基于AMESim的首繩更換裝置液壓系統設計與研究

申心雨，寇子明，楊俊，任志國

(1.太原理工大學機械與運載工程學院，山西太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實驗室，山西太原 030024；3.礦山流體控制國家地方聯合工程實驗室，山西太原 030024；4.太原市軌道交通發展有限公司，山西太原 030003)

0 前言

提升鋼絲繩(首繩)是礦井提升系統的主要承載部件，也是礦井提升系統安全高效生產的重要保障[1]。然而由于礦井環境惡劣，首繩在工作過程可能會出現銹蝕、磨損等損壞。根據《煤礦安全規程》第413條規定[2]：摩擦式提升機首繩使用期限不應超過兩年。但更換摩擦式提升機首繩一直是一項大勞動強度、高難度系數且危險的工作[3]。且現有換繩方法[4-7]多采用人工作業，勞動強度大，作業過程不連續，作業時間過長。

本文作者通過對現有換繩方法的研究，根據礦井生產實際的要求，設計了一套多繩摩擦式提升機履帶牽引式首繩連續更換裝置，解決了現有首繩更換裝置的難題，極大地提高了換繩效率，減輕了工人的勞動強度，實現了首繩的連續快速更換。并利用AMESim軟件[8-9]建立其液壓系統仿真模型，為進一步優化系統提供了理論基礎。

1 連續換繩裝置組成

連續換繩裝置的機械結構如圖1所示，主要由導向輪組、機架、履帶式連續送繩裝置、防跑繩裝置、驅動馬達、自主行走部等組成。

圖1 連續換繩裝置機械結構

該換繩裝置采用“舊繩帶新繩懸掛，新繩帶舊繩回收”[10-11]的工作原理實現對新首繩的下放，同時進行對舊首繩的回收。根據履帶接觸面積大、運行平穩[12]等特點，通過上下送繩履帶夾緊鋼絲繩產生的摩擦力，來提升及下放鋼絲繩。由于現有摩擦提升機首繩大多為4根或6根[13]，接下來以更換4根首繩為例來說明該裝置的工作過程：

(1)將提升機的2個罐籠一個停在井口，另一個停在井下，如圖2(a)所示；

(2)支撐罐籠，并在井底罐籠懸掛裝置的上方安裝分繩器，如圖2(b)(c)所示；

(3)將2根新繩依次穿過防跑繩裝置、換繩裝置、導向輪，并分別和1號、3號舊繩連接，如圖2(d)所示；

(4)割斷井口罐籠的舊繩后將新繩下放1～2 m使鋼絲繩松弛，再采用保護措施割井底舊繩，如圖2(e)所示；

(5)啟動提升機，使用連續換繩裝置下放新繩同時在井下回收舊繩，如圖2(f)所示；

(6)新繩下放完畢后，防跑繩裝置油缸夾緊新繩，拆除換繩裝置，并將新繩連接到罐籠上，試車、調繩；

(7)按照以上步驟繼續更換2號、4號舊繩。

2 液壓系統設計

連續換繩裝置的液壓系統由3個回路組成：履帶驅動、鋼絲繩夾緊和防跑繩回路，如圖3所示。

圖3 液壓系統原理Fig.3 Hydraulic system schematic

2.1 履帶驅動回路

液壓油由油箱經過柱塞泵6.1、單向閥11.1，進入換向閥12.1，此時換向閥左位得電，液壓油流入馬達系統，經梭閥27、減壓閥28流入馬達盤閘，使盤閘抱死解除；另一路液壓油經單向閥29驅動馬達旋轉，馬達漏油口接油箱，通過溢流閥31調定進入馬達的油液壓力，其余油液經過減壓閥28回到油箱。下履帶馬達工作順序和上履帶馬達相同，但轉向相反，通過上下兩履帶馬達的同步反向運動，驅動鋼絲繩向前運動，即可進行鋼絲繩的送繩作業。

當需要進行拉繩作業時，換向閥12右位得電，兩液壓馬達反向運動，驅動鋼絲繩向后運動，進行鋼絲繩的拉繩作業。

2.2 鋼絲繩夾緊回路

根據鋼絲繩的質量調整柱塞泵6.3的排量和溢流閥26的壓力值，液壓油由油箱經過柱塞泵6.3進入換向閥21，換向閥21得電，液壓油經過單向閥20進入液壓缸32的無桿腔，帶動下履帶向上運動，夾緊鋼絲繩。此時電磁球閥22.1得電，利用單向閥和蓄能器18實現保壓，保證鋼絲繩一直處于被夾緊狀態。此外，壓力變送器17.1用于監測液壓缸的壓力，當壓力不足時，傳感器發出信號，蓄能器可以向液壓缸提供油液和壓力[14]，保證鋼絲繩可靠夾緊。

