， (江蘇師范大學(xué) 機電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

引言

液壓支架作為煤礦綜采業(yè)的關(guān)鍵支護設(shè)備，在煤炭安全生產(chǎn)中具有非常重要的作用，因此在支架出廠時有必要對它的各種性能進行檢測，對液壓支架的性能進行試驗，主要是對立柱性能進行試驗，液壓支架立柱是液壓支架的關(guān)鍵部件，其支護性能的好壞直接影響到液壓支架的支護性能[1]。液壓支架立柱試驗臺是對液壓支架立柱在出廠前或大修后進行檢驗的試驗設(shè)備。液壓支架立柱試驗臺是在實驗室內(nèi)模被試立柱擬井下開采工作面的實際工況，為液壓支架立柱的檢測提供一個框架式的受力空間，它以內(nèi)加載方式使被試立柱承受不同載荷的作用，以檢測支架立柱的各項性能，看其是否符合液壓支架立柱標(biāo)準(zhǔn)中各項試驗的技術(shù)要求[2]。

液壓支架立柱試驗臺液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的好壞直接影響到被測立柱的性能，因此必須對試驗臺液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能進行優(yōu)化。對液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的研究主要是對其增壓過程中動態(tài)性能的研究；增壓回路是液壓系統(tǒng)中的重要組成部分，在整個試驗過程中起著至關(guān)重要的作用。目前，液壓支架立柱的額定工作壓力為40～50 MPa，而試驗過程中所需的1.1倍和1.5倍的額定工作載荷以及1.25倍額定泵壓均由增壓回路中的雙向自動增壓缸提供，因此增壓回路的動態(tài)性能決定著整個液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能。本研究采用AMESim仿真軟件建立液壓支架立柱試驗臺液壓系統(tǒng)增壓回路的仿真模型，并對其進行動態(tài)特性分析，為實現(xiàn)增壓缸技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化提供必要的理論及數(shù)據(jù)及支持，為提高增壓缸的增壓效率提供了理論基礎(chǔ)[3]。

1　液壓系統(tǒng)增壓回路的工作原理

液壓支架立柱試驗臺液壓系統(tǒng)增壓回路的工作原理圖如圖1所示，系統(tǒng)的供油壓力為25 MPa、流量為90 L/min。該增壓回路主要由泵1、電機2、過濾器3、溢流閥4、單向閥5、三位四通電磁換向閥6、增壓缸7、高壓閥8、壓力傳感器9、壓力表10等組成[4]。其工作原理為：首先打開電機2，電機2帶動泵1旋轉(zhuǎn)，泵1將油液經(jīng)過濾器3-1從油箱中吸出，油液經(jīng)過溢流閥4-1流回油箱，使泵1出口壓力保持恒定；打開三位四通電磁換向閥6，油液經(jīng)過電磁換向閥6進入增壓缸7的低壓腔，經(jīng)增壓缸7增壓后，高壓油液由增壓缸7的高壓腔流經(jīng)單向閥5-4、高壓閥8-2、單向閥5-6、過濾器3-2進入被試立柱的的活塞桿腔，使其壓力逐漸升高，進而完成一次單向增壓過程；當(dāng)增壓缸活塞桿走到頭時，活塞桿碰到位移傳感器，使電磁換向閥6換向，增壓缸7開始反向增壓，從而向被試立柱提供連續(xù)不斷的高壓油液。

1.泵　2.電機　3.過濾器　4.溢流閥　5.單向閥 6.三位四通電磁換向閥　7.增壓缸　8.高壓閥　9.壓力傳感器 10.壓力表　11.液控單向閥　12.電液換向閥圖1　液壓系統(tǒng)增壓回路原理圖

2　基于AMESim仿真模型的建立

根據(jù)液壓系統(tǒng)的增壓回路原理圖建立其AMESim仿真模型，適當(dāng)省略了過濾器等輔助元件，簡化了仿真模型。液壓支架立柱試驗臺的液壓系統(tǒng)增壓回路在AMESim環(huán)境下建立的仿真模型如圖2所示。

圖2　AMESim環(huán)境下的增壓回路仿真模型

在AMESim仿真軟件中建模時，首先進入草圖模式，從元件庫中直接選擇電機、液壓泵、溢流閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件模型，增壓缸和立柱沒有可選的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件模型，則利用HCD庫搭建增壓缸模型和立柱模型，再通過管路把搭建好的各元件連接起來；然后進入子模型模式，根據(jù)實際情況為每個元件選擇合適的數(shù)學(xué)模型，一般情況下為各元件選擇默認(rèn)的最簡子模型；接著進入?yún)?shù)模式，根據(jù)系統(tǒng)的要求和已選擇的液壓元件型號，設(shè)定各液壓元件的參數(shù)， 具體參數(shù)設(shè)置如表1所示；最后進入運行模式，設(shè)置仿真時間為100 s，仿真步長為1 s，運行搭建好的仿真模型。

表1　AMESim主要仿真參數(shù)設(shè)置(優(yōu)化后)

