基于 AMESim 支架液壓系統分析

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液壓支架是煤礦綜采工作面的主要設備之一，用于支護采場頂板，維護安全作業空間，推移工作面采運設備。液壓支架工作時是循環的降-移-升過程：當采煤機割過支架前方煤壁時，為防止前端頂板垮落，液壓支架降低高度脫離頂板，推移千斤頂拉支架前移，立柱升起使液壓支架重新支護頂板。采煤機割煤后，液壓支架必須快速完成降-移-升，才能保證整個工作面的安全。目前大部分工作面液壓支架的降-移-升循環時間約為 10 s，比較先進的設備能達到 7～ 8 s。整個循環過程是由乳化液泵站供給高壓液體，通過各種閥控制立柱、千斤頂的伸縮來實現，因此液壓系統是影響采煤效率和煤礦安全最關鍵的因素[1]。支架液壓系統設計主要依靠經驗，缺少理論支撐。筆者通過對影響液壓系統的乳化液、流體運動參數、液壓元件壓力流量特性等參數的確定，建立AMESim 模型，對支架循環時間進行計算，并對結果進行分析，得出影響支架循環時間的因素，為液壓系統設計提供理論依據。

1 確定乳化液特性和流體運動參數

在液壓系統 AMESim 計算過程中，乳化液的屬性設置正確與否對整個系統運動特性有很大影響，例如密度與壓力有關，壓力越大，體積被壓縮，密度就會變大。由于密度與相對黏度成反比，密度變大，相對黏度會變小。液體具有可壓縮性，同時管路也具有膨脹性，當壓力逐漸增大時，系統的壓力增大會有延遲。管路內壁絕對粗糙度也會對液壓系統的沿程阻力系數產生一定影響。

單位體積液體的質量稱為液體的密度，乳化液的密度ρ=920～ 1 100 kg/m3。液體的密度隨壓力和溫度的變化而變化，壓力增高，密度增大；溫度升高，密度減小。在一般工作條件下，該變化很小，可以忽略不計。經過計算分析，液壓支架常用乳化液密度取ρ=1 060 kg/m3。

在常溫與常壓下，純凈油液的體積模量K=(1.4～ 2.0)×103MPa，液體的壓縮性很小，可認為不可壓縮，所以一般情況下，把液體看成“柔軟剛體”。在進行液壓系統的動態計算時，由于液壓系統中不可避免地存在一定量的氣體，所以液壓油的體積模量取K=0.7×103MPa。理論上液壓支架常用乳化液體積模量取K=2×103MPa。

一般而言，油液所受壓力增大，其黏性變大，在高壓時，壓力對黏性影響表現尤為突出，而在中、低壓時并不顯著。油液黏性對溫度十分敏感。當油液溫度升高時，黏性下降，這種影響在低溫時更為突出[2]。油液的動力黏度與壓力、溫度的關系可以用如下經驗公式表示：

式中：μ為壓力為p(MPa)，溫度為t時的動力黏度，Pa·s；μ0為大氣壓下，溫度為t0時的動力黏度，Pa·s；α為油液的黏壓系數，對于石油基液壓油，α=0.02～ 0.03 MPa-1；λ為油液的黏溫系數，對于石油基液壓油，λ=0.017～ 0.050，具體數值隨油品而異，如10 號航空油，λ≈0.017，而 N100 機械油，λ≈0.049。

經過計算與分析，純乳化油 40 ℃ 的運動黏度v=105.9 mm2/s，而含 5% 乳化油 40 ℃ 的乳化液動力黏度μ=0.6 Pa·s，密度ρ=1 060 kg/m3，其運動黏度v=μ/ρ=56.6 mm2/s。

經過計算與分析，獲得液壓支架乳化液常溫下的流量特性，可以確定乳化液密度、彈性模量、動力黏度、雷諾系數和沿程壓力損失系數等參數，如表 1 所列，為 AMESim 模型提供數據依據。

表1 乳化液參數設置Tab.1 Parameter settings of emulsion

2 液壓元件壓力流量特性確定

2.1 標準接頭、管路流量特性確定

液壓元件是組成液壓系統的主要部分，包括彎頭、彎通、F 形插接頭、Y 形三通、Y 形插接頭、T形三通、阻尼接頭、多通塊、架間管、換向閥、高精過濾器、反沖洗過濾器、立柱控制閥、推移單向鎖、回液斷路閥等。在 AMESim 分析軟件中，如何設置其參數是保證計算精度的重要依據。因此需要對每個元件進行流量特性分析，進而獲得其流量特性。以MT/T 986—2006 標準接頭為例建立模型劃分網格，進行有限元分析計算，得出壓力損失和流速分布，進而通過計算得出液壓系統中各連接件的摩擦因數，為AMESim 分析提供精確的參數。以 DN10 彎頭為例，其有限元分析及參數設置如圖 1～ 3 所示。

圖1 DN10 彎頭流道的網格模型Fig.1 Grid model of flow way of DN10 elbow

圖2 通過流量為 40 L/min 時 DN10 彎頭壓力損失Fig.2 Pressure loss of DN10 elbow while flow rate being 40 L/min

