楊文林，閆炳雷，王忠賓

(1.中國礦業(yè)大學機電工程學院，江蘇徐州221116;2.三一重型裝備有限公司，遼寧沈陽110027)

掘進機是集巷道破巖、運輸、噴霧除塵為一體的井下作業(yè)裝備，其主要作業(yè)裝備為安裝在截割部末端的截割頭，通過截割升降油缸實現(xiàn)截割部的升降運動，從而完成對井下斷面的截割。截割升降油缸的速度由多路閥控制，每一個油缸都裝配有平衡閥。平衡閥可以防止油管爆裂時截割部自動下落。在正常的工作狀態(tài)下，多路閥輸出的先導壓力使平衡閥開啟，從而實現(xiàn)截割部正常的升降運動。

平衡閥的選型與參數(shù)設(shè)置是影響截割升降平穩(wěn)性的重要因素。目前截割功率超過250 kW 的大型號硬巖掘進機，由于截割部質(zhì)量大，就曾經(jīng)出現(xiàn)過截割部在下降過程中發(fā)生抖動現(xiàn)象，嚴重影響了液壓系統(tǒng)穩(wěn)定性以及設(shè)備的正常作業(yè)。

LMS 公司的Imagine.Lab AMESim 軟件是當今工業(yè)界功能最全面、最為普及的機電液智能系統(tǒng)仿真分析平臺，是了解和改善產(chǎn)品動態(tài)特性、提升產(chǎn)品性能、分析和解決產(chǎn)品故障的有效手段。

以掘進機截割部液壓回路為研究對象，利用AMESim 建立其系統(tǒng)仿真模型，研究液壓系統(tǒng)平衡閥參數(shù)對截割部運動的影響。利用AMESim 優(yōu)化分析工具，對液壓系統(tǒng)參數(shù)進行優(yōu)化分析，將液壓系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置與截割部幾何參數(shù)進行優(yōu)化匹配，使系統(tǒng)運動平穩(wěn)、高效，以提高液壓系統(tǒng)性能。

1 截割升降液壓系統(tǒng)建模

掘進機液壓系統(tǒng)采用負載敏感變量系統(tǒng)，升降油缸的速度由負載敏感比例多路閥控制，截割升降油缸與比例多路閥之間安裝有平衡閥。系統(tǒng)液壓原理如圖1所示。

參照液壓原理圖，利用AMESim 建立掘進機截割部升降控制液壓回路仿真模型，仿真模型包括負載敏感變量泵、比例多路閥、平衡閥、液壓缸以及截割部等關(guān)鍵系統(tǒng)部件。截割部采用AMESim 的平面機構(gòu)庫模型(PLM)建模，模型中包含了連接絞點、支撐點、質(zhì)量、總長度等相關(guān)信息。

圖1 截割升降回路液壓原理

負載敏感變量泵是液壓系統(tǒng)的動力源，其輸出的壓力和液壓系統(tǒng)的負載壓力相關(guān)，即主油泵的輸出壓力等于LS 反饋壓力與待命壓力之和。液壓泵建模采用PID 閉環(huán)控制算法，設(shè)定主油泵的響應時間、比例增益和待命壓力，即得到主油泵仿真模型如圖2所示。

圖2 負載敏感變量泵仿真模型

掘進機執(zhí)行機構(gòu)的速度通過比例多路閥控制。多路閥由比例流量閥和壓力補償器組合而成，壓力補償器保證多路閥的流量只與主閥芯的開度相關(guān)，與負載壓力無關(guān)，即流量由控制信號決定。比例多路閥的主要參數(shù)包括公稱流量和壓力損失，其仿真模型如圖3所示。

圖3 比例多路閥仿真模型

截割部升降運動控制油缸直接安裝在油缸缸體上面，可以防止油管爆裂時截割部自動下落，提供負載保持和平穩(wěn)的運動控制。平衡閥通常成對使用，進油時通過單向閥通道進油，回油通過由進油壓力打開的節(jié)流口回油。平衡閥的主要參數(shù)包括公稱流量、壓降、導壓比以及開啟壓力。平衡閥仿真模型如圖4所示。

