基于AMESim軟件模擬的支架液壓工作原理及仿真

王 蕓

（湖北工程職業學院電氣電子學院，湖北 黃石 435000）

液壓支架作為大型戶外工程的重要設備，在隧道挖掘、跨海建橋、煤炭開采等工作中扮演重要作用。它主要用于支撐采場頂板，移動采運設備，為施工人員創造安全的工作空間。安全性和技術性是評價液壓支架使用性能最重要指標，當前國內外科研機構加大對液壓支架的研發，特備是支架安全和檢測等方面，不斷推進技術進步。大噸位的液壓支架，特別是千噸位量級，在工業生產中運用日益廣泛，也是檢測平臺的核心部件。液壓缸的同步位移是調節液壓系統的核心技術之一，對移動梁的高度進行高精度調節，從而達到對液壓支架產品可靠性的檢測。目前市場上液壓液壓支架的設計、使用還存在諸多問題，比如，液壓控制系統的設計還不夠精準，使用中經常遇到各種技術故障。結合該現實問題，本文以AMEsim仿真軟件為基礎，開展基于不同研究參數設計的液壓支架仿真實驗研究，旨在探究不同參數設置下，液壓支架工作的最佳性能，進而為日后液壓元件的設計、使用條件、設備選型等，提供可靠的理論和實踐依據。

1 液壓支架試驗臺主體結構

圖1 為液壓支架試驗臺主體結構模型，其主要由：頂梁、門架梁、銷軸、移動梁、調高液壓缸，以及底座六部分組成。液壓支架試驗臺的主體為框架型結構，框架兩側分別設置有等距離的插孔，可以根據現場液壓支架的高低隨時調整移動梁的高度。

本實驗過程中，利用液壓支架試驗平臺主體結構，通過液壓缸前段活塞桿端的耳軸結構，然后與移動梁體的底部相連，實現承受梁體傳遞的重量。該結構中的液壓缸的主要作用是對實驗平臺的高度進行調整。結合實驗目的需要，進一步將試驗平臺高度控制在2~5 m范圍內，將實驗主體框架搭建好后，將液壓缸布置在移動梁直角處。為確保結構組件不被破壞，保證液壓支架平臺的穩定性，其中的四組液壓缸必須同時進行升降，且速度要保持一致，以此保證實驗平臺的安全和可靠性。

圖1 液壓支架試驗臺主體結構

2 液壓系統的整體設計分析

液壓系統工作原理是通過改變壓強增大作用力。一個完整的液壓系統由五個部分組成，即動力元件、執行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓系統分為液壓傳動系統和液壓控制系統兩大類。液壓傳動系統主要依靠動力傳遞持續工作。液壓系統一般指的是指液壓傳動系統，主要體現在動態性能方面，目的是為了滿足液壓系統輸出的特定需求。在液壓缸同步控制實驗中，將多個液壓支架同步位移，以實現液壓回路，進而實現當各個液壓缸載荷相同時，運用機械聯動實現各個液壓缸實現活塞桿運動，進而達到液壓缸的同步位移的目的（見下頁圖2）；當液壓缸載荷有較大差別時，液壓傳動系統產生的偏差可能造成聯接部件的變形或者損壞，甚至出現液壓缸的活塞桿斷裂或者卡死。為了保證液壓缸位移的同步性，通常需要通過液壓同步控制回路來精確控制，比如流量同步、容積同步和伺服同步等。具體而言，通過伺服回路實現液壓缸流量同步，容積回路實現容積一致等，最終實現所有液壓缸同步移動。假若對精確性要求更高，則成本造價也隨之提高。流量同步回路通過對集流閥進行分流可以實現同步移動，這種操作更加簡便、節約成本。

圖2 液壓系統原理

油液首先進入集流閥進行第一階段分流任務，將兩種流量均分成1∶1的回路，然后再進入集流閥進行第二階段分流任務，在之前兩路流量基礎上繼續均分，形成四路同等流量的液壓回路。液壓缸組1的同步精確度可高達1%~3%，極大的糾正了偏差，換向閥組2可以液壓缸組分別進行控制，安全閥4對液壓系統產生的壓力能起到緩沖作用。

