馬 帥

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團臺頭前灣煤業(yè)有限公司， 山西 鄉(xiāng)寧 042100）

0 引言

液壓支架作為煤礦綜采工作面生產(chǎn)的支護設(shè)備，其性能對于保障綜采工作面的安全生產(chǎn)具有重要意義。我國所研發(fā)的液壓支架在實際應(yīng)用存在諸多的問題，可以歸結(jié)如下：由于液壓支架的頂梁過短導(dǎo)致其不能夠?qū)敯暹M行及時支護，從而導(dǎo)致冒頂、片幫等故障的發(fā)生；液壓支架液壓系統(tǒng)的安全閥卸載流量過小，導(dǎo)致設(shè)備由于阻力過大而出現(xiàn)液壓缸爆裂故障?？傊?，液壓支架性能的不足對煤礦安全生產(chǎn)帶來了極大的安全隱患。基于此將結(jié)合液壓支架機械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)對其動態(tài)性能進行仿真分析，為今后優(yōu)化液壓支架的機械和液壓系統(tǒng)提供理論支撐。

1 液壓支架概述

液壓支架作為綜采工作面安全生產(chǎn)關(guān)鍵支護設(shè)備，其主要結(jié)構(gòu)包括有頂梁、立柱、掩護梁、底座以及液壓控制系統(tǒng)等。在實際生產(chǎn)中，液壓支架根據(jù)生產(chǎn)要求和工況完成升架、降架、移架以及推溜等基本動作。本文所研究液壓支架為掩護式支架，具體型號為2×2860，該型液壓支架的具體參數(shù)如表1 所示。

表1 液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

雖然，國內(nèi)學(xué)者已經(jīng)對液壓支架的動態(tài)特性展開系列研究[1-2]；但是，其僅僅是針對液壓支架的機械結(jié)構(gòu)完成的。本文將從液壓支架液壓系統(tǒng)層面出發(fā)對其動態(tài)特性展開仿真研究。

2 液壓支架立柱液壓系統(tǒng)仿真模型的構(gòu)建與驗證

本文將基于AMESim 軟件建立液壓支架液壓系統(tǒng)的仿真模型，液壓支架的液壓系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 液壓支架液壓系統(tǒng)組成

如圖1 所示，從元件的功能不同可將液壓支架液壓系統(tǒng)的組成部分分為動力元件、執(zhí)行元件、控制元件以及輔助元件等[3-4]。其中，動力元件主要指的是液壓油泵；執(zhí)行元件主要包括液壓油缸、液壓馬達等執(zhí)行部件；控制元件主要指的是對流量、方向以及壓力等控制的相關(guān)閥等；輔助元件包括有液壓管路、儲能器、過濾器等。

2.1 液壓支架立柱液壓系統(tǒng)仿真模型構(gòu)建

根據(jù)液壓支架的組成部分，立柱為其承受載荷的主要部件，本文重點對液壓支架立柱的動態(tài)性能展開研究?；贏MESim 軟件對立柱的關(guān)鍵液壓部件進行建模，包括立柱本體、大流量安全閥、液控單向閥、控制閥以及泵站等，基于AMESim 軟件所建立的液壓支架立柱液壓系統(tǒng)仿真模型如圖2 所示。

圖2 液壓支架立柱液壓系統(tǒng)仿真模型

2.2 液壓支架立柱仿真模型的驗證

為了后續(xù)對液壓支架液壓系統(tǒng)動態(tài)特性分析能夠獲得真實的數(shù)據(jù)，可真正意義上指導(dǎo)液壓支架實踐生產(chǎn)應(yīng)用。本小節(jié)對上述所構(gòu)建的液壓支架立柱的仿真模型的準(zhǔn)確性進行驗證。驗證思路：根據(jù)實際工況對模型中的參數(shù)進行設(shè)置，并添加相應(yīng)的約束條件，對液壓支架立柱的升柱過程進行仿真，并對仿真結(jié)果與實際情況對比，從而驗證模型的準(zhǔn)確性，立柱升柱階段仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 液壓支架立柱升柱階段仿真結(jié)果

