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        基于AMESim的采煤機液壓制動系統(tǒng)的優(yōu)化研究

        2018-11-28 08:41:10王新軍
        機械管理開發(fā) 2018年11期
        關(guān)鍵詞:采煤機系統(tǒng)

        王新軍

        (山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦, 山西 古交 030203)

        引言

        采煤機是廣泛應(yīng)用于煤炭綜采面的用于割煤和落煤的集機、電、液于一體的大型機械化設(shè)備,在確保煤礦生產(chǎn)企業(yè)的綜采效率和生產(chǎn)安全中均扮演著極其重要的作用。隨著煤炭綜采技術(shù)的不斷發(fā)展,越來越多的大傾角煤層開始不斷投入開采,因井下地質(zhì)條件復(fù)雜,巷道傾角大,造成采煤機在綜采過程中極易發(fā)生下滑等事故,不但嚴重影響了綜采面的生產(chǎn)效率而且嚴重威脅著巷道內(nèi)作業(yè)的工作人員的人身安全,特別是在對采煤機進行制動時,采煤機因制動系統(tǒng)動作滯后造成的短時制動失效引起的采煤機下滑更是頻繁出現(xiàn)在井下綜采區(qū)域[1]。

        采煤機的制動,主要是依靠液壓系統(tǒng)對制動器發(fā)出制動信號,利用液壓泵站提供的高壓油液配合機械制動結(jié)構(gòu)完成對采煤機的制動,因此液壓系統(tǒng)對制動發(fā)出信號的及時性和高壓油液到達機械制動機構(gòu)的時間就直接關(guān)系到了采煤機制動的及時性。因此本文提出了一種新的液壓制動系統(tǒng)結(jié)構(gòu),首次將蓄能器應(yīng)用于采煤機的液壓制動系統(tǒng),用于為液壓制動系統(tǒng)的改造提供一定的理論依據(jù),提高采煤機制動的靈敏性及可靠性。

        1 采煤機液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

        新型的采煤機液壓制動系統(tǒng)如圖1所示。采煤機的制動器位于牽引電機輸出軸的端部,在工作中當(dāng)出現(xiàn)停電或者其他故障導(dǎo)致采煤機下滑時,液壓系統(tǒng)的電磁換向閥得到換向信號,控制蓄能器與制動器的管路相連通,蓄能器內(nèi)的高壓油液通過管路進入到制動器內(nèi),推動制動器閉合,使制動器的摩擦機構(gòu)和制動機構(gòu)產(chǎn)生擠壓摩擦,對制動片產(chǎn)生一個摩擦力,使采煤機逐漸實現(xiàn)可靠制動[2]。當(dāng)采煤機需要移動時,液壓系統(tǒng)控制電磁換向閥打開,使制動器內(nèi)的高壓油液流回油箱內(nèi),同時通過管路為蓄能器補充高壓油液,為下次制動做好準備。

        圖1 液壓制動系統(tǒng)液壓原理圖

        2 蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

        該液壓系統(tǒng)所采用的蓄能器為囊式蓄能器,其數(shù)學(xué)模型可表示為[3]:

        式中:Pi為蓄能器進油腔內(nèi)的壓力;P0為蓄能器的預(yù)充氣壓力;ce為預(yù)充氣體的阻尼系數(shù);A0為蓄能器的截面積;ke為預(yù)充氣體的剛度系數(shù);V0為蓄能器的充氣體積。

        假設(shè)油液彈性模量為零,則蓄能器在進油腔處的受力方程可以表示為[4]:

        式中:Be為油液的等效黏性系數(shù);P1為蓄能器進口閥芯處的壓力;me為進入蓄能器的油液的等效質(zhì)量;An為蓄能器進油口閥芯處的截面積。

        聯(lián)立(1)、(2)可得:

        3 采煤機液壓制動系統(tǒng)的仿真分析

        利用AMESim仿真分析軟件建立采煤機液壓制動系統(tǒng)的仿真分析模型[5],如圖2所示。

        圖2 液壓制動系統(tǒng)液仿真分析模型

        因在系統(tǒng)內(nèi)加入了蓄能器,將蓄能器作為控制制動器進行制動的動力源,用于確保在收到制動信號后的最短時間內(nèi)完成系統(tǒng)制動,確保采煤機制動的可靠性。當(dāng)蓄能器在執(zhí)行制動工作時內(nèi)部的壓力會迅速降低,為確保制動時能對制動器形成足夠的制動壓力,需確保制動器接觸到制動盤后仍需要在蓄能器內(nèi)保持一定的高壓油液,因此需對蓄能器的預(yù)充氣壓力進行合理的設(shè)置,根據(jù)系統(tǒng)所使用的制動器結(jié)構(gòu),計算出若完全制動所需的液壓油應(yīng)為45 000 mL,因此在實際使用中,蓄能器選擇應(yīng)大于45 000 mL。

        利用AMEsim流體仿真分析軟件,對蓄能器在不同預(yù)充氣壓力下的液壓制動系統(tǒng)的制動情況進行仿真分析,結(jié)果如圖3、圖4所示。

        由仿真分析可知,當(dāng)蓄能器中的預(yù)充氣壓力為7 MPa(70 bar)的情況下,制動器制動盤的運行速度及油腔內(nèi)的壓力沖擊瞬間就降低到了零狀態(tài),這是由于蓄能器的預(yù)充氣壓力和額定工作壓力的壓差較小,導(dǎo)致充入蓄能器內(nèi)的油液極少,油液量難以滿足制動時制動盤內(nèi)油缸的需求。

        當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓由6 MPa(60 bar)逐漸降低到3 MPa(30 bar)時,制動機構(gòu)的制動速度會隨著壓力的降低逐漸地減緩,當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為3 MPa(30 bar)時,其制動時間已經(jīng)超過了 0.5 s,無法滿足快速制動的要求,蓄能器在4 MPa(40 bar)情況下的制動時間約為0.487 s,在5 MPa(50 bar)情況下的制動時間約為0.474 s,在6 MPa(60 bar)情況下的制動時間約為0.464 s。但由圖4可知,液壓制動系統(tǒng)制動時制動機構(gòu)的沖擊振動會隨著蓄能器預(yù)充氣壓力的升高而逐漸降低,當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為6 MPa(60 bar)時的沖擊振動特性最小,因此可知當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa(60 bar)時既能滿足采煤機快速制動的要求,又能降低在制動時系統(tǒng)的振動、沖擊,能大幅提高采煤機制動系統(tǒng)的使用壽命。

        圖3 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時制動盤的速度曲線

        圖4 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時制動油缸的壓力曲線

        4 結(jié)論

        本文提出的這種新的采煤機液壓制動系統(tǒng),以蓄能器作為主要的制動動力源,能夠大幅提高采煤機制動時的響應(yīng)速度,當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa(60 bar)時既能滿足采煤機快速制動的要求,又能降低在制動時系統(tǒng)的振動、沖擊,能大幅提高采煤機制動系統(tǒng)的使用壽命。

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