任煜，李永康，廉自生

(太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西太原 030024)

0 前言

液壓支架是綜采工作面的關(guān)鍵設(shè)備，它與采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)配套使用，實(shí)現(xiàn)煤礦綜采工作面的采煤機(jī)械化。液壓支架系統(tǒng)的動(dòng)力源是乳化液泵站，采煤過程中液壓支架系統(tǒng)壓力、供液流量隨支架升柱、降柱、推溜和拉架等動(dòng)作動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。采煤的效率取決于液壓支架的動(dòng)作速度，要求泵站能及時(shí)根據(jù)需求對(duì)用液量進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，供液流量的變化對(duì)液壓支架運(yùn)行的穩(wěn)定性有很大的影響，且隨著供液距離的增加明顯加劇。因此，對(duì)乳化液泵站的流量調(diào)節(jié)方式以及對(duì)液壓支架運(yùn)行特性的影響開展相關(guān)研究很有必要。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)液壓支架的供液特性與策略進(jìn)行了研究。液壓支架在執(zhí)行不同的動(dòng)作時(shí)所需要的泵站流量是不同的，所以需要根據(jù)支架的具體動(dòng)作調(diào)節(jié)泵站流量。煤礦井下大多通過變頻器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制泵流量的目的。付翔通過對(duì)液壓支架運(yùn)動(dòng)過程流量壓力變化進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了液壓支架的新型供液策略。LI和DENG提出增大供液流量可以加快支架的動(dòng)作速度，并用AMESim仿真驗(yàn)證。仉志強(qiáng)等建立了AMESim 管路模型和液壓支架系統(tǒng)模型,分析了管路長度、管路通徑、管路初始?jí)毫?duì)支架動(dòng)作的影響。高宇龍等搭建了ZF6000/20/40D型液壓支架及液壓系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)該液壓支架的升柱、降柱作了仿真分析。上述研究分析了不同供液條件對(duì)支架動(dòng)作的影響，其中供液流量的變化影響較大。此外國內(nèi)外有許多文獻(xiàn)論述了多泵聯(lián)動(dòng)的控制策略：LI和WEI通過分析液壓支架的工作特性，分析了乳化液泵站供液下支架運(yùn)行數(shù)量與乳化液泵運(yùn)行數(shù)量相匹配的控制問題。楊濤和李文英具體闡述了多泵聯(lián)動(dòng)的控制邏輯方法和程序設(shè)計(jì)。馮廣生進(jìn)一步研究并細(xì)化了多泵聯(lián)動(dòng)的控制方法，同時(shí)對(duì)控制順序和判斷條件作了進(jìn)一步的優(yōu)化。劉金麗用AMESim建立乳化液泵液壓系統(tǒng)模型，對(duì)柱塞位移與吸、排液閥的啟閉特性，以及腔內(nèi)壓力與吸、排液閥啟閉的關(guān)系進(jìn)行了研究。以上文獻(xiàn)有對(duì)單泵特性進(jìn)行分析，也有對(duì)泵站排量進(jìn)行調(diào)節(jié)，但調(diào)節(jié)方式多采用變頻調(diào)節(jié)，無法解決傳統(tǒng)變頻調(diào)節(jié)應(yīng)用于遠(yuǎn)距離供液時(shí)的滯后問題。因此，尋求一種新的流量調(diào)控方法尤為重要。

本文作者提出了乳化液泵流量調(diào)節(jié)新的方法，即采用比例閥短接泵的吸液閥，基于AMESim軟件建立BRW500/31.5乳化液泵仿真模型，并以該泵為液壓源同時(shí)建立綜采工面支架液壓系統(tǒng)模型。對(duì)所提出的流量調(diào)節(jié)方法與傳統(tǒng)變頻調(diào)速下流量變化過程進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證流量調(diào)節(jié)方法的可行性，為實(shí)現(xiàn)綜采工作面支架液壓系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 支架供液系統(tǒng)與流量調(diào)節(jié)工作原理

