基于AMESim的礦用制動實驗臺液壓系統設計與仿真研究

周新建,王云飛，朱華雙，馬晨飛，邵宏斌

(西安科技大學機械工程學院，陜西西安 710054)

0 前言

煤礦開采設備主要包含有采煤機、刮板輸送機、破碎機以及液壓支架等設備，其中采煤機是井下開采的重要核心設備，而制動器又是采煤機安全設備的重要組件。制動器的制動效率直接關系到采煤機能否進行安全開采，它是采煤機的主要性能之一，采煤機的制動性能很大程度上取決于制動器[1]。由于采煤機專用的制動器出廠需要進行嚴格的安全檢驗，因此設計檢測采煤機制動器性能的實驗臺十分重要。

目前制動器實驗臺慣量模擬的方式主要有2種：機械慣量式和電慣量式[2]。機械慣量式實驗臺的原理是：使用驅動電機將機械飛輪加載到最大轉速后，電機開始斷電，同時制動器開始制動飛輪盤，制動結束后可以測定相關參數，例如磨損量、制動時間、制動溫度、噪聲等；電慣量式實驗臺也是使用電機來帶動機械飛輪盤進行高速旋轉，此時電機實現了轉動慣量的模擬。機械慣量式主要依靠體積較大的機械飛輪來提供轉動慣量，由于飛輪體積大且較重，更換及安裝都比較困難，會有較大的安全隱患。電慣量式是由電機和飛輪一起來實現轉動慣量的模擬，電機轉速的控制方式與其他方式比較來看，其控制方式比較復雜，使用及維護的成本較高。

文中用的實驗臺慣量模擬方式是液慣量式，采用電機帶動變量液壓泵，由液壓泵帶動液壓馬達，再由液壓馬達帶動一個體積較小的飛輪旋轉來提供轉動慣量。這種由變量柱塞泵和定量液壓馬達所組成的系統，既能避開電慣量控制復雜的缺點，又能避開機械慣量對應的缺點[3]。這種液壓系統通過改變溢流閥的壓力大小，實現模擬慣量的無級變化。控制系統較為簡單，實驗臺結構緊湊，安裝方便。本文作者使用AMESim軟件對液慣量式實驗臺的液壓系統進行設計與仿真分析，驗證其合理性。

1 液壓系統工作原理

實驗臺液壓系統原理如圖1所示，它由驅動電機、變量柱塞泵、定量液壓馬達、伺服閥、制動電機、電磁換向閥、制動器等組成。實驗臺液壓系統由液壓驅動系統和液壓制動系統兩部分組成。首先介紹液壓驅動系統：驅動電機8的額定轉速為1 500 r/min,額定功率為75 kW, 驅動電機8通電后開始工作，帶動變量柱塞泵9，泵的排量為160 mL/r；由于單獨依靠驅動電機8和泵9，系統油壓很難達到期望壓力值，此時需要蓄能器32來穩定和增加系統油壓，蓄能器32的最大預充壓力可以達到10 MPa；比例溢流閥14用于調節系統的壓力，在0～35 MPa可調；伺服閥17的閥口全開電流為40 mA,默認狀態是中位，當電流滿足條件后，左位開始工作，液壓油進入定量液壓馬達21，馬達的額定轉速為1 500 r/min，由馬達21帶動主軸旋轉，飛輪盤24安裝在主軸的一端，飛輪旋轉來模擬轉動慣量，方便進行制動實驗。其次介紹液壓制動系統：制動電機10在通電后開始工作，帶動制動泵組11將液壓油壓出；當液壓油流到電磁換向閥18時(換向閥的額定壓力為35 MPa，閥口全開電流為40 mA),當電流滿足條件后，換向閥18的左位開始工作，液壓油通過制動器的進油口進入液壓缸，壓縮彈簧，進而使摩擦盤和制動盤之間產生摩擦，使電機齒輪軸快速停止旋轉；同時高速旋轉的飛輪盤也隨即停止轉動,此時換向閥18電流為-40 mA,電磁換向閥右位工作，液壓油回流油箱。

圖1 實驗臺液壓系統原理Fig.1 Hydraulic system schematic of test bench

2 液壓關鍵元件選型

2.1 變量泵的選型

實驗臺的動力元件為變量泵，實驗臺可以提供的轉動慣量和扭矩由泵的動力性能決定，實驗臺對制動力矩的設計要求是0～2 000 N·m，因此采用變量泵來達到這一要求。選擇變量泵需要考慮流量、工作壓力、壽命、價格、噪聲等因素[4-5]。以上提及的因素可以通過手冊查詢。文中采用軸向柱塞泵進行理論計算。

(1)液壓泵的壓力計算

pp≥p1+∑Δp

(1)

