液壓支架上升回路的AMEsim建模和仿真

劉曉蓮， 李坤， 趙雄鵬

（1. 太原重工股份有限公司，太原030000；2. 山西焦煤機電裝備電子商務有限公司，太原030000；3. 廣州博創智能裝備有限公司，廣州511450）

0 引 言

在液壓支架的工作循環中，包括了卸載降柱、移架、升柱初撐等工序[1]。液壓系統的流量和壓力是隨著工況和時間的變化而動態變化的，在常規靜態計算中，初撐時間和液控系統響應的滯后時間等因素往往被忽略，所以靜態計算數據存在著一定的誤差，因此通過仿真手段對動態數據進行計算十分必要[2]。

利用AMESim 建立仿真模型[3]，并對液壓支架上升工況的立柱和平衡缸液壓回路進行壓力和位移的動態特性仿真分析，驗證模型建立的正確性，可為液壓支架液壓系統建模和仿真提供依據，進而為結構和控制參數的優化提供指導。

1 液壓支架機械結構

液壓支架機械部分包括頂梁、四桿機構、平衡缸、立柱和底座；液壓部分包括立柱升降系統和平衡缸浮動系統[4]。因為液壓支架的對稱性，所以只建立一個立柱的機液模型，掩護式液壓支架機構圖如圖1 所示。

圖1 掩護式液壓支架機構圖

在立柱上升過程中，頂梁被頂起，同時由于掩護梁和平衡缸對頂梁的鉸連接使得頂梁出現“高射炮”情況。當頂梁前段接觸到頂層煤時，頂梁在煤層和支架其他部分共同作用下調平。

2 液壓支架液壓系統回路原理

2.1 立柱液壓回路

液壓支架單個立柱缸原理圖如圖2 所示。立柱上升時，高壓乳化液的流通路線為：高壓供液路P→反沖洗過濾器→主控制閥→旁路閥→液控單向閥→立柱下腔→立柱上腔→主控制閥→回液斷路閥→主回液管路→油箱。

圖2 液壓支架單立柱原理圖

2.2 平衡缸液壓回路

平衡缸浮動雙向鎖液壓回路如圖3 所示。當升立柱時，其控制液同時打開高壓鎖，使得平衡千斤頂浮動雙向鎖在低壓鎖調定壓力限定下工作。立柱觸頂增壓過程中，平衡千斤頂活塞腔增壓，當達到浮動雙向鎖調定壓力時，低壓鎖打開，平衡千斤頂及時卸壓。低壓鎖具有一定的調定壓力，因為在升柱初撐過程中，頂板壓力較小，這樣也可以防止支架出現“打高射炮”狀態，影響支架對頂板的支護性能。立柱水平接頂壓實后，來自立柱的升柱控制液消失，浮動雙向高壓鎖關閉，維持普通雙向鎖功能。因為本文只模擬立柱上升階段的情況，所以雙向液壓鎖一直打開，因此簡化了模型，忽略了雙向液壓鎖。

3 液壓支架系統AMESim建模

根據機械結構和液壓系統原理圖搭建AMESim 仿真模型，如圖4 所示。液壓支架模型平面機械簡圖如5 所示。

模擬立柱上升階段，立柱上升14 cm，直到頂板與頂層煤平行接觸。

圖3 平衡缸浮動雙向鎖液壓控制回路

圖4 液壓支架上升系統回路模型

圖5 液壓支架模型平面機械簡圖

以液壓支架ZY12000/28/64 型號為基礎，液壓參數如表1 所示，機械參數如表2 所示。

進油控制信號前2 s 為0，使得系統管路充滿液壓油，2～4 s 給階躍信號40 null；傳感器測量角位移，反饋函數為x-y，比例增益為-100 000；函數y 口輸入參數0～2 s 為9 null，2.0～3.5 s 從9～12 null 線性上升，3.5～4.0 s 從12～0 null。

4 液壓支架上升工況仿真分析

4.1 立柱上升仿真結果和動態分析

立柱位移圖如圖6 所示。開始時立柱在5.5 m 處，且有輕微的波動；2 s 時，立柱基本保持穩定。2～4 s 時立柱穩步上升14 cm，3.5 s 時出現波動，此時頂梁前段觸頂并開始調平。

立柱下腔壓力如圖7 所示。下腔壓力在0～2 s 內在0.14 MPa 上下波動；2.0～3.5 s 保持壓力0.14 MPa；3.5 s 在頂梁前段觸頂后，壓力波動較大，最后趨于穩定在2 MPa。由此判斷，立柱初始的波動是頂梁壓在立柱上，使得立柱壓力、位移出現一定的波動；在3.5 s時，因為觸頂后有負載加載到頂梁傳遞到立柱，使得立柱壓力和位移出現波動。

表1 液壓支架液壓參數

表2 液壓支架機械參數

圖6 立柱位移圖

4.2 平衡缸仿真結果和動態分析

平衡缸位移如圖8 所示。平衡缸初始位置活塞桿伸出0.63 m，開始時有不足1 cm 的位移波動，2 s 時，位移基本保持穩定在0.63 m；2.0～3.5 s 時平衡缸桿伸出到0.65 m，3.5～4.0 s 時平衡缸桿縮回到0.5 m。整個過程都較平穩地進行，沒有出現較大的波動，且運動范圍都在平衡缸的行程之內，沒有出現平衡缸超載運行的情況。

圖7 立柱下腔壓力

圖8 平衡缸位移

圖9 平衡缸活塞腔壓力

圖10 平衡缸有桿腔壓力

平衡缸活塞腔和有桿腔壓力如圖9 和圖10 所示。從圖中可以看出，平衡缸活塞腔壓力從0～3.5 s 基本保持零壓；3.5～4.0 s 時下腔壓力出現波動，最大壓力達到7 MPa，最終下腔壓力為4 MPa。有桿腔壓力相應地從0～2 s出現波動，最大波動壓力為2.3 MPa，然后趨于零壓；2.2～3.5 s 時壓力保持在1.6 MPa；3.5～4.0 s 時有桿腔壓力基本保持低壓0.5 MPa 之內。

結合頂梁和立柱的運動情況可以看出，平衡缸的主要作用在于調節頂梁姿態，使頂梁能夠與頂板煤層平行。2.0～3.5 s 時，在頂梁傾角變大的作用下，使得平衡缸活塞桿伸出，下腔沒有承載壓力；當頂梁前段觸頂并開始調平時，平衡缸活塞桿受壓縮回。由于平衡缸采用浮動雙向鎖回路，平衡缸腔內壓力不大。

5 結 論

以ZY12000/28/64 型號為基礎建立主要仿真參數，利用AMESim 仿真軟件，對液壓支架上升工況的立柱和平衡缸液壓回路進行建模和仿真，并對結果進行分析。仿真結果表明了所建模型的正確性和有效性，動態特性仿真結果符合液壓支架工況規律。