賈建強

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204)

立柱在液壓支架中起著調節(jié)高度與承載重量的作用，在煤礦井下使用支架時，頂梁將圍巖帶來的巨大壓力傳遞給立柱，使得立柱長期處于高壓狀態(tài)，故其性能參數(shù)決定支架的正常工作。本文在已有液壓系統(tǒng)的研究基礎上，搭建了適用于本支架的立柱液壓控制系統(tǒng)，通過計算得到設計參數(shù)，通過假定的一種外載工況，仿真分析立柱的動態(tài)特性，對于深入研究實際工作環(huán)境中立柱的工作狀況以及提高煤礦生產安全性具有一定意義。

1 液壓支架立柱參數(shù)計算

1.1 立柱缸徑計算

設計常數(shù)包括：

1) 雙伸縮立柱的工作阻力6 000 kN.

2) 安全閥的調定壓力47.8 MPa.

3) 外缸筒的內徑D1：

(1)

式中：

D1—立柱外缸筒內徑，mm；

F—立柱工作阻力，kN，取6 000；

Pa—立柱安全閥調定開啟壓力，MPa，取47.8.

將D1圓整并取標準值，則D1=400 mm.

(2)

式中：

D2—立柱中缸筒內徑，mm；

Pb—立柱中缸活塞腔額定壓力，MPa；

Pa—立柱安全閥調定開啟壓力，MPa.

經計算得出，中缸內徑D2=280 mm.

1.2 立柱缸筒壁厚的確定

1.2.1外缸筒壁厚的確定

(3)

所以，δ1≥[δ1]，缸筒的選擇合適。

1.2.2中缸筒壁厚的確定

(4)

所以，δ2≥[δ2]，缸筒的選擇合適。

1.3 立柱初撐力和工作阻力的計算

立柱的初撐力計算公式：

(5)

立柱工作阻力計算公式：

(6)

2 立柱控制回路模型建立及仿真結果分析

本文研究的支架為兩柱雙伸縮式，立柱外缸內徑較大，為400 mm，調節(jié)高度≥1.7 m，為縮短升柱時間，需大流量進液，而兩立柱動作又須保持同步進行，故兩立柱控制回路設置為并聯(lián)方式，并且每個立柱進液油路上均設有液控單向閥和安全閥，用于立柱增阻和降柱。在實際工作中，為獲得額定的初撐力，要控制中缸和活柱的伸出順序。根據(jù)雙伸縮立柱的承載原理，在液壓支架接觸頂板時，只要保證中缸的行程沒有結束，即活柱先伸出，中缸后伸出就可以使支架在接觸頂板時符合設計要求，達到額定初撐力。

本文利用假設的一種外力工況來仿真立柱的動態(tài)效應，本液壓系統(tǒng)設計中，活塞伸出的主要作用是滿足支架調節(jié)高度的要求，在承載力方面只要滿足強度要求即可，故在仿真立柱承載頂板來壓的過程中，為獲得設計的額定初撐力，即在活塞伸出過程結束后，中缸伸出過程中接觸頂板，故仿真系統(tǒng)圖可簡化成見圖1，此系統(tǒng)忽略活塞行程，僅仿真中缸伸出受力過程。根據(jù)以上要求設計立柱控制回路見圖1.

圖1 立柱控制回路圖

由于支架的兩立柱為并聯(lián)設計，故在分析中只分析其中一個立柱，僅將泵站提供的流量減少一半即可。利用AMESim仿真軟件設計立柱控制回路見圖2.

圖2 立柱控制回路仿真圖

根據(jù)立柱參數(shù)計算結果，設定本模型泵站流量200 L/min，泵站安全閥的調定壓力為31.5 MPa，立柱內徑400 mm，桿徑380 mm，立柱安全閥的調定壓力為47.7 MPa.設定支架的外載壓力為：0～12 s空載運行階段，壓力為100 kN；12～15 s立柱初撐階段，壓力為100～3 900 kN；15～18 s初撐恒阻階段，壓力為3 900 kN，此階段將電磁換向閥調到中位；18～21 s增阻階段，壓力為3 900～5 600 kN；21～24 s為恒阻階段，壓力為5 600 kN；24～25 s為頂板來壓階段，壓力為5 600～6 000 kN；25～30 s為頂板來壓穩(wěn)定階段，壓力為6 000 kN；剩余時間為支架放煤卸載狀態(tài)，壓力為5 000 kN. 仿真起始時間為0，停止時間為30 s，仿真步距為0.01 s，采用標準解算器混合誤差進行仿真。立柱仿真結果見圖3，4，5，6.

圖3 立柱位移曲線圖

由仿真曲線3～6可知，當頂板外載壓力超過立柱安全閥的設定壓力時，安全閥將打開卸壓，保證立柱工作的安全性。由圖3可看出，在25 s后由于外載壓力的增大，支架位移出現(xiàn)明顯的下降趨勢，此時無桿腔壓力在安全閥的調定作用下保持恒定，而流量通過安全閥卸出，并出現(xiàn)了劇烈波動；30 s由于放煤等動作，支架承載壓力減小，當外載壓力小于安全閥調定壓力后，支架位移將保持不變。由圖4，5，6可看出，立柱的速度、無桿腔壓力以及無桿腔流量在30 s后，因外載壓力的突變，均出現(xiàn)劇烈波動，但波動幅度呈遞減趨勢，并最終穩(wěn)定于一個定值處。

圖4 立柱速度曲線圖

3 結 論

仿真結果驗證了立柱在設定工況下出現(xiàn)的動態(tài)效應，即支架在初撐和增阻階段時，立柱沒有明顯的動作，在外載壓力超過安全閥調定壓力以及壓力突然減小低于安全閥調定壓力時，支架將會在一個數(shù)值附近出現(xiàn)明顯的有規(guī)律性的波動狀態(tài)，并最終穩(wěn)定于此數(shù)值處，仿真結果對支架實際應用具有一定的指導意義，在設計使用支架時應盡量避免出現(xiàn)外載壓力變大或變小等突變狀況，以維護煤礦生產安全。

圖5 立柱無桿腔壓力曲線圖

圖6 立柱無桿腔流量曲線圖

參 考 文 獻

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