其中:p1為系統工作壓力;pp為額定工作壓力;∑Δp為液壓泵到馬達之間的壓力損失。根據經驗選取工作壓力比額定壓力大0.5～1 MPa,文中選取變量柱塞泵的工作壓力為35 MPa。

(2)液壓泵的流量計算

qp=K∑qmax

(2)

其中：K為液壓損失系數，數值由經驗可得，取K為1.1；qmax為最大流量(m3/s)。根據最大扭矩及壓力，選擇泵的型號：A10VSO140DR，該液壓泵的排量為160 mL/r,查手冊知與之匹配的馬達排量為350 mL/r，最大工作壓力為35 MPa，在最大流量下的馬達扭矩為

T=(V×p)/2π=(350×35)/2π=1 950 N·m

其中：V為排量(mL/r)；p為工作壓力(MPa)。

2.2 定量馬達的選型

文中的液壓馬達的作用是驅動飛輪，從而轉動慣量的模擬。馬達的選取需要考慮壽命、噪聲、價格等因素[6]。馬達分為高速馬達和低速馬達，高于500 r/min的稱為高速馬達，低于500 r/min的稱為低速馬達。文中期望的最高轉速為1 500 r/min,故選擇高速馬達，馬達型號可通過查閱機械手冊獲得。

馬達以驅動負載為目的，則用馬達的最大負載扭矩Tmax、機械效率ηm、工作壓力p來計算馬達的排量Vm，如公式(3)所示：

(3)

經分析及計算可知實驗臺液壓系統的最大工作壓力為35 MPa，由于泄漏問題導致出口壓力大約為32 MPa，管道運輸損失Δp約為0.5 MPa， 實驗臺液壓系統中元件運行導致的壓力損失Δp約為0.5 MPa，ηmin為機械效率，文中取0.98，通過式(3)可以計算出馬達最大排量：

經過計算，最終選取馬達型號為A2F355R5P1，能夠滿足實驗臺液壓系統對壓力和轉速的需求。經計算，變量泵和定量馬達組成的節流調速系統滿足實驗臺要求，接下來進行仿真驗證。

2.3 實驗臺最大制動扭矩

采煤機在緊急工況下需要進行緊急制動，制動器是制動中最重要的器件，實驗臺的實驗目標是模擬制動器制動時所產生的最大制動扭矩，制動回歸方程為

M(t)=M1(1-e-τt/t1)

(4)

其中：τ為結構參數；M1為靜力矩；t為制動時間；M(t)為制動力矩。制動力矩與角速度的關系為

(5)

假設電機的初始角速度為0，根據采煤安全規程假設制動時間為0.3 s,電機的角速度初始值為ω0=153.7 rad/s,代入上式可以得到制動力矩為：M1=1 072.39 N·m。

3 液壓系統的仿真

3.1 仿真模型

在 AMESim 仿真軟件的草圖模式下，根據實驗臺液壓系統原理搭建對應的仿真模型,實驗臺液壓系統的整體仿真模型如圖2所示，盤式制動器可以被簡化成質量塊、液壓油缸和彈簧的組合[7-9]。液壓系統模型搭建完成后，進入仿真軟件的子模型模式，為模型中的每個元件選取符合要求的數學模型。在此系統中可以使用優選子模型功能選擇對應的數學模型。接下來在參數模式中給每個子模型設置與理論計算一致的參數,參數如表1所示。

圖2 液壓系統仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic system

表1 液壓系統主要仿真參數Tab.1 Main simulation parameters of hydraulic system

3.2 實驗臺液壓系統仿真分析

由于實驗臺液壓系統的液壓期望達到25 MPa，單獨靠實驗臺液壓系統可以加載到15 MPa，所以需要蓄能器的參與，提供10 MPa的壓力來幫助系統壓力達到25 MPa，并將壓力穩定下來，方便進一步的實驗及測試。在AMESim仿真軟件中，蓄能器按優選子模型選定為型號HA001的蓄能器，伺服閥7在斷電狀態下蓄能器開始進行預充壓過程，通過驅動電機、變量泵、溢流閥來進行調定[10-14]。仿真參數如表1所示。

在AMESim軟件參數設定環節將電磁換向閥的信號設置為階梯信號，電流為40 mA。電磁換向閥11在0～10 s期間，處于斷電狀態，蓄能器開始進行預充壓，模擬正常工作前向蓄能器充壓；在10～200 s時間段，電磁換向閥得電，左位開始工作，模擬蓄能器向實驗臺液壓系統充液穩壓及電機帶動液壓泵工作的過程，在t=200 s時開始制動模擬制動器制動的過程。

設定仿真總時間為240 s，設置打印間隔為0.01 s。運行仿真后得到的實驗臺液壓系統壓力變化曲線如圖3所示，主軸轉速變化曲線如圖4所示，制動扭矩變化曲線如圖5所示。

