優化液壓支架系統對移架速度的影響分析

馬效民

（山西焦煤集團有限責任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

隨著機械化采煤作業的不斷優化，采煤機牽引速度不斷提高。液壓支架的支護速度與采煤機牽引速度能否相互協調，成為影響產煤量的主要因素之一。其中，液壓支架的支護速度主要取決于移架速度。通常情況下，在負載較低的情況下，提高泵站流量可提升移架速度。但當負載過高時，增加泵站流量無法有效提高移架速度[1-2]。針對上述情況，以ZY9200/25/45D液壓支架為研究對象，對液壓支架移架速度進行了分析研究。

1 液壓支架移架速度的分析

分析移架速度，首先要根據支架液壓系統結構構建移架過程圖，支架液壓系統橫向移動的執行元件為千斤頂，泵站提供的橫移壓力通過一系列液壓元件后，到達千斤頂做功，最終流回油箱。

根據功率守恒定律，移架速度可由公式（1）表示：

式中：P1為推動液壓千斤頂活塞腔壓力，MPa；P2為液壓千斤頂做功后活塞桿壓力，MPa；Q1為推動液壓千斤頂活塞腔的流量，L/min；Q2為液壓千斤頂活塞桿做功后流量，L/min；F為移架拉力，kN；v為移架速度，mm/s。

利用壓力守恒定律和流量守恒定律可得出移架速度公式如（2）所示：

式中：P為泵站進口壓力，MPa；S為液壓千斤頂活塞腔內外橫截面積比。

由于整個移架液壓系統中，流體的流量系數和密度是恒定的，因此可以利用壓差流量公式ΔPi=kiQ1，ki為單個元件的壓力損失系數，將上述公式簡化為公式（3）：

式中：K1為移架進液壓力損失系數之和；K2為移架回液壓力損失系數之和。

從液壓支架ZY9200/25/45D系統中得到的已知條件包括：泵站進口壓力P=32 MPa，移架額定壓力F=485 kN，液壓千斤頂活塞直徑D=140 mm，活塞桿直徑d=90mm，千斤頂進出口流量與移架速度關系式，移架步距900 mm，主進液管直徑24 mm，長度60 m；主回液管直徑8 mm，長度3 m；換向閥及液控單向閥額定流量均為420 L/min。通過檢測液壓元件，計算移架液壓系統壓力損失系數之和，將上述數據代入公式（3），可以得出液壓力損失系數與移架速度之間的關系式，如圖1所示。

圖1液壓系統壓力損失對移架速度的影響

圖1 中，K1，K2，K3代表了不同類型的液壓元件損失系數之和，其中K1＞K2＞K3。Q為泵站額定流量。

從圖1可以看出，在額定流量下，壓力損失系數越高，溢流閥的開啟時對應的負載力越低，反之亦然。合理降低液壓系統的壓力損失系數能夠有效提高液壓支架移架的負載。

同時，當負載力低于溢流閥額定負載時，隨著壓力損失系數的降低，移架速度逐漸升高，說明壓力損失系數是影響移架速度的關鍵因素之一。而且，以F1，F2不同的負載力做對比，發現負載力越高，壓力損失系數的變化越明顯。綜上所述，在較高的移架負載力作用下，降低液壓系統的壓力損失系數是提高移架速度的合理措施[3-4]。

2 液壓系統的優化

為降低整體壓力損失系數，在液壓系統中增設旁路，旁路系統內包括液控單向閥，單向閥和交替單向閥，如圖2所示。

圖2 增加旁路后的推移千斤頂控制回路

當換向閥位于左側位置時，高壓油通過交替單向閥將液控單向閥反向開啟，開啟后高壓油通過液控單向閥推動活塞腔。經研究發現，液控單向閥與交替單向閥的壓力損失系數之和明顯小于換向閥，可提高移架速度。

當換向閥位于右側位置時，回油壓力會通過液控單向閥重新進入進油管路，部分彌補進油壓力損失，同時降低回液壓力，整體降低了液壓系統的壓力損失系數，可充分提高移架速度[5-6]。

3 仿真分析

為證明上述液壓系統優化的可行性，利用AMESim軟件對上述檢測系統進行仿真分析，根據研究的液壓移架參數，移架額定負載力為485 kN，現將移架負載力擬定為430 kN，泵站流量以200 L/min、400 L/min作對比分析，在其余運行參數不變的情況下，得到的仿真曲線如圖3所示。

圖3為泵站額定流量200 L/min時移架速度曲線圖，從圖3中可以看出，移架速度在0~0.2 s時迅速升至218 mm/s，隨后保持穩定后，在4.23 s后持續波動并降至0，整體的移架時間大約在4.01 s左右。其中移架速度在終點處波動是由于快速開啟液控單項閥導致的。

圖3 200 L/min時的移架速度曲線圖

圖4 為泵站額定流量400 L/min時移架速度曲線圖，由圖4中可以看出，移架速度在0~0.2 s時迅速升至237 mm/s，隨后保持穩定后，在3.91 s后持續波動并降至0，整體的移架時間大約在3.81 s左右。

圖4 400L/min時的移架速度曲線圖

通過比較移架速度變化發現，提高泵站流量可以提高移架速度。但在高負載的情況下，泵站流量的變化對移架速度提升速度較小，整體速度僅提高了19 mm/s。

泵站額定流量為400 L/min時，在液壓系統增加旁路后的移架速度曲線圖（圖5）中可以看出，移架速度在0~0.2 s時迅速升至283 mm/s，并波動至一個412 mm/s峰值，這是由于閥芯瞬間開啟時產生瞬態液動力造成的，隨后保持穩定后，在3.53 s后持續波動并降至0，整體的移架時間大約在3.39 s左右。

圖5 增設旁路后移架速度曲線圖

將圖4與圖5移架速度變化比較后發現，具有旁路的移架液壓系統較傳統液壓系統，時間縮短了約0.42 s，速度提高了約46 mm/s，有效地提高了移架速度。

結合上述仿真分析可以看出，負載力決定了如何提升移架速度。當負載力較低時，可直接提高泵站額定流量；當負載力較高時，在液壓系統合理增加旁路可有效提升移架速度。

4 結論

1）通過計算分析得出，高負載狀態下，影響移架速度的主要因素之一是移架液壓系統中的壓力損失系數。而且隨著負載的升高，損失系數對速度的影響越明顯，壓力損失系數越小，移架速度越快；

2）為減少系統中壓力損失系數，對移架液壓系統進行了優化，增加了旁路系統。通過補充進液壓力，減少回液壓力的方式，合理有效地降低了整體系統的壓力損失系數；

3）模擬負載力為435 kN，泵站額定流量為400 L/min的情況下，對比分析了有旁路和沒有旁路的液壓系統橫移支架的速度。模擬后發現移架速度分別為237 mm/s、283 mm/s，移架時間分別為3.81 s、3.39 s。結果說明增加旁路的移架系統有效地提高了移架速度。