

初始參數(shù)下，仿真得提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)動態(tài)特性圖如圖3所示。

圖3 提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)動態(tài)特性圖

由圖3可得：

在箕斗過放吸能制動階段，吸能缸緩沖腔最大壓力可達(dá)45 MPa以上，回油腔瞬時流量可達(dá)1 150 L/min；箕斗過放最大位移為0.8 m，箕斗速度從10 m/s減小到±0.5 m/s耗時0.17 s。

下面繼續(xù)研究系統(tǒng)參數(shù)對吸能動態(tài)性能的影響，本文對直徑分別為45 mm、50 mm、55 mm、60 mm的吸能缸活塞進(jìn)行仿真分析，得活塞直徑對提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖如圖4所示。

圖4 活塞直徑對過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖

由圖4可得：

當(dāng)活塞直徑由45 mm增大到60 mm時，箕斗位移由1.0 m減小到0.43 m，吸能缸緩沖腔最大壓力由58 MPa降低到40 MPa，顯然當(dāng)吸能缸活塞直徑為45 mm時，箕斗發(fā)生撞缸現(xiàn)象，主要原因為減小活塞直徑，緩沖腔壓力反作用于活塞的作用力減小引發(fā)撞缸。因此在箕斗過放吸能制動階段，調(diào)小吸能缸活塞直徑有助于降低吸能缸緩沖腔壓力峰值和增大制動行程。

其他參數(shù)不變，本研究設(shè)置溢流閥通徑分別為20 mm、25 mm、30 mm、35 mm進(jìn)行仿真，得溢流閥通徑對提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖如圖5所示。

圖5 通徑對提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖

由圖5看出：

5）秋施基肥時盡量多施農(nóng)家肥或有機(jī)肥（農(nóng)家肥占70%以上），并加入中微量元素肥（如含有鈣、鎂、硼、鐵、鋅等元素的肥料），同時要深施（40 cm左右），促進(jìn)根系往深處生長。

當(dāng)溢流閥通徑由20 mm增大到35 mm時，箕斗位移由0.3 m增大到1.0 m，吸能缸緩沖腔最大壓力由88 MPa降低到38 MPa，顯然當(dāng)溢流閥通徑為35 mm時，箕斗發(fā)生撞缸現(xiàn)象。因此，在不發(fā)生撞缸的前提下，增大溢流閥通徑能降低吸能缸壓力沖擊，增大吸能缸的吸能量。

其他參數(shù)不變，改變溢流閥壓縮量為20 mm、24 mm、26 mm、28 mm進(jìn)行仿真，可得溢流閥壓縮量對提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖如圖6所示。

圖6 壓縮量對提升機(jī)過放液壓吸能系統(tǒng)的影響圖

由圖6看出：

當(dāng)溢流閥壓縮量由20 mm增大到28 mm時，箕斗位移由0.82 m增大到0.61 m，吸能缸緩沖腔最大壓力由47 MPa降低到52 MPa。調(diào)節(jié)溢流閥壓縮量可改變溢流閥開啟壓力，在箕斗吸能階段，進(jìn)而改變吸能缸緩沖腔壓力，由仿真曲線看出，所設(shè)計的被動式吸能系統(tǒng)一定程度上實(shí)現(xiàn)了緩沖腔制動力和制動位移可調(diào)。

因此，在不發(fā)生撞缸的前提下，減小溢流閥壓縮量能降低吸能缸壓力沖擊，增大吸能缸的吸能量。

5 結(jié)束語

基于過放箕斗存在的強(qiáng)沖擊，本文設(shè)計了一種提升機(jī)過放被動式液壓吸能系統(tǒng)，給出并介紹了其工作原理，初步選型了吸能缸參數(shù)，利用AMESIM搭建了提升機(jī)過放被動式吸能系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了吸能制動性能仿真；分析了吸能缸活塞直徑、溢流閥通徑、溢流閥彈簧壓縮量對吸能性能的影響程度。

后續(xù)還可以研究運(yùn)輸速度、運(yùn)載質(zhì)量及復(fù)位彈簧等參數(shù)對吸能系統(tǒng)的影響規(guī)律。