張延軍，張俊，寇子明

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西太原030024;2.山西省礦山流體工程技術(shù)研究中心，山西太原030024)

根據(jù)我國(guó)《煤礦安全規(guī)程》第403 條規(guī)定，摩擦輪式提升鋼絲繩的使用期限應(yīng)不超過(guò)兩年。對(duì)主、副井均采用摩擦輪提升的煤礦而言，平均每年都需要更換一次提升鋼絲繩，眾所周知，更換提升鋼絲繩難度大、技術(shù)性強(qiáng)而且危險(xiǎn)程度極高。隨著科學(xué)技術(shù)的日益發(fā)展，煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化程度也越來(lái)越高，在國(guó)外已經(jīng)有利用掛繩專用摩擦絞車、“依萬(wàn)諾夫”型絞車等專用設(shè)備進(jìn)行換繩，國(guó)內(nèi)也有集機(jī)電液自動(dòng)控制于一體的BHS 快速換繩裝置。BHS 快速換繩裝置利用液壓驅(qū)動(dòng)平行四邊形鎖緊機(jī)構(gòu)，以達(dá)到鎖繩的目的，不同于國(guó)外的連續(xù)換繩裝置，BHS 快速換繩裝置是利用步進(jìn)油缸帶動(dòng)鎖住鋼絲繩的鎖緊裝置來(lái)回運(yùn)動(dòng)以達(dá)到下放新繩的目的［1］。換繩的速度和換繩過(guò)程的平穩(wěn)性是取決于步進(jìn)油缸的運(yùn)動(dòng)特性，為了達(dá)到安全換繩尤其是防止摽繩事故的發(fā)生，在文中著重對(duì)換繩裝置的步進(jìn)送繩的動(dòng)力部分進(jìn)行仿真研究。

1 送繩機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

BHS 換繩裝置的送繩機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)小車、平行四邊形鎖緊裝置、鎖緊油缸、雙聯(lián)油缸底座和步進(jìn)油缸組等［2］，送繩機(jī)構(gòu)如圖1所示。

圖1 送繩機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖

現(xiàn)有煤礦采用四繩提升占有相當(dāng)大的比例，下面以四繩換繩為例進(jìn)行詳盡的說(shuō)明。鎖緊油缸固定在平行四邊形鎖緊裝置的兩端，平行四邊形鎖緊裝置又固定在移動(dòng)小車上，雙聯(lián)油缸底座是固定在地基上的，步進(jìn)油缸一端固定在雙聯(lián)油缸底座上，另一端固定在移動(dòng)小車上，因此鎖緊油缸、平行四邊形鎖緊裝置和移動(dòng)小車構(gòu)成了一個(gè)整體。新繩和舊繩的繩頭通過(guò)繩卡卡在一起，當(dāng)新繩被鎖緊后，通過(guò)連接在移動(dòng)小車上的步進(jìn)油缸的伸縮使新繩來(lái)回運(yùn)動(dòng)，送繩機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求如表1所示。

表1 送繩機(jī)構(gòu)的動(dòng)作要求表

2 送繩機(jī)構(gòu)的液壓原理

由上述的分析可知，步進(jìn)油缸與鎖緊油缸的動(dòng)作是順序進(jìn)行的，兩者之間互不干擾，因此可簡(jiǎn)化送繩模型，其液壓原理如圖2所示。

圖2 送繩機(jī)構(gòu)液壓原理

由表1 可知，當(dāng)鎖緊裝置鎖住鋼絲繩后，步進(jìn)油缸的動(dòng)作是一致的，要么同時(shí)打開(kāi)，要么同時(shí)收回。兩步進(jìn)油缸不可能同時(shí)送繩，即有一組油缸是空行程復(fù)位。結(jié)合圖2 進(jìn)一步分析，無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)，油缸是差動(dòng)連接的;換向閥處于左位時(shí)油缸的速度是連續(xù)可調(diào)的，由于漸變節(jié)流式緩沖裝置能使緩沖過(guò)程較平穩(wěn)［5］，因此需著重對(duì)油缸的無(wú)桿腔緩沖節(jié)流進(jìn)行研究。

3 緩沖油缸的設(shè)計(jì)

3.1 油缸設(shè)計(jì)要求

油缸行程s=1 000 mm，缸徑D =100 mm，桿徑d=70 mm，油缸縮回時(shí)間t≤10 s，為了防止產(chǎn)生過(guò)大的沖擊，油缸在緩沖終了時(shí)的速度應(yīng)不大于0.05 m/s。