如圖3 所示，液壓支架立柱在10.5 s 時刻升至3 m，即實現(xiàn)了液壓支架與工作面頂板的接觸，此時對應(yīng)的液壓支架下腔壓力為27.5 MPa；隨著液壓支架進入初撐階段，液壓支架下腔壓力不斷升高，并在15 s達到額定初撐力31.5 MPa，即實現(xiàn)了液壓支架對頂板的初撐操作。與實踐生產(chǎn)工況對比，仿真結(jié)果對立柱工況的模擬基本符合實際升柱操作，即所構(gòu)建的液壓系統(tǒng)仿真模型可用于下一階段動態(tài)特性仿真結(jié)果的分析。

3 液壓支架動態(tài)特性仿真分析

本文將采用ADAMS 和AMESim 軟件對液壓支架動態(tài)特性進行仿真分析。將所建立的聯(lián)合仿真模型導(dǎo)入AMESim 軟件中，完成參數(shù)設(shè)置后開始整個聯(lián)合仿真，所構(gòu)建的聯(lián)合仿真模型如圖4 所示。

圖4 液壓支架動態(tài)特性聯(lián)合仿真模型

液壓支架液壓系統(tǒng)中的液壓泵、單向閥以及安全閥均為其關(guān)鍵部件。以液壓泵為例，本節(jié)將在上述所構(gòu)建的聯(lián)合仿真模型的基礎(chǔ)上對液壓泵的動態(tài)特性進行研究。

3.1 不同泵排量下液壓支架的動態(tài)特性

此種情形下的仿真條件設(shè)置如下：液壓馬達的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，溢流閥的額定壓力為31.5 MPa（315 bar）。從理論上講，液壓泵排量的大小將直接決定液壓支架立柱的升柱或者降柱的速度。本小節(jié)對液壓泵排量分別為150L/min、250L/min 和350L/min 液壓支架立柱完成升柱的速度進行對比，對比結(jié)果如表2 所示。

表2 液壓泵排量對立柱升柱速度的影響

由表2 可知，隨著液壓泵排量的增加，對應(yīng)液壓支架升柱的時間縮短，即升柱速度提升。但是，當(dāng)液壓泵排量過大時，液壓支架立柱的位移曲線波動嚴(yán)重，即對液壓系統(tǒng)和機械元器件本身造成沖擊。

3.2 不同溢流閥壓力下液壓支架的動態(tài)特性

此種情形下的仿真條件設(shè)置如下：液壓馬達的轉(zhuǎn)速為1 000 r/min，液壓泵的排量為250 L/min，分別對溢流閥的額定壓力24 MPa、28 MPa 以及31.5 MPa 下對液壓支架立柱的影響開展研究。

通過仿真分析可知：在液壓泵排量的條件下，溢流閥設(shè)定的額定壓力越低，升柱完成所需的時間越短；反之，所需時間越長。但是，當(dāng)溢流閥額定壓力設(shè)定過低時容易導(dǎo)致液壓支架初撐力不足而不能夠?qū)ぷ髅骓敯暹M行有效支護。

3.3 液控單向閥卸載仿真結(jié)果分析

液控單向閥作為一個可以實現(xiàn)雙向流通的閥體，在液壓支架降柱過程中，需要打開單向閥完成卸荷操作。本小節(jié)對液控單向閥卸載過程中，液控口等效直徑為3 mm 和2 mm 時進行分析，仿真結(jié)果如圖5 所示。

由圖5 可以看出，在同種工況下，當(dāng)液控單向閥閥口等效直徑較小時，在降柱過程中液控單向閥的閥芯位移振動相對距離，從而導(dǎo)致其中的流量出現(xiàn)振蕩，進而對設(shè)備造成沖擊。

4 結(jié)語

液壓支架為綜采工作面的關(guān)鍵支護設(shè)備，液壓支架液壓系統(tǒng)各零部件的動態(tài)特性對于保證整機設(shè)備實現(xiàn)高效的支護，保證設(shè)備整機的使用具有重要意義。其中，液壓支架泵在為立柱升降的動力源，排量越大越能夠?qū)崿F(xiàn)對頂板的快速支護；但是，排量過大時容易對液壓系統(tǒng)元器件造成沖擊。對于液控單向閥而言，在降柱過程中，閥口等效直徑過小極易導(dǎo)致閥芯位移出現(xiàn)嚴(yán)重的振蕩，從而對設(shè)備造成沖擊。因此，需結(jié)合支護效率和避免設(shè)備沖擊兩個方面的因素對液壓支架元器件參數(shù)進行優(yōu)化設(shè)計。