基于AMESim的液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究

　， (江蘇師范大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 江蘇 徐州　221116)

引言

液壓支架作為煤礦綜采業(yè)的關(guān)鍵支護(hù)設(shè)備，在煤炭安全生產(chǎn)中具有非常重要的作用，因此在支架出廠時(shí)有必要對(duì)它的各種性能進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)液壓支架的性能進(jìn)行試驗(yàn)，主要是對(duì)立柱性能進(jìn)行試驗(yàn)，液壓支架立柱是液壓支架的關(guān)鍵部件，其支護(hù)性能的好壞直接影響到液壓支架的支護(hù)性能[1]。液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)是對(duì)液壓支架立柱在出廠前或大修后進(jìn)行檢驗(yàn)的試驗(yàn)設(shè)備。液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)是在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模被試立柱擬井下開(kāi)采工作面的實(shí)際工況，為液壓支架立柱的檢測(cè)提供一個(gè)框架式的受力空間，它以內(nèi)加載方式使被試立柱承受不同載荷的作用，以檢測(cè)支架立柱的各項(xiàng)性能，看其是否符合液壓支架立柱標(biāo)準(zhǔn)中各項(xiàng)試驗(yàn)的技術(shù)要求[2]。

液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的好壞直接影響到被測(cè)立柱的性能，因此必須對(duì)試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的研究主要是對(duì)其增壓過(guò)程中動(dòng)態(tài)性能的研究；增壓回路是液壓系統(tǒng)中的重要組成部分，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中起著至關(guān)重要的作用。目前，液壓支架立柱的額定工作壓力為40～50 MPa，而試驗(yàn)過(guò)程中所需的1.1倍和1.5倍的額定工作載荷以及1.25倍額定泵壓均由增壓回路中的雙向自動(dòng)增壓缸提供，因此增壓回路的動(dòng)態(tài)性能決定著整個(gè)液壓系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。本研究采用AMESim仿真軟件建立液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)增壓回路的仿真模型，并對(duì)其進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析，為實(shí)現(xiàn)增壓缸技術(shù)參數(shù)的優(yōu)化提供必要的理論及數(shù)據(jù)及支持，為提高增壓缸的增壓效率提供了理論基礎(chǔ)[3]。

1　液壓系統(tǒng)增壓回路的工作原理

液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)增壓回路的工作原理圖如圖1所示，系統(tǒng)的供油壓力為25 MPa、流量為90 L/min。該增壓回路主要由泵1、電機(jī)2、過(guò)濾器3、溢流閥4、單向閥5、三位四通電磁換向閥6、增壓缸7、高壓閥8、壓力傳感器9、壓力表10等組成[4]。其工作原理為：首先打開(kāi)電機(jī)2，電機(jī)2帶動(dòng)泵1旋轉(zhuǎn)，泵1將油液經(jīng)過(guò)濾器3-1從油箱中吸出，油液經(jīng)過(guò)溢流閥4-1流回油箱，使泵1出口壓力保持恒定；打開(kāi)三位四通電磁換向閥6，油液經(jīng)過(guò)電磁換向閥6進(jìn)入增壓缸7的低壓腔，經(jīng)增壓缸7增壓后，高壓油液由增壓缸7的高壓腔流經(jīng)單向閥5-4、高壓閥8-2、單向閥5-6、過(guò)濾器3-2進(jìn)入被試立柱的的活塞桿腔，使其壓力逐漸升高，進(jìn)而完成一次單向增壓過(guò)程；當(dāng)增壓缸活塞桿走到頭時(shí)，活塞桿碰到位移傳感器，使電磁換向閥6換向，增壓缸7開(kāi)始反向增壓，從而向被試立柱提供連續(xù)不斷的高壓油液。

1.泵　2.電機(jī)　3.過(guò)濾器　4.溢流閥　5.單向閥 6.三位四通電磁換向閥　7.增壓缸　8.高壓閥　9.壓力傳感器 10.壓力表　11.液控單向閥　12.電液換向閥圖1　液壓系統(tǒng)增壓回路原理圖

