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        基于AMESim液壓支架立柱控制回路仿真分析

        2018-06-28 01:54:34賈建強(qiáng)
        山西焦煤科技 2018年3期
        關(guān)鍵詞:初撐力安全閥內(nèi)徑

        賈建強(qiáng)

        (山西煤炭進(jìn)出口集團(tuán) 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(diào)節(jié)高度與承載重量的作用,在煤礦井下使用支架時(shí),頂梁將圍巖帶來的巨大壓力傳遞給立柱,使得立柱長(zhǎng)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(chǔ)上,搭建了適用于本支架的立柱液壓控制系統(tǒng),通過計(jì)算得到設(shè)計(jì)參數(shù),通過假定的一種外載工況,仿真分析立柱的動(dòng)態(tài)特性,對(duì)于深入研究實(shí)際工作環(huán)境中立柱的工作狀況以及提高煤礦生產(chǎn)安全性具有一定意義。

        1 液壓支架立柱參數(shù)計(jì)算

        1.1 立柱缸徑計(jì)算

        設(shè)計(jì)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(diào)定壓力47.8 MPa.

        3) 外缸筒的內(nèi)徑D1:

        (1)

        式中:

        D1—立柱外缸筒內(nèi)徑,mm;

        F—立柱工作阻力,kN,取6 000;

        Pa—立柱安全閥調(diào)定開啟壓力,MPa,取47.8.

        將D1圓整并取標(biāo)準(zhǔn)值,則D1=400 mm.

        (2)

        式中:

        D2—立柱中缸筒內(nèi)徑,mm;

        Pb—立柱中缸活塞腔額定壓力,MPa;

        Pa—立柱安全閥調(diào)定開啟壓力,MPa.

        經(jīng)計(jì)算得出,中缸內(nèi)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(jì)算

        立柱的初撐力計(jì)算公式:

        (5)

        立柱工作阻力計(jì)算公式:

        (6)

        2 立柱控制回路模型建立及仿真結(jié)果分析

        本文研究的支架為兩柱雙伸縮式,立柱外缸內(nèi)徑較大,為400 mm,調(diào)節(jié)高度≥1.7 m,為縮短升柱時(shí)間,需大流量進(jìn)液,而兩立柱動(dòng)作又須保持同步進(jìn)行,故兩立柱控制回路設(shè)置為并聯(lián)方式,并且每個(gè)立柱進(jìn)液油路上均設(shè)有液控單向閥和安全閥,用于立柱增阻和降柱。在實(shí)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(shí),只要保證中缸的行程沒有結(jié)束,即活柱先伸出,中缸后伸出就可以使支架在接觸頂板時(shí)符合設(shè)計(jì)要求,達(dá)到額定初撐力。

        本文利用假設(shè)的一種外力工況來仿真立柱的動(dòng)態(tài)效應(yīng),本液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,活塞伸出的主要作用是滿足支架調(diào)節(jié)高度的要求,在承載力方面只要滿足強(qiáng)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(shè)計(jì)的額定初撐力,即在活塞伸出過程結(jié)束后,中缸伸出過程中接觸頂板,故仿真系統(tǒng)圖可簡(jiǎn)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì),故在分析中只分析其中一個(gè)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(shè)計(jì)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(jì)算結(jié)果,設(shè)定本模型泵站流量200 L/min,泵站安全閥的調(diào)定壓力為31.5 MPa,立柱內(nèi)徑400 mm,桿徑380 mm,立柱安全閥的調(diào)定壓力為47.7 MPa.設(shè)定支架的外載壓力為:0~12 s空載運(yùn)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(diào)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(shí)間為支架放煤卸載狀態(tài),壓力為5 000 kN. 仿真起始時(shí)間為0,停止時(shí)間為30 s,仿真步距為0.01 s,采用標(biāo)準(zhǔn)解算器混合誤差進(jìn)行仿真。立柱仿真結(jié)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(dāng)頂板外載壓力超過立柱安全閥的設(shè)定壓力時(shí),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(shì),此時(shí)無桿腔壓力在安全閥的調(diào)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(dòng);30 s由于放煤等動(dòng)作,支架承載壓力減小,當(dāng)外載壓力小于安全閥調(diào)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(dòng),但波動(dòng)幅度呈遞減趨勢(shì),并最終穩(wěn)定于一個(gè)定值處。

        圖4 立柱速度曲線圖

        3 結(jié) 論

        仿真結(jié)果驗(yàn)證了立柱在設(shè)定工況下出現(xiàn)的動(dòng)態(tài)效應(yīng),即支架在初撐和增阻階段時(shí),立柱沒有明顯的動(dòng)作,在外載壓力超過安全閥調(diào)定壓力以及壓力突然減小低于安全閥調(diào)定壓力時(shí),支架將會(huì)在一個(gè)數(shù)值附近出現(xiàn)明顯的有規(guī)律性的波動(dòng)狀態(tài),并最終穩(wěn)定于此數(shù)值處,仿真結(jié)果對(duì)支架實(shí)際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義,在設(shè)計(jì)使用支架時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)外載壓力變大或變小等突變狀況,以維護(hù)煤礦生產(chǎn)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(xiàn)

        [1] 朱成實(shí),陳寄貴.基于AMESim電液換向閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J].沈陽化工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,27(1):54-57.

        [2] 王 如,徐榮鑫,李 楚.基于AMESim液壓支架液壓系統(tǒng)泄露故障仿真研究[J].液壓與氣動(dòng),2016,3:72-75.

        [3] 張忠偉,曹連民,張 鑫.基于AMESim的充填液壓支架系統(tǒng)仿真研究[J].煤礦機(jī)械,2013,34(6):64-65.

        [4] 吳士良,劉思利,佟金婉,等.綜采采場(chǎng)頂板結(jié)構(gòu)模型及“支架—圍巖”關(guān)系研究[J].山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,35(4):44-51.

        [5] 楊國(guó)來,王建忠,李明學(xué),等.基于AMESim液壓支架升降回路仿真研究[J].煤礦機(jī),2014,35(12):247-249.

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