3 基于AMESim仿真的液壓系統實驗步驟

3.1 仿真平臺

目前我國一般采用多體動力學分析軟件如ADAMS等對大型機械設備進行開發，根據設備工作狀態下各部件的參數，具體分析設備工作的運動規律、動態性能、部件強度，不斷調整到直至滿足使用需求。但這種方法也存在弊端，一味強調各部件動力學或力學分析，忽視了整體與部件之間的契合關系，將導致最終計算結果存在偏差、影響設備整體與部件之間協調性。

AMESim被廣泛應用于多個學科領域，用戶可以根據自身的需求在這個平臺上建立復雜的系統仿真模型，例如燃油噴射、制動系統、動力傳動、機電系統和冷卻系統等，并在此基礎上進行仿真計算和深入分析。航空航天、汽車等領域的一些客戶已經搭建了各自系統的AMESim模型，并希望基于該模型進行實時仿真測試，尤其是針對HIL（硬件在環）測試。在這方面，AMESim為Speedgoat實時仿真目標機提供了實時仿真的接口，能夠讓客戶方便地利用已有的AMESim模型開展實時仿真。

3.2 仿真實驗

結合實際工作需要，為避免液壓支架在運行過程中出現非同步和卡殼等問題，因此在在液壓支架設計時，就應該全方面考慮，同時前期需要進行仿真實驗，以確保設計方案可行可靠。本研究以AMEsim仿真軟件對液壓支架的選型結果進行建模分析，主要利用液壓元件及液壓回路實現模擬仿真，以期更加真實的擬合液壓支架的實際工作情況，并對液壓支架的安全性和可靠性進行測度。另外，在模型構建和分析時，在對仿真結果無影響的前提下，對相關設備和元件進行簡化，將仿真時間設置為十秒。另外，不考慮液壓支架管道長度，以及空氣助力等對結果的影響。具體各參數設置如下：芯質量塊質量選擇2 kg；閥芯固定節流孔直徑設定為6 mm，流通小孔的直徑設定為8 mm；彈簧剛度設定為2 N/mm；流量進出口最大流量系數為1；活塞桿直徑選擇200 mm，液壓缸設計行程4 m，液壓泵轉速為1 200 r/min；液壓油動力豁度設定為30×10-3Pa·s-1等。實驗參數設定依據液壓支架現實需要，從而保證實驗結果具有現實指導意義。

4 AMESim仿真結果分析

1）隨著負載壓力差的提高，分流集流閥的精確程度會逐漸降低。設定液壓支架四個同步缸質量分別為400 kg、450 kg、500 kg、550 kg，表示四個同步液壓缸負載存在差異。再由公式（1）和（2）可計算模型絕對誤差和同步精度δ分別為0.001 1 L/min和4.1%。由此可見，仿真結果達到預期效果。即絕對誤差值在合理的誤差范圍內，另外同步精度也控制在允許的區間內。

式中：q1，q2分別為單位時間通過液壓缸分流集流閥A和B的油液流量。

2）重新設定四個同步缸的質量分別為：500 kg、525 kg、550 kg、575 kg，這樣以來液壓缸的負載量也減少了。結果發現液壓缸負載量減少后油缸的流量差也變小了，但同步精度提高了，同樣利用公式（1）、（2）可得到同步精準度高達2%。

5 結語

本文介紹了液壓支架系統的組成結構與工作原理，并基于AMESim軟件建模液壓系統進行仿真實驗，對不同結構參數的設備元件功能性進行分析，得出結論，立柱控制閥、安全換向閥、分流閥、管道通路等是影響液壓支架升降效率的關鍵因素，為液壓支架設備元件的選取提供了可靠的依據，活塞直徑越大、彈簧剛度越小時執行元件液壓桿的速度變化震蕩幅度越小。這些都為支架液壓元件的選用、設計提供了分析思路和借鑒，具有一定的現實指導意義。