綜采工作面液壓支架供液系統(tǒng)的工作原理如圖1所示。當(dāng)電液換向閥8切換到立柱上升工作位置，主進(jìn)液管9中介質(zhì)經(jīng)由液控單向閥進(jìn)入立柱4的無桿腔，立柱快速升起，先后經(jīng)過升柱初撐階段、增阻承載階段及溢流承載階段。在溢流承載階段，壓力值達(dá)到安全閥5的調(diào)定壓力，使得安全閥開啟卸載直到立柱下腔壓力降到安全閥關(guān)閉壓力時(shí)，安全閥關(guān)閉。當(dāng)操縱閥置于推溜位置，使液壓介質(zhì)進(jìn)入推移千斤頂6活塞腔，千斤頂活塞桿腔回液, 此時(shí)推移千斤頂以支架為支點(diǎn)，使活塞桿伸出，將輸送機(jī)推向煤壁。其降柱與拉架動(dòng)作相反，不再細(xì)述。

圖1 液壓支架原理

鑒于傳統(tǒng)變頻調(diào)速響應(yīng)慢的問題，為提高泵站的響應(yīng)特性，文中提出如圖2所示的泵流量調(diào)節(jié)原理，即采用流量調(diào)節(jié)裝置將吸液閥并聯(lián)。工作原理如下：電機(jī)經(jīng)聯(lián)軸器驅(qū)動(dòng)曲軸旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)柱塞作往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而吸排工作介質(zhì)。進(jìn)液閥并聯(lián)的5個(gè)裝置可以單獨(dú)開啟、關(guān)閉與開度調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)流量調(diào)節(jié)。在支架動(dòng)作所需流量較小時(shí)，調(diào)節(jié)裝置開啟，吸液行程不受影響，排液時(shí)部分介質(zhì)流回液箱，泵流量減??；當(dāng)支架動(dòng)作所需流量較大時(shí)，開啟程度適當(dāng)減小使泵流量增大，以滿足支架不同動(dòng)作的不同流量需求。

圖2 BRW500/31.5乳化液泵單個(gè)柱塞

2 液壓系統(tǒng)建模

2.1 泵基本參數(shù)與仿真模型

文中建立的液壓泵仿真模型以 BRW500/31.5型乳化液泵為基礎(chǔ)。該模型忽略泵中潤滑系統(tǒng)、殼體支撐等系統(tǒng)，僅對(duì)柱塞、吸排液閥構(gòu)成的供液系統(tǒng)進(jìn)行建模，參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 BRW500/31.5仿真參數(shù)

BRW500/31.5仿真模型如圖3所示。電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)曲軸，省略實(shí)際工況中的減速器。調(diào)節(jié)裝置一端連接乳化液箱，一端連接柱塞腔進(jìn)液通道，由信號(hào)元件控制開啟程度。

圖3 BRW500/31.5單個(gè)柱塞仿真模型

2.2 液壓支架供液方式

綜采工作面液壓支架供回液管路系統(tǒng)包括主供液管路和主回液管路，其布置方式主要有環(huán)形供液、梯形供液及三進(jìn)三回供液，早期也有單進(jìn)單回供液方式。單進(jìn)單回供液方式比較簡單。環(huán)形供液方式是將工作面首尾兩套進(jìn)回液管路分別相連；梯形供液方式在環(huán)形供液的基礎(chǔ)上，每隔若干數(shù)量的支架又增加了一組進(jìn)回液管路，其首尾兩端與環(huán)形進(jìn)回液管路相連。車鵬等人對(duì)各種供液方式的壓力損失進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，得出梯形供液方式大幅度減小了由于長距離工作面造成的供液壓力損失，提高了末端支架初撐力，加快了液壓支架的移架速度。所以文中選擇梯形供液方式進(jìn)行仿真建模。

2.3 管路系統(tǒng)簡化

液壓系統(tǒng)的管路主要由各種管道、接頭、彎頭、閥類零件組成，如果將零件全部在模型中搭建出來，會(huì)使得模型計(jì)算復(fù)雜，增加計(jì)算難度與時(shí)間，所以在不影響仿真正確性的前提下對(duì)管路中管接頭進(jìn)行簡化。