2.3 防跑繩回路

防跑繩回路在正常換繩過程中處于不工作狀態，不對鋼絲繩產生任何影響，夾緊油缸的活塞桿處于伸出狀態。當送繩速度過快或有突發事件需要停機時，防跑繩裝置開啟。

系統啟動時，液壓油經柱塞泵6.3、單向閥25進入液壓缸33的有桿腔，壓縮彈簧至最大行程，電磁球閥22得電保壓，此時楔形塊開口達到最大。當壓力變送器17.2檢測到回路壓力低于設定值、收到泄壓指令或系統突然斷電時，電磁球閥22失電，液壓回路泄壓，在彈簧的作用下油缸迅速收回，楔形自鎖機構鎖緊鋼絲繩。

3 液壓系統AMESim仿真

3.1 液壓系統仿真模型的建立

連續換繩裝置的液壓系統涉及的元件類型包括液壓、信號及機械元件，而且均為標準元件，在AMESim模型庫中都能找到。在Sketch mode模式下根據液壓原理選擇合適的液壓元件連接系統，建立的液壓系統模型如圖4所示。

圖4 AMESim仿真模型Fig.4 AMESim simulation model

為了使仿真結果更加真實地反映系統的動態特性，仿真模型中各元件參數均按照實際工況進行設計。在Parameter mode模式下結合實際工況，對仿真模型主要元件的參數進行設置，如表1所示。

表1 仿真模型主要元件參數Tab.1 Main component parameters of the simulation model

3.2 換向閥控制信號

在仿真模型中需要給定換向閥的控制信號來模擬實際工況，給定信號如圖5所示。圖5(a)給定了5 s拉繩信號和10 s送繩信號；圖5(b)、圖5(c)給定了下履帶的5 s上移信號、5 s保壓信號和5 s下移信號；圖5(d)給定了5 s末瞬時夾緊信號。

圖5 換向閥控制信號Fig.5 Reversing valve control signal:(a)crawler; (b)two position four-way valve of rope clamping; (c)two position two-way valve of rope clamping; (d)anti running rope

4 仿真結果分析

4.1 履帶驅動回路仿真結果分析

履帶回路執行2個重要功能，首先反轉將舊繩拉出并通過人工將新、舊繩相連接，而后正轉，送入新繩。履帶回路主要通過換向閥控制液壓馬達將液壓能轉換為機械能。履帶的拉繩速度也就是馬達轉速決定了首繩更換的整體效率，履帶的拉繩能力即液壓馬達所輸出的最大轉矩決定了裝置的負載能力，因而對履帶回路進行仿真分析。

由圖6可以看出：0～5 s，履帶反向轉動將舊首繩拉起，整個拉繩過程運行平穩；在5 s末，換向閥改變連通方式，此時速度有瞬間的波動；而后5～15 s履帶改為正向轉動開始送繩，送繩過程速度平穩。

圖6還模擬了泵不同排量下的馬達轉速，剛開始隨著泵排量的增加，轉速有著較大的提升，在泵排量增大到120 mL/r以上時，馬達轉速基本不會再改變，曲線重合。根據仿真結果和實際生產需求，選擇排量為80 mL/r的泵即可滿足要求。

圖6 馬達轉速隨泵排量變化Fig.6 Variation of motor speed with pump displacement

由圖7可以看出:馬達右側油口壓力在0～5 s內達到最大且保持穩定；在5～15 s履帶換向后降低到一定值并保持穩定。圖7中不同泵排量下的壓力變化關系與圖6中保持相同。馬達左側油口壓力變化規律與右側相反。

圖7 馬達右側油口壓力隨排量變化Fig.7 Pressure variation of the right oil port of the motor with displacement

如圖8所示，液壓馬達輸出轉矩只有在換向閥動作時出現一定的波動，在拉繩和送繩過程中穩定在9 000 N·m,可以拖動3×103kg的首繩。

圖8 泵排量為80 mL/r時液壓馬達輸出扭矩Fig.8 The hydraulic motor output torque when the pump displacement is 80 mL/r

4.2 夾繩回路仿真結果分析

夾繩回路主要是通過履帶左右兩側共4個單作用彈簧伸縮杠帶動下履帶進行上下移動實現對首繩的夾緊或松開。只有提供足夠的夾繩力才能保證在整個首繩更換過程中不出現鋼絲繩擺偏、振動和溜繩等危險工況。

由圖9可以看出:液壓油缸首先開始充液，下履帶在液壓缸作用下向上移動夾緊首繩，整個夾緊過程持續2.1 s，2.1 s后活塞達到最大行程0.05 m；隨后由蓄能器對液壓缸進行保壓，上下履帶一直保持對首繩的夾緊；在10 s末，換向閥動作，液壓缸開始泄油，活塞回程至原位。由于蓄能器的保壓作用，活塞回程有一定的延遲時間。根據圖9所示曲線斜率可以看出：活塞回程速度明顯大于伸出速度，這是由于在活塞伸出時，履帶重力為阻力，而在回程時，履帶重力為動力。