圖3 通過流量為 40 L/min 時 DN10 彎頭流速分布Fig.3 Flow rate distribution of DN10 elbow while flow rate being 40 L/min

由圖 2、3 可以看出，通過流量為 40 L/min 時DN10 彎頭壓力損失和流速分布，進而可以計算出DN10 彎頭的摩擦因數。

進口到出口的摩擦因數設置可以通過下式求得：

其中

式中：Q為進出口流量；Cq為管嘴流量系數；A為孔口面積；Δp為進、出口的壓力差；k為摩擦因數。

已知Q=40 L/min，A=0.000 038 4 m2，Δp=2.08 ×105Pa，ρ=1 060 kg/m3，計算得k=1.3。

2.2 液壓支架常用閥流量特性確定

液壓支架液壓系統用到的立柱控制閥、推移單向鎖和換向閥是影響支架降移升時間的關鍵因素。這些液壓元件的壓力流量特性即Kv特性對 AMESim 的計算結果影響較大，通過測試可得到閥的準確Kv特性值，測試原理圖如圖 4 所示。測試系統液壓源可控制油液流量及溫度。

圖4 測試原理Fig.4 Testing principle

通過對換向閥、高精過濾器、反沖洗過濾器、立柱控制閥、推移單向鎖和回液斷路閥進行壓力流量特性測試，得到各種閥在公稱流量下的壓力損失[3]，并把該參數帶入 AMESim 模型進行分析。200 L 換向閥P 口到 A 口壓力流量特性曲線如圖 5 所示。

圖5 200 L 換向閥 P 口到 A 口壓力流量特性曲線Fig.5 Pressure-flow characteristic curve of 200 L reversing valve from port P to A

3 掩護式支架循環時間 AMESim模型的建立

通過對乳化液、標準連接件、膠管及各類閥的研究計算，得出 AMESim 系統所需的參數，建立AMESim 模型。該模型不但采用換向閥順序控制，與真實順序操作一樣，而且降、移、升 3 個模型在 1 次分析中全部完成，不但能節省分析時間，而且能夠仿真出回液背壓對其他未操作液壓缸的影響。以 ZY 5200/18/38 型掩護式支架的液壓系統為例，進行建立支架降-移-升 1 個循環的模型，該分析模型收抬底千斤頂與升柱聯動，與實際液壓原理保持一致[4]。液壓系統參數表如表 2 所列，支架的 AMESim 模型如圖6 所示。將以上確定的數值給 AMESim 模型中的相關參數賦值，計算降 100 mm、移 700 mm、升 100 mm的時間，如圖 7～ 9 所示。

表2 ZY5200/18/38 型掩護式支架主要管路通徑Tab.2 Diameter of main hose of ZY5200/18/38 shield support mm

圖6 液壓系統降移升分析模型Fig.6 Analysis model of hydraulic system LAS

圖7 液壓支架降架 100 mm 的時間Fig.7 Time of hydraulic support lowering 100 mm

圖8 液壓支架移架 700 mm 的時間Fig.8 Time of hydraulic support advancing 700 mm

圖9 液壓支架升架 100 mm 的時間Fig.9 Time of hydraulic support setting 100 mm

由圖 7～ 9 可以看出，支架降 100 mm 所需時間為2.89 s，推移 700 mm 所需時間為 1.79 s，升 100 mm 所需時間為 1.69 s，整個降-移-升循環時間為 6.37 s。由于該系統為手動操作，降-移-升需要耗時 3 s，其跟機速度為 9.6 m/min。

在其他參數不變的情況下，如果將立柱控制閥、推移單向鎖和換向閥及進回液管路的通徑變小，比如將立柱進、回液通徑由 19 mm 改為 16 mm，經過AMESim 系統分析計算，降柱和升柱時間分別為 4.08 s和 2.38 s，這樣整個降-移-升的循環時間為 8.25 s。

如果只是將推移千斤頂的進液通徑由 19 mm 改為 16 mm，經過 AMESim 系統分析計算，移架時間由原來的 1.79 s 增加為 2.52 s，整個降-移-升的循環時間為 7.10 s。

在泵站壓力、千斤頂缸徑、移架步距等條件不變的情況下，立柱控制閥、推移單向鎖、換向閥、進回液管路通徑是影響支架降-移-升時間的關鍵因素。因此，可以通過不斷優化立柱控制閥、推移單向鎖和換向閥、進回液管路通徑來得到最優的液壓系統設計。

4 結語

通過對支架液壓系統乳化液特性、液壓元件壓力流量特性等參數的分析與測定，建立支架液壓系統的AMESim 模型，經分析計算，調整影響閥、進回液通徑等參數，得出滿足要求的支架降-移-升時間。研究發現，立柱控制閥、推移單向鎖、換向閥、進回液管路通徑是影響支架降-移-升時間的關鍵因素，這為支架液壓系統各類閥及進回液通徑的選取提供了依據。