在串聯(lián)油路中, 流過管道中各接頭的流量相同，總壓差等于各個(gè)接頭兩端壓差之和, 可以得出串聯(lián)油路中多個(gè)管接頭的簡化公式為

(1)

根據(jù)上式可以將個(gè)串聯(lián)接頭簡化為一個(gè)當(dāng)量接頭。同理, 當(dāng)個(gè)管接頭并聯(lián)時(shí), 并聯(lián)油路的兩端壓力差是相等的, 總流量等于各并聯(lián)油路的流量之和, 可以得出并聯(lián)油路中多個(gè)管接頭的簡化公式為

(2)

式中：為簡化后的當(dāng)量管接頭；、分別為管道中串聯(lián)和并聯(lián)的多個(gè)管接頭。

2.4 液壓支架模型設(shè)置及搭建

液壓支架仿真模型以ZY6000/18.5/38掩護(hù)式液壓支架為基礎(chǔ)搭建，仿真各參數(shù)如表2所示。

表2 支架仿真參數(shù)

搭建仿真模型如圖4所示。模型中考慮重力影響，液壓缸質(zhì)量均設(shè)置為500 kg。該模型著重仿真降柱、移架，升柱、推溜4個(gè)主要?jiǎng)幼?。同時(shí)將乳化液泵柱塞模型作為液壓源加入系統(tǒng)，構(gòu)成綜采工作面整體仿真模型。

圖4 液壓支架仿真模型

3 結(jié)果與討論

3.1 不同流量調(diào)控方法對(duì)比

為驗(yàn)證所提出的新型泵流量調(diào)節(jié)方式的效果，對(duì)比分析了變頻調(diào)速下相同流量變化時(shí)的情況。參照BPQJ-(3×400,480)/1140礦用隔爆兼本質(zhì)安全型交流變頻器，其頻率變化范圍0.5～50 Hz的加減速調(diào)節(jié)時(shí)間最快為5 s左右。以變頻工況30～40 Hz所對(duì)應(yīng)的流量為例，對(duì)應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)速280.8～374.4 r/min。在仿真中設(shè)置加速調(diào)節(jié)時(shí)間為1 s，變頻加速方式為直線加速，如圖5所示。

圖5 變頻器頻率變化

圖6所示為2種流量調(diào)節(jié)方法下的流量曲線。新調(diào)節(jié)方式在仿真開始時(shí)是空載運(yùn)行，流量較大，在0.8s左右開始推動(dòng)負(fù)載，流量逐漸穩(wěn)定在300 L/min；流量調(diào)節(jié)從=1 s開始,1～2 s時(shí)間段內(nèi)流量由300 L/min直線增加到400 L/min，新調(diào)節(jié)方式下的泵流量快速增加到400 L/min，到達(dá)峰值流量時(shí)間約為0.25 s，而傳統(tǒng)變頻方法到達(dá)峰值時(shí)間為1.15 s。

圖6 2種流量調(diào)節(jié)方式流量對(duì)比

3.2 調(diào)節(jié)裝置開啟數(shù)量對(duì)流量的影響

圖7(a)所示分別為流量400 L/min且空載時(shí)，調(diào)節(jié)裝置數(shù)量從1個(gè)增加至5個(gè)的流量變化情況，以及泵正常排量500 L/min時(shí)的流量曲線。可以看出：5個(gè)調(diào)節(jié)裝置同時(shí)開啟時(shí)流量波動(dòng)最小，和泵正常排量時(shí)的波動(dòng)情況相近。隨著調(diào)節(jié)裝置開啟數(shù)量減少,泵流量的波動(dòng)幅度越來越大；當(dāng)只開啟1個(gè)時(shí)波動(dòng)幅值最大達(dá)到了350 L/min。對(duì)比圖7(b)所示帶負(fù)載時(shí)泵的流量變化曲線，可以看出：在泵正常工作與分別開啟4個(gè)與5個(gè)的情況下，泵流量的波動(dòng)幅度與空載時(shí)基本相同。當(dāng)開啟3個(gè)和2個(gè)調(diào)節(jié)裝置時(shí)，帶負(fù)載的流量波動(dòng)略大于空載，只開啟1個(gè)時(shí)，帶負(fù)載流量波動(dòng)幅度明顯加劇，甚至在某一瞬時(shí)流量為0。

