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        基于AMESim的液壓支架降柱動態(tài)特性建模仿真

        2020-11-29 14:06:06劉曉蓮趙雄鵬
        機(jī)電信息 2020年33期
        關(guān)鍵詞:桿腔立柱管路

        劉曉蓮 李 坤 趙雄鵬

        (1.太原重工股份有限公司,山西太原030000;2.山西焦煤機(jī)電裝備電子商務(wù)有限公司,山西太原030000;3.廣州博創(chuàng)智能裝備有限公司,廣東廣州511450)

        0 引言

        在煤炭開采過程中,液壓支架是用來支撐采煤工作面礦壓的主要設(shè)備。液壓支架工作循環(huán)中,壓力和流量是隨著工況的變化而不斷變化的。對液壓支架立柱運(yùn)動速度進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算時,因經(jīng)驗(yàn)公式的運(yùn)用而存在一定的誤差,因此通過仿真手段對動態(tài)特性進(jìn)行模擬十分必要[1]。

        AMESim是最早由法國Imagine公司推出的“學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺”,技術(shù)人員可利用平臺建立復(fù)雜的多學(xué)科多領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)模型,進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析,研究元件或系統(tǒng)的靜態(tài)和動態(tài)性能。利用AMESim建立仿真模型,設(shè)定合理的仿真參數(shù),通過對靜動態(tài)特性進(jìn)行分析,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的分析和優(yōu)化,能避免繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算,從而降低開發(fā)成本,縮短開發(fā)周期[2]。

        本文對降柱速度進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算,利用AMESim建立液壓支架立柱回路系統(tǒng)的仿真模型,并對降柱工作過程動態(tài)特性進(jìn)行仿真分析[3-4]。通過對比靜態(tài)計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果來驗(yàn)證仿真模型的正確性,并分析對比結(jié)果存在差異性的原因,可為液壓支架液壓系統(tǒng)仿真研究提供指導(dǎo),為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

        1 液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)

        液壓支架機(jī)械部分主要由底座、四桿機(jī)構(gòu)、掩護(hù)梁、頂梁、平衡缸和立柱組成。掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

        圖1 掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)圖

        2 降柱回路原理

        因液壓支架的對稱性,可對系統(tǒng)進(jìn)行簡化,只建立單立柱的機(jī)液模型,液壓支架單立柱系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。立柱下降時,高壓乳化液的流通路線為:高壓供液路P、反沖洗過濾器、主控制閥,進(jìn)入立柱上腔;立柱下腔的乳化液經(jīng)過液控單向閥、旁路閥、回液斷路閥、主回液管路。

        圖2 液壓支架單立柱原理圖

        3 降柱速度靜態(tài)計(jì)算

        根據(jù)功率守恒公式得:

        式中:P7為立柱進(jìn)液壓力,伸出時為活塞腔壓力,縮回時為活塞桿腔壓力;Q7為立柱進(jìn)液流量;P8為立柱回液壓力,伸出時為活塞桿腔壓力,縮回時為活塞腔壓力;Q8為立柱回液流量;ΔQ為油缸在運(yùn)行時的內(nèi)部泄漏,計(jì)算中忽略不計(jì);F為立柱總負(fù)載,主要包括液壓支架的負(fù)載,液壓支架頂梁、掩護(hù)梁和立柱活塞桿自重;v為立柱運(yùn)動速度。

        故立柱運(yùn)動速度計(jì)算公式為:

        設(shè)定立柱下腔與上腔的面積比為k,當(dāng)立柱縮回時:

        故立柱的降柱速度計(jì)算公式為:

        式中:K進(jìn)為系統(tǒng)中液壓閥和管路的進(jìn)液壓力損失系數(shù);K回為系統(tǒng)中液壓閥和管路的回液壓力損失系數(shù)。

        4 降柱回路AMESim建模

        根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)原理圖,搭建降柱回路AMESim仿真模型如圖3所示。

        圖3 液壓支架降柱回路仿真模型

        供液流量為恒流源500 L/min;對應(yīng)的安全閥閥壓力為31.5 MPa(315 bar);立柱有桿腔控制信號輸入0~2 s內(nèi)為0,2~4 s輸入階躍信號40 null,持續(xù)時間為2 s;管路樣式模量1×105MPa(1×106bar),管徑65 mm。模擬立柱下降階段,立柱下降20 cm。

        以液壓支架ZY12000/28/64型號為例,液壓參數(shù)如表1所示。進(jìn)油控制信號前2 s為0,使得系統(tǒng)管路充滿液壓油,2~4 s給階躍信號40 null。

        表1 液壓支架液壓參數(shù)

        5 降柱動態(tài)特性仿真分析

        降柱動態(tài)位移如圖4所示。立柱均勻下降,用時2 s下降14 cm,平均下降速度為70 mm/s,比理論下降值61.6 mm/s快12.5%。3~4 s速度穩(wěn)定后下降6 mm,穩(wěn)定后平均速度60 mm/s,比理論值小2.6%。

        圖4 立柱下降位移圖

        降柱時立柱有桿腔壓力動態(tài)如圖5所示,無桿腔壓力動態(tài)如圖6所示。降柱時有桿腔壓力保持在30 MPa(300 bar),無桿腔開始有壓力波動,最大壓力波動5.6 MPa(56 bar),最終壓力保持在4.1 MPa(41 bar)。

        圖5 立柱有桿腔壓力

        圖6 立柱無桿腔壓力

        結(jié)合圖4、圖5和圖6,降柱時有桿腔壓力達(dá)到安全閥卸流壓力,降柱速度不再由進(jìn)液流量決定,而由安全閥設(shè)定壓力和背壓大小決定。

        6 結(jié)論

        本文以掩護(hù)式液壓支架ZY12000/28/64型號為例,利用AMESim軟件,對液壓支架降柱工作過程進(jìn)行動態(tài)特性建模仿真分析。降柱速度靜態(tài)計(jì)算和動態(tài)特性仿真結(jié)果對比基本吻合,證明了模型建立及仿真參數(shù)設(shè)置的正確性。但結(jié)果對比存在一定差異,產(chǎn)生差異的原因有:

        (1)實(shí)際工作中,支架液壓系統(tǒng)的管路大部分是高壓軟管,高壓軟管有一定的容積效應(yīng),在立柱供液時,高壓膠管膨脹,使降柱速度變緩。

        (2)靜態(tài)計(jì)算中,壓差流量公式P=kQρ為經(jīng)驗(yàn)公式,式中ρ是試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù),ρ≈2,與實(shí)際情況存在一定誤差。

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