基于AMESim 快速定位液壓支架液壓系統的故障

劉 斌

（西山煤電（集團）有限公司東曲多種經營分公司， 山西 古交 030200）

引言

液壓支架為煤礦安全生產的關鍵支護設備，其能夠為綜采工作面的設備和相關作業人員提供安全的作業和操作空間。然而，液壓支架在實際支護過程中常由于設備的故障導致支護不利，從而導致綜采工作面的各類事故。經對液壓支架實際應用的故障統計可知，80%的故障屬于液壓故障，且大部分液壓系統的故障均是由于泄露所導致。液壓支架液壓系統泄露問題不僅會浪費大量的乳化液，污染綜采工作面的環境，而且還會極大影響液壓支架的支護效果，從而影響綜采工作面生產的安全性[1]。為了準確定位液壓支架泄露的問題，本文將基于AMESim 對液壓支架主液壓回路進行仿真分析，為后續故障定位提供依據。

1 液壓支架液壓系統故障原因及機理分析

1.1 常見液壓支架液壓系統故障及其原因分析

經統計，液壓支架在實際支護過程中常見的液壓系統的故障包括有立柱故障、設備達不到設計時的初撐力和工作阻力、液壓支架不能完成移架功能、液壓支架頂梁前端不能正常實現上下擺的功能、液壓支架操作閥的故障以及液壓支架伸縮梁不能完成正常伸出或收回等故障。各類故障的原因分析如下：

針對立柱的故障主要表現為立柱不能升架、降架或者自降等。其中，對于立柱不能升架主要原因為液壓支架操縱閥傳動介質存在泄漏問題，且主要以內外泄漏為主；對于立柱不能降架主要由于管路堵塞所導致；對于立柱自降的問題主要由于液壓支架的安全閥傳動存在泄漏。針對液壓支架在實際支護過程中其初撐力和工作阻力達不到設定值的要求，其主要原由液壓支架相關泵站系統的壓力不足或單向閥存在液壓油、乳化液泄漏問題所導致。針對液壓支架不能移架的問題，其主要由液壓支架相關泵站系統的壓力不足或高壓膠管等存在乳化液、液壓油的泄露問題所導致[2]。針對液壓支架頂梁前端不能實現正常的擺動功能，其主要原因為相關管路和平衡千斤頂存在液壓油或者乳化液泄漏。針對液壓支架伸縮梁不能正常伸出或者收回，其主要由單向閥、油缸等部件存在液壓油、乳化液泄露所導致。

綜上所述，對于液壓支架在一般工作中所存在的問題，主要是由于設備相關部件（單向閥、安全閥、高壓膠管、千斤頂以及油缸等）存在液壓油或乳化液的泄露問題所導致。

1.2 液壓支架液壓系統故障機理分析

液壓支架液壓系統的泄露可分為內泄露和外泄露。其中，內泄露主要指的是液壓油或者乳化液從高壓一側泄露至低壓一側[3]。一般情況下，液壓支架液壓系統的內泄露會導致設備的保壓性能較差且影響設備后續的平穩性和可靠性。外泄露主要指的是液壓油或者乳化液從液壓支架內部流向至工作面。外泄露會造成傳動介質的浪費，嚴重威脅綜采工作面的安全生產。

1.2.1 液壓支架液壓系統外泄露機理

對于液壓支架液壓系統外泄露故障可將等效果為液壓油或乳化液通過不同直徑的孔口從液壓系統元器件內部向外泄露，具體可等效果為薄壁孔、短孔以及細長孔。泄露孔的具體確定與泄露通道的長度和直徑的比相關，具體如表1 所示。

1.2.2 液壓支架液壓系統內泄漏機理

液壓支架液壓系統的內泄漏問題主要是由于液壓元器件及相關機械部件在加工、安裝時存在誤差所導致，使得在液壓系統中存在較多的縫隙，當液壓油或者乳化液流經縫隙時在壓力的作用下發生泄露。根據內泄漏流量的不同可將液壓系統內泄漏的具體類型分為平行平板縫隙所導致的內泄漏、傾斜平板縫隙所導致的內泄漏、環形縫隙所導致的內泄漏以及平行圓盤徑向縫隙所導致的內泄漏。