圖9 夾緊油缸活塞位移變化Fig.9 Piston displacement variation of clamping cylinder

由圖10可得：在夾緊開始時，速度出現一定的波動，隨后活塞運動到極限位置時，停止運動，保持夾緊狀態。在換向閥動作的瞬間，活塞迅速反向運動到原位，夾緊動作完成。

圖10 夾緊油缸活塞速度變化Fig.10 Clamping cylinder piston speed variation

由圖11可以看出：在夾緊過程中液壓油缸能給定的最大壓力為20 MPa，再根據液壓油缸數量、液壓油缸活塞面積以及履帶表面摩擦因數，可以判斷彈簧液壓缸能提供的夾繩力為8×104N。

圖11 夾緊油缸壓力變化Fig.11 Clamping cylinder pressure variation

4.3 防跑繩回路仿真結果分析

在送繩速度過快或有突發事件需要停機時，防跑繩裝置啟動，利用彈簧夾緊力將首繩夾緊，避免事故的發生。迅速夾緊與提供足夠的夾緊力是保證首繩更換安全的關鍵。

由圖12可以看出：0 s時，彈簧油缸開始充液，活塞速度稍有波動后保持穩定在正值，約4 s后充液完畢，活塞速度短暫波動后歸零；在5 s時，檢測到故障信號，換向閥動作，開始泄油，活塞在彈簧預緊力的作用下迅速動作，速度突變，夾緊鋼絲繩，避免了事故的發生。

圖12 不同換向閥排量下彈簧油缸活塞速度變化Fig.12 Piston speed variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

由于防跑繩裝置動作越快越安全，圖12還仿真了不同換向閥排量下的夾繩速度。換向閥排量由30 L/min變為60 L/min時，夾繩動作時間由1.86 s縮減到0.77 s，變化顯著。在換向閥排量為100、130、160 L/min時，夾繩動作時間分別為0.44、0.32、0.26 s，速度波動分別為0.2、0.16、0.12 m/s。結合夾繩速度與速度沖擊和實際使用情況，使用排量為100 L/min的換向閥即可滿足防跑繩裝置的安全需求。

觀察圖13，可以對速度仿真圖像作進一步驗證，在4 s時活塞達到極限位置25 mm，5 s末換向閥動作，活塞迅速回到原位，且換向閥排量越大，活塞回程越快。

圖13 不同換向閥排量下彈簧油缸活塞位移變化Fig.13 Piston displacement variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

由圖14可以看出：不同換向閥排量下的彈簧油缸最大壓力基本無變化，最大壓力主要取決于溢流閥的最大溢流壓力。

圖14 不同換向閥排量下彈簧油缸壓力變化Fig.14 Pressure variation of spring cylinder under different reversing valve displacement

5 工業性試驗

根據仿真結果對換繩裝置樣機進行了試制，如圖15所示。液壓泵、液壓馬達與換向閥排量均與仿真結果保持一致。該試驗裝置主要由履帶送繩機構、鋼絲繩與重物(3×103kg)組成。

圖15 換繩裝置樣機

在試驗過程中，通過圖16所示速度傳感器對液壓馬達轉速進行測量，生成拉繩-送繩過程馬達轉速曲線并與仿真結果比較，如圖17所示。通過對比仿真結果可以得出：實際運行時履帶速度方向切換需要一定的時間，且履帶正向運行時速度出現一定波動，最大波動幅度約為5%，這是由于液壓元件動作時的液壓沖擊等因素。將馬達正向平均轉速換算成履帶送繩的平均速度為0.59 m/s，與仿真結果相近，能夠很好地滿足使用要求。

圖16 馬達轉速測量裝置

圖17 馬達轉速對比Fig.17 Motor speed comparison

此外，還使用壓力表對履帶夾繩過程中的夾緊力進行了測量，在整個夾緊過程中，所能提供的最大夾緊力為8×104N，與仿真結果吻合。

通過重物急墜來模擬危險工況，此時防跑繩機構動作并在400 ms之內夾緊鋼絲繩，有效避免了事故發生。

6 結論

設計了一套履帶牽引式首繩連續更換裝置。利用AMESim軟件對其主要液壓回路進行了仿真研究；并根據仿真結果對換繩裝置進行了樣機試制，裝置實際運行結果與仿真結果基本一致。

(1)通過仿真分析合理地選擇了液壓泵排量，使它能夠滿足實際換繩的效率要求；

(2)對夾繩回路進行了仿真與試驗，確保它能夠對鋼絲繩提供足夠夾緊力；

(3)研究了防跑繩回路不同換向閥排量的泄壓特性，依據仿真結果選取了最佳排量的換向閥，并通過試驗驗證保護裝置能夠以毫秒級的速度進行響應。