2　基于AMESim仿真模型的建立

根據(jù)液壓系統(tǒng)的增壓回路原理圖建立其AMESim仿真模型，適當(dāng)省略了過(guò)濾器等輔助元件，簡(jiǎn)化了仿真模型。液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)的液壓系統(tǒng)增壓回路在AMESim環(huán)境下建立的仿真模型如圖2所示。

圖2　AMESim環(huán)境下的增壓回路仿真模型

在AMESim仿真軟件中建模時(shí)，首先進(jìn)入草圖模式，從元件庫(kù)中直接選擇電機(jī)、液壓泵、溢流閥等標(biāo)準(zhǔn)液壓元件模型，增壓缸和立柱沒(méi)有可選的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件模型，則利用HCD庫(kù)搭建增壓缸模型和立柱模型，再通過(guò)管路把搭建好的各元件連接起來(lái)；然后進(jìn)入子模型模式，根據(jù)實(shí)際情況為每個(gè)元件選擇合適的數(shù)學(xué)模型，一般情況下為各元件選擇默認(rèn)的最簡(jiǎn)子模型；接著進(jìn)入?yún)?shù)模式，根據(jù)系統(tǒng)的要求和已選擇的液壓元件型號(hào)，設(shè)定各液壓元件的參數(shù)， 具體參數(shù)設(shè)置如表1所示；最后進(jìn)入運(yùn)行模式，設(shè)置仿真時(shí)間為100 s，仿真步長(zhǎng)為1 s，運(yùn)行搭建好的仿真模型。

表1　AMESim主要仿真參數(shù)設(shè)置(優(yōu)化后)

3　AMESim仿真結(jié)果分析

3.1　被試立柱活塞腔容積對(duì)增壓速度的影響

圖3是被試立柱直徑為600 mm、行程為4 m時(shí)增壓缸高、低壓腔壓力隨時(shí)間變化的曲線和增壓缸活塞位移(x)隨時(shí)間變化的曲線。

圖3　立柱直徑為600 mm時(shí)增壓缸高、低壓腔壓力曲線和對(duì)應(yīng)的活塞位移曲線

從圖3中可以看到，增壓缸低壓腔的壓力在t=69 s時(shí)達(dá)到最大壓力25 MPa，對(duì)應(yīng)的高壓腔的壓力為79 MPa， 此時(shí)增壓缸的活塞位移為535 mm。根據(jù)仿真結(jié)果可以計(jì)算出實(shí)際增壓比為3.16，比理論值3.19略小，這是由于增壓缸的泄漏和液壓油的壓縮造成的[5]。

從圖3中還可以看到，增壓缸高、低壓腔的壓力上升分為兩段，第一段壓力上升速度非常快，第二段壓力上升時(shí)間占了整個(gè)增壓過(guò)程的幾乎全部。這是因?yàn)樵谠鰤焊组_(kāi)始增壓之前，被試立柱中已經(jīng)被充液且充液壓力為31.5 MPa，因此，當(dāng)增壓缸增壓時(shí)，增壓缸高壓腔的壓力會(huì)迅速達(dá)到31.5 MPa，然后直至達(dá)到最大壓力，才是增壓缸實(shí)際需要向立柱提供的壓力。

表2是被試立柱直徑為300 mm、400 mm、500 mm、 600 mm時(shí)分別所需的增壓時(shí)間和增壓缸達(dá)到最大壓力時(shí)活塞的位移。

表2　不同立柱直徑下的AMESim仿真結(jié)果

對(duì)比表2中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，被試立柱的直徑越大，增壓時(shí)間越長(zhǎng)，同時(shí)增壓缸所需提供的高壓油液也越多；還可以看到，以上四種情況下，增壓缸的活塞位移均沒(méi)有超過(guò)最大行程600 mm。

3.2　油液體積彈性模量對(duì)增壓速度的影響

油液不同體積彈性模量下被試立柱活塞腔的壓力隨