圖4 平衡閥仿真模型

截割部的升降運動的軌跡在同一個平面內(nèi)，因此截割部機械結(jié)構(gòu)建模采用AMESim 的平面機構(gòu)庫模塊。截割部采用一個3 節(jié)點的PLMBOD 模塊表示，其中一個節(jié)點與plmpivot 模塊連接，表示和回轉(zhuǎn)臺連接的鉸接點。另一個節(jié)點與plmjack 模塊連接，表示油缸鉸接點。第3 個節(jié)點為自由節(jié)點，其位置在截割部末端。機械機構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 截割部機械結(jié)構(gòu)仿真模型

根據(jù)截割部幾何尺寸，設(shè)定平面機構(gòu)模塊絞點坐標、油缸作用位置、升降回轉(zhuǎn)絞點位置等幾何信息，即可進入截割部平面機構(gòu)仿真裝配圖，如圖6所示。

圖6 截割部平面機構(gòu)仿真裝配圖

2 截割升降運動仿真

截割部升降液壓回路仿真模型如圖7所示。

通過設(shè)置比例多路閥的控制信號，使液壓缸處于下降運動狀態(tài)。設(shè)定平衡閥的開啟壓力為28 MPa、仿真時間為5 秒，仿真結(jié)束后得到油缸速度曲線如圖8所示。

由仿真曲線可知:在截割部下降過程中，油缸始終處于抖動狀態(tài)，速度與壓力不平穩(wěn)。將平衡閥的開啟壓力設(shè)定為14 MPa，則仿真曲線如圖9所示。

圖7 截割部升降液壓回路仿真模型

圖8 開啟壓力為28 MPa時油缸速度曲線

根據(jù)以上曲線可知:在該參數(shù)狀態(tài)下，油缸速度和壓力在經(jīng)過短暫抖動后迅速達到平穩(wěn)狀態(tài)，此時截割部可以平穩(wěn)下降。

3 液壓系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化

由截割部下降運動仿真可知:平衡閥開啟壓力參數(shù)設(shè)置是影響截割部運動平穩(wěn)性的重要因素。利用AMESim 的設(shè)計開發(fā)與優(yōu)化模塊，可以合理設(shè)置參數(shù)，使系統(tǒng)運動處于最佳狀態(tài)。對平衡閥開啟壓力進行設(shè)置，使系統(tǒng)各項性能滿足要求，該過程為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計。開展系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計，首先需要定義一個或幾個優(yōu)化過程中需要處理的目標量，另外根據(jù)優(yōu)化目標設(shè)定目標量的限制條件。

將平衡閥開啟壓力定義成所要加運算規(guī)則的輸入量，默認值設(shè)定為21 MPa，下限值設(shè)定為14 MPa，上限值設(shè)定為28 MPa。

優(yōu)化仿真的限制條件包括:為避免截割部在下降過程中由于重力作用導致下降速度過快，使液壓缸的流量超出液壓回路所能有效提供的流量;在下降過程中液壓缸最大輸入流量與液壓回路公稱流量之差不超過10 L/min;截割部在下降過程過不會出現(xiàn)向上的抖動;在穩(wěn)態(tài)階段截割部平穩(wěn)下降，截割部速度變化幅度最高不得超過0.02 m/s。優(yōu)化規(guī)則選擇NLPQL，該規(guī)則對初始值是敏感的。經(jīng)過優(yōu)化過程的多次運算后，給出了最優(yōu)的解決方案，即得到了最優(yōu)液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置。采用最優(yōu)參數(shù)得到的仿真曲線如圖10所示。

圖10 參數(shù)優(yōu)化后的油缸速度曲線

4 結(jié)論

采用AMESim 液壓系統(tǒng)的基礎(chǔ)液壓元件模型和控制元件模型，建立了截割部升降運動控制液壓回路負載敏感泵、比例多路閥、平衡閥等元件的仿真模型。采用AMESim 的平面機構(gòu)庫建立了截割部升降運動機構(gòu)仿真模型。利用仿真模型準確地模擬了在截割部下降過程中平衡閥開啟壓力對截割部運動平穩(wěn)性、壓力沖擊、流量穩(wěn)定性的影響。

采用AMESim 參數(shù)優(yōu)化工具，將平衡閥開啟壓力作為輸入?yún)?shù)，將與截割部運動相關(guān)的液壓缸運動速度和流量作為輸出參數(shù)，定義最小速度、穩(wěn)態(tài)速度波動、流量誤差為復合輸出參數(shù)。通過設(shè)計優(yōu)化方法得到了最佳平衡閥開啟壓力設(shè)定值。

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