3.2 緩沖結(jié)構(gòu)原理

文中所研究的緩沖油缸為缸體固定活塞桿運(yùn)動(dòng)，其緩沖結(jié)構(gòu)為拋物線型，緩沖結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。緩沖柱塞由拋物線型漸變節(jié)流緩沖結(jié)構(gòu)和圓柱型縫隙節(jié)流結(jié)構(gòu)組成。

圖3 緩沖結(jié)構(gòu)示意圖

當(dāng)緩沖柱塞3 未進(jìn)入緩沖腔4 時(shí)，無(wú)桿腔的液壓油經(jīng)固定節(jié)流孔5 和回油道7 流回油箱，此時(shí)主要的能量損失為局部節(jié)流損失。

當(dāng)緩沖柱塞3 開(kāi)始進(jìn)入緩沖腔4 時(shí)，隨著油缸的運(yùn)動(dòng)，緩沖柱塞3 與緩沖腔4 之間形成的通流面積逐漸減小，由連續(xù)性方程和伯努利方程可知，緩沖腔4形成的背壓將逐漸增大，隨著通流面積的減小，背壓越來(lái)越大，在活塞2 上的作用力也隨之增大，動(dòng)能逐漸被吸收轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，從而使活? 的運(yùn)動(dòng)速度隨油缸的位移而減小。

油缸結(jié)束漸變節(jié)流緩沖后將進(jìn)入圓柱環(huán)狀縫隙節(jié)流緩沖，此時(shí)緩沖腔4 的背壓將快速升高到一固定值，進(jìn)一步對(duì)活塞2 進(jìn)行減速以減小沖擊。由于圓柱環(huán)狀縫隙的通流面積不變，縫隙的流量與縫隙兩端的壓差成正比，壓差越大，縫隙流量越大，活塞2 的運(yùn)動(dòng)速度波動(dòng)將越大。圓柱環(huán)狀縫隙較小，由連續(xù)性方程和伯努利方程可知，在緩沖腔4 內(nèi)將形成較高的背壓。為了提高系統(tǒng)運(yùn)行的平穩(wěn)性，要盡量延長(zhǎng)漸變節(jié)流緩沖的時(shí)間，將運(yùn)動(dòng)件的速度減小至不高于0.05 m/s，同時(shí)要縮短環(huán)狀縫隙節(jié)流緩沖的時(shí)間，避免不必要的波動(dòng)。

3.3 緩沖油缸動(dòng)態(tài)特性的數(shù)學(xué)描述

3.3.1 緩沖油缸的力平衡方程

活塞兩邊的力平衡方程:

在此例計(jì)算中活塞的質(zhì)量m 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于負(fù)載的質(zhì)量M，因此將力平衡方程簡(jiǎn)化為

式中:p1、p2分別為無(wú)桿腔和有桿腔的壓力;

A1、A2分別為無(wú)桿腔和有桿腔的有效作用面積;

m、M 分別為活塞和負(fù)載的質(zhì)量;

L 為油缸的位移。

3.3.2 緩沖油缸輸入油液的連續(xù)性方程

式中:λ 為緩沖油缸的泄漏系數(shù);

V 為緩沖腔油液體積;

K 為液壓油的體積彈性模量。

3.3.3 緩沖第一階段

緩沖第一階段僅有固定節(jié)流孔緩沖節(jié)流，薄壁孔口流量方程為:

式中:cq為流量系數(shù)，查表取cq=0.75;

Δp 為節(jié)流孔兩側(cè)的壓力差，由于節(jié)流孔的出口連接油箱，近似認(rèn)為Δp 為一常值;

A 為緩沖腔的通流面積;

ρ 為液壓油的密度。

3.3.4 緩沖第二階段

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，在漸變節(jié)流緩沖過(guò)程中活塞的運(yùn)動(dòng)速度將逐漸地、平穩(wěn)地下降，由拋物線節(jié)流緩沖特性，當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔時(shí)，活塞將做勻減速運(yùn)動(dòng):

式中:v0為緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔前的速度;

vx為緩沖過(guò)程中活塞的速度;

x 為緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔的長(zhǎng)度;

a 為緩沖過(guò)程的減速度。

緩沖柱塞與緩沖腔間的通流面積:

由于緩沖腔的內(nèi)徑遠(yuǎn)大于緩沖柱塞與緩沖腔的間隙δx，在工程計(jì)算中，將通流面積近似地看作是一個(gè)隨緩沖柱塞與緩沖腔間隙變化而變化的線性變量，式(6)可簡(jiǎn)化為:

式中:Ax為緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔距離為x 時(shí)的通流面積;

δx為緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔距離為x 時(shí)緩沖柱塞與緩沖腔的間隙;

d0為緩沖腔的內(nèi)徑。

當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔后無(wú)桿腔的有效面積為:

由于δx遠(yuǎn)小于d0，將式(8)改寫為:

由式(3)、(4)、(5)、(9)可求得緩沖柱塞進(jìn)入緩沖腔后的運(yùn)動(dòng)速度為:

將式(10)代入式(5)整理得

y2=F(C－x)

緩沖柱塞的長(zhǎng)度為:

3.3.5 緩沖第三階段

第三階段為同心圓柱環(huán)形縫隙節(jié)流，同心圓柱環(huán)狀縫隙的流量計(jì)算公式為:

式中:d0為緩沖柱塞的直徑;

δ0為同心圓柱環(huán)的單邊縫隙;

μ 為液壓油的動(dòng)黏度;

l0為緩沖柱塞的長(zhǎng)度;

4 基于AMESim 對(duì)送繩機(jī)構(gòu)進(jìn)行液壓建模

基于AMESim 對(duì)送繩機(jī)構(gòu)進(jìn)行液壓建模，相關(guān)液壓元件參數(shù)如表2所示。

表2 相關(guān)液壓元件參數(shù)表

送繩機(jī)構(gòu)的液壓模型如圖4所示。

圖4 送繩機(jī)構(gòu)的液壓模型

5 仿真結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，對(duì)緩沖油缸完全伸出需要的時(shí)間、油缸的行程與緩沖腔的背壓和油缸的運(yùn)行速度之間的關(guān)系進(jìn)行描述。油缸的位移與其運(yùn)動(dòng)特性的關(guān)系如圖5所示。

圖5 油缸的位移與其運(yùn)動(dòng)特性

圖5(a)表示油缸的位移與時(shí)間關(guān)系，油缸在不到8 s 的時(shí)間內(nèi)就達(dá)到了行程終了位置，滿足設(shè)計(jì)要求。圖5(b)、(c)、(d)分別表示油缸的的速度、加速度和緩沖腔背壓與油缸位移之間的關(guān)系。在固定節(jié)流緩沖過(guò)程中，油缸快速穩(wěn)定在0.19 m/s。進(jìn)入無(wú)桿腔的液壓油流量大，油缸加速時(shí)間短，造成加速度較大，同時(shí)在緩沖腔內(nèi)也將快速形成背壓，由于液壓傳動(dòng)吸收振動(dòng)的特性，油缸將在這一速度快速穩(wěn)定。

當(dāng)柱塞頭進(jìn)入緩沖腔后，在漸變節(jié)流緩沖的作用下，通流面積與行程間呈拋物線性減小，由連續(xù)性方程、伯努利方程和薄壁孔節(jié)流特性可知通過(guò)漸變節(jié)流孔的流速將隨著行程的增大拋物線性減小，而加速度將隨之拋物線性增大，同時(shí)緩沖腔的背壓也將增大。

考慮到油缸的加工工藝性，緩沖柱塞不可能完全是拋物線性，而且拋物線性緩沖柱塞與緩沖腔的通流面積的變化率是越來(lái)越小的，到后來(lái)拋物線性緩沖特性將趨向于平穩(wěn)，這對(duì)緩沖是沒(méi)有意義的。實(shí)際情況下在漸變節(jié)流緩沖后還有一段縫隙節(jié)流，當(dāng)緩沖柱塞進(jìn)入縫隙節(jié)流時(shí)，活塞運(yùn)動(dòng)速度將快速下降到某一特定值后趨于穩(wěn)定，反應(yīng)在緩沖腔背壓的情況是背壓快速增高，只要節(jié)流緩沖的幾何形狀變化不太激烈，油缸的運(yùn)動(dòng)特性將不會(huì)有大的變化。漸變節(jié)流緩沖到縫隙節(jié)流緩沖轉(zhuǎn)緩的臨界位置，活塞的速度下降到0.046 m/s 后穩(wěn)定，沖擊減速度從0.06 m/s2減小到0，同理背壓也有類似的變化，如圖5(b)、(c)、(d)所示。

6 結(jié)論

在多學(xué)科系統(tǒng)建模與仿真平臺(tái)AMESim 的作用下，對(duì)BHS 換繩裝置送繩機(jī)構(gòu)的液壓控制系統(tǒng)模擬仿真，仿真結(jié)論表明:

(1)基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論對(duì)拋物線性漸變節(jié)流緩沖油缸的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行研究，建立了拋物線性漸變節(jié)流緩沖油缸緩沖過(guò)程中的流體動(dòng)力學(xué)方程;

(2)應(yīng)用多學(xué)科系統(tǒng)建模和仿真平臺(tái)AMESim進(jìn)行仿真分析，為實(shí)際設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)，為機(jī)、液一體化奠定了基礎(chǔ)。

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