3　AMESim仿真結(jié)果分析

3.1　被試立柱活塞腔容積對增壓速度的影響

圖3是被試立柱直徑為600 mm、行程為4 m時增壓缸高、低壓腔壓力隨時間變化的曲線和增壓缸活塞位移(x)隨時間變化的曲線。

圖3　立柱直徑為600 mm時增壓缸高、低壓腔壓力曲線和對應(yīng)的活塞位移曲線

從圖3中可以看到，增壓缸低壓腔的壓力在t=69 s時達(dá)到最大壓力25 MPa，對應(yīng)的高壓腔的壓力為79 MPa， 此時增壓缸的活塞位移為535 mm。根據(jù)仿真結(jié)果可以計算出實際增壓比為3.16，比理論值3.19略小，這是由于增壓缸的泄漏和液壓油的壓縮造成的[5]。

從圖3中還可以看到，增壓缸高、低壓腔的壓力上升分為兩段，第一段壓力上升速度非?？?，第二段壓力上升時間占了整個增壓過程的幾乎全部。這是因為在增壓缸開始增壓之前，被試立柱中已經(jīng)被充液且充液壓力為31.5 MPa，因此，當(dāng)增壓缸增壓時，增壓缸高壓腔的壓力會迅速達(dá)到31.5 MPa，然后直至達(dá)到最大壓力，才是增壓缸實際需要向立柱提供的壓力。

表2是被試立柱直徑為300 mm、400 mm、500 mm、 600 mm時分別所需的增壓時間和增壓缸達(dá)到最大壓力時活塞的位移。

表2　不同立柱直徑下的AMESim仿真結(jié)果

對比表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，被試立柱的直徑越大，增壓時間越長，同時增壓缸所需提供的高壓油液也越多；還可以看到，以上四種情況下，增壓缸的活塞位移均沒有超過最大行程600 mm。

3.2　油液體積彈性模量對增壓速度的影響

油液不同體積彈性模量下被試立柱活塞腔的壓力隨時間變化的曲線如圖4所示。

圖4　不同體積彈性模量下被試立柱活塞腔的壓力曲線

圖4a為體積彈性模量為1400 MPa時被試立柱活塞腔的壓力隨時間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=86 s時達(dá)到最大壓力76 MPa；圖4b為體積彈性模量為1700 MPa時被試立柱活塞腔的壓力隨時間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=69 s時達(dá)到最大壓力79 MPa；圖4c為體積彈性模量為2000 MPa時被試立柱活塞腔的壓力隨時間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=58 s時達(dá)到最大壓力79 MPa。

圖4a中被試立柱活塞腔的最大壓力為76 MPa，而不是79 MPa，這是因為這時增壓缸的一次單向增壓已經(jīng)結(jié)束，增壓缸的活塞位移也已達(dá)到最大行程，需經(jīng)電磁換向閥換向后，增壓缸反向增壓才能使被試立柱活塞腔的壓力達(dá)到最大壓力79 MPa。這說明油液體積彈性模量過小，會造成油液壓縮過大，從而使增壓缸需要更多的油液來補充被壓縮的油液，增加了增壓的時間，導(dǎo)致了增壓缸的增壓效率降低。

對比圖4a～4c發(fā)現(xiàn)，油液體積彈性模量的大小對被試立柱活塞腔壓力的升高有很大影響，體積彈性模量越大，被試立柱活塞腔壓力達(dá)到最大壓力的時間就越短。油液的體積彈性模量表示的是油液的可壓縮性，這對液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的影響很大，因此，選擇合適的油液體積彈性模量對提高增壓缸的增壓效率非常重要[6]。

4　結(jié)論

使用AMESim仿真軟件建立了液壓支架立柱試驗臺液壓系統(tǒng)增壓回路的仿真模型，并進行動態(tài)特性分析；通過修改不同的參數(shù)值，得到增壓回路增壓過程中的各種仿真曲線；同時根據(jù)仿真結(jié)果，分析了增壓回路的影響因素，優(yōu)化了增壓缸的技術(shù)參數(shù)，提高了增壓缸的增壓效率。這對整個液壓系統(tǒng)動態(tài)性能的改善具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻：

[1]王靜，李永堂，劉志奇.液壓支架試驗臺加載液壓系統(tǒng)動態(tài)特性仿真研究[J].機械工程與自動化，2010,(6):28-30.

[2]GB_25974.2-2010，煤礦用液壓支架(第2部分)[S].

[3]李建光，于玲.基于AMESim的液壓支架立柱自動增壓閥的仿真研究[J].液壓與氣動，2011，(9)：43-45.

[4]陳鵬偉，解寧，郭津津.基于AMESim的電液比例轉(zhuǎn)速同步系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計[J].液壓與氣動，2013，(12)：80-83.

[5]余銳平，肖世耀，羅成輝.基于AMESim 的液壓增壓缸的仿真分析[J].佛山陶瓷，2010，(2)：25-27.

[6]李建光,于玲.基于AMEsim的液壓支架立柱自動增壓閥的仿真研究[J].液壓與氣動,2011,(9):43-45.