圖3 實驗臺液壓系統壓力變化曲線

圖4 實驗臺主軸轉速變化曲線Fig.4 Spindle speed change curve of test bench

圖5 實驗臺制動扭矩變化曲線Fig.5 Braking torque curve of test bench

由圖3可知：在0～10 s為蓄能器預沖壓過程，當電磁換向閥左位工作時，系統開始工作。當蓄能器壓力為10 MPa時，系統壓力穩定在24.224 MPa左右，接近實驗臺的期望壓力25 MPa。由圖4可知：液壓馬達帶動飛輪主軸，從而帶動飛輪旋轉，模擬機械慣量，期望達到1 500 r/min，在10～200 s時間段，電磁換向閥得電，左位工作，電機帶動液壓泵，液壓泵將液壓油壓出，在蓄能器的幫助下，系統液體壓力達到24.224 MPa，帶動液壓馬達快速旋轉，液壓馬達帶動飛輪主軸，進而帶動飛輪旋轉，模擬機械慣量，最后飛輪的轉速達到1 492.31 r/min，接近馬達的額定轉速，達到了實驗臺的預期值，方便進一步實驗及測試。由圖5可知：隨著系統壓力的增加，主軸轉速不斷增加，當轉速達到最大時，制動器開始制動，最大的制動扭矩達到1 063.56 N·m，跟理論計算的結果相差不大，符合預期要求。

4 實驗驗證

礦用制動裝置液慣量式模擬實驗臺原理如圖6所示，它主要包含采煤機等設備工況模擬系統和性能測試系統，可以對礦用制動設備進行測試，如動制動扭矩、靜制動扭矩、摩擦片溫度、主軸轉速、系統壓力等。通過測試和實驗可以深入研究礦用設備在不同工況下的制動參數和性能，建立契合實際多因素礦用制動液慣量式仿真模型，為制動設備結構優化及制動性能的提升提供實驗數據，以便進行實驗驗證。實驗臺整體結構如圖6所示，通過驅動電機帶動變量柱塞泵，變量柱塞泵帶動液壓定量馬達，液壓定量馬達帶動體積較小的機械飛輪盤高速轉動，礦用制動器安裝在主軸末端。該礦用制動裝置液慣量式液壓實驗臺主要由電機帶動變量泵提供的動力系統、電控系統、測控系統、機械飛輪盤、礦用制動器等部分組成。

圖6 礦用制動裝置液慣量式模擬實驗臺原理

通過實驗，得到的系統油壓、制動扭矩及主軸轉速的變化曲線如圖7—圖9所示。

圖7 系統油壓變化曲線Fig.7 System oil pressure change curve

圖8 制動扭矩變化曲線Fig.8 Braking torque curve

圖9 轉速變化曲線Fig.9 Speed change curve

通過統計轉速、系統油壓及制動扭矩的實驗數據統計，發現系統最大轉速為1 499.39 r/min，系統最大壓力為24.98 MPa，最大扭矩為1 051.19 N·m。不難看出實際實驗和仿真及理論計算的結果相差不大，因此通過仿真來進行液壓元件選型驗證是可行的。該方法設計及驗證周期短，通過理論計算和仿真的雙重驗證，對實驗臺的液壓系統設計及驗證提供了可靠參考。

5 結論

結合液慣量式實驗臺的工作原理及理論計算，再根據AMESim軟件對液壓系統的仿真分析以及實驗對比，得出以下幾個結論:

(1)分析了機械慣量式模擬和電慣量式模擬的原理后，提出了液慣量式模擬。這種慣量模擬方式采用變量柱塞泵加定量液壓馬達組成節流調速系統，控制較為簡單，操作安全，容易實現實驗臺各種性能參數的無級變化，具有可實現性。

(2)通過理論計算選擇實驗臺所需的元件，再通過仿真搭建模型，進一步驗證，符合要求后再進行采購，搭建實驗臺，進行最后的實驗驗證。最終實驗臺可以進行如下實驗：制動裝置性能檢測實驗、制動裝置摩擦副磨損壽命實驗、制動裝置摩擦副熱衰退實驗。

(3)通過仿真分析和實際實驗對比，實驗臺可實現以下3點要求：液壓系統壓力達到24.98 MPa，主軸轉速達到1 499.39 r/min，扭矩可達到1 051.19 N·m，符合預期要求。

(4)通過對實驗臺液壓系統進行理論計算選型、搭建模型進行仿真分析與實驗驗證，加深了對實驗臺液壓系統的理解，指導煤礦技術研究人員，根據實際工況要求來設計和調節實驗臺液壓系統具體參數，保證了整個實驗臺液壓系統設計的準確性。