圖7 泵流量變化

3.3 支架立柱液壓缸無桿腔壓力變化分析

系統(tǒng)流量的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致液體壓力產(chǎn)生波動(dòng)。圖8(a)、圖8(b)分別為液壓支架在執(zhí)行升柱和降柱動(dòng)作時(shí)液壓缸無桿腔的壓力變化。

在開始的0.8 s左右是仿真的初始化時(shí)間，之后支架開始升柱。升柱動(dòng)作開始的1 s內(nèi)，6種調(diào)節(jié)情況下的壓力都有相似的波動(dòng)且波動(dòng)幅值較大。而在此之后，如圖8(b)中，在泵正常工作與開啟5個(gè)調(diào)節(jié)裝置2種情況下壓力都有小幅度的波動(dòng)，并且波動(dòng)幅度隨著時(shí)間逐漸減小，在2.5 s左右波動(dòng)消失；而在圖8(a)中當(dāng)開啟1—4個(gè)調(diào)節(jié)裝置時(shí)，波動(dòng)幅度雖然隨著時(shí)間減小，但壓力波動(dòng)一直存在，整體波動(dòng)呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，直到升柱結(jié)束波動(dòng)消失。在降柱階段，圖8(b)中2曲線在降柱初期壓力出現(xiàn)波動(dòng)，隨著時(shí)間推移波動(dòng)逐漸減小，在降柱中期波動(dòng)消失；而圖8(a)中4條曲線在降柱階段其壓力隨著時(shí)間變化呈現(xiàn)有規(guī)律的波動(dòng)，且幅值越來越大，同時(shí)隨著調(diào)節(jié)裝置開啟數(shù)量的減少，壓力波動(dòng)的幅值也在變大。

圖8 支架立柱無桿腔壓力變化

4 結(jié)論

針對(duì)傳統(tǒng)變頻流量調(diào)節(jié)響應(yīng)滯后問題，提出一種閥配流柱塞泵新的流量調(diào)節(jié)方法。以BRW500/31.5乳化液泵為對(duì)象，基于AMESim軟件對(duì)提出的閥配流柱塞泵流量調(diào)節(jié)方法進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)以該泵模型作為液壓源對(duì)ZY6000/18.5/38型液壓支架供液系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析，得到以下結(jié)論：

(1)采用調(diào)節(jié)裝置短接進(jìn)液閥的結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)泵流量的方法是可行的。根據(jù)仿真結(jié)果，在目標(biāo)流量一定時(shí)，新型調(diào)節(jié)策略下泵能更快達(dá)到目標(biāo)值，當(dāng)泵流量從300 L/min增加到400 L/min時(shí)，調(diào)節(jié)時(shí)間減少了0.9 s左右；

(2)柱塞泵使用新型流量調(diào)節(jié)策略時(shí)，隨著開啟的調(diào)節(jié)裝置數(shù)量的減少，不論是空載還是帶負(fù)載，流量波動(dòng)幅度都會(huì)變大；

(3)系統(tǒng)流量的波動(dòng)會(huì)影響液壓缸無桿腔壓力的波動(dòng)，隨著調(diào)節(jié)裝置開啟數(shù)量的減少，液壓缸無桿腔壓力波動(dòng)在變大，相比正常工作時(shí)其波動(dòng)時(shí)間也更長。因此在流量調(diào)節(jié)時(shí)如果對(duì)流量波動(dòng)和壓力波動(dòng)有要求，最好采用5個(gè)調(diào)節(jié)裝置同時(shí)開啟的方法以減小系統(tǒng)流量與壓力的波動(dòng)。