表1 外泄露形式區分

2 基于AMESim 對液壓系統常見故障仿真分析

本文具體對ZY3200/12/32 型液壓支架在實際支護過程中存在的常見故障下的動態特性進行仿真分析。在綜采工作面，液壓支架與采煤機、刮板輸送機相互配套，且液壓支架的支撐力主要由乳化液泵站所提供的高壓乳化液通過對應的供液管運送至綜采工作面，達到液壓支架后高壓乳化液通過截止閥、過濾器以及操縱閥等相關液壓部件運送至液壓支架的立柱、千斤頂等位置，從而完成液壓支架的各類動作，具體如圖1 所示[4]。

圖1 液壓支架液壓系統原理圖

如圖1 所示，“1”為截止閥；“2”為過濾器；“3”為操縱閥；“4”為單向閥。該液壓支架液壓系統安全閥的設定壓力為42 MPa，乳化液泵站所提供的乳化液的最高壓力為32 MPa。經統計可知，在所有液壓系統存在的泄露故障中，其中以推移千斤頂和鎖緊液壓缸所涉及到的兩個工作回路的泄露占比較大。因此，本文將對推移千斤頂工作回路和鎖緊液壓缸內泄漏對應的特性進行仿真分析，為后續此類事故的判斷和定位提供依據。

2.1 推移千斤頂液壓缸工作回路泄露故障仿真分析

結合液壓系統推移千斤頂的工作原理，基于AMESim仿真軟件設計如圖2 所示的工作回路仿真模型。根據實際對應工作回路中的實際參數完成模型中的參數設置，并著重對推移千斤頂工作回路中對應千斤頂的內泄漏、千斤頂與換向閥之間管路的泄露進行仿真分析。

圖2 推移千斤頂工作回路的AMESim 仿真模型

2.1.1 千斤頂的內泄漏

本節對不同泄露流量下對應千斤頂到達指定位置所需時間和延誤時間進行仿真分析，得出如表2所示結果。

表2 不同泄露流量下對千斤頂的影響

如表2 所示，隨著泄露流量的增大，對應千斤頂到達指定位置所需時間越長，即延誤時間越長。因此，可通過對千斤頂達到指定位置延誤時間長短判斷得出具體泄露流量的大小[5]。

2.1.2 千斤頂與換向閥之間管路的泄露

千斤頂和換向閥之間的高壓膠管存在泄露往往也會導致千斤頂到達指定位置所需時間延長。為此，在仿真計算中將模型中的高壓膠管連接一個圓形孔，用來模擬管路的泄露問題，并對不同圓形孔直徑下對應千斤頂達到指定位置的時間進行仿真分析，仿真結果如下頁圖3 所示。

如圖3 所示，隨著高壓膠管圓孔直徑的增大，千斤頂到達指定位置所需時間延長。故，在實際故障判斷時，可根據延長時間判斷高壓膠管發生泄漏點圓孔的直徑大小。

2.2 鎖緊液壓缸內泄漏故障仿真分析

基于AMESim 仿真軟件所建立的仿真模型如下頁圖4 所示。

經理論研究可知，導致鎖緊油缸發生內泄露的主要原因在于液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙擴大所導致，而液壓油缸活塞和缸壁之間的正常縫隙為0.05 mm。因此，本節將對油液油缸活塞和缸壁之間的縫隙為 0.05 mm、0.07 mm、0.09 mm、0.11 mm 以及 0.13 mm 對應的特性進行仿真分析，仿真結果如5 所示。

圖3 不同圓孔直徑對應系統延誤時間

圖4 鎖緊油缸工作回路原理圖

如圖5 所示，隨著液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙增大，液壓油缸在伸出和收回時均有較大的影響，尤其是對液壓油缸的收回階段的影響非常明顯。而且，當液壓油缸活塞和缸壁之間的縫隙增大至0.13 mm 時液壓油缸活塞不能正常收回。

圖5 不同縫隙對應動態特性曲線

3 結語

液壓支架為綜采工作面的關鍵支護設備，其支護效果直接決定工作面巷道頂板和兩幫圍巖的控制效果，進而決定綜采工作面的安全程度。本文基于AMESim 仿真軟件分別對千斤頂工作回路的泄露和液壓油缸內泄漏故障下對應系統的動態特性進行仿真分析，為后續故障的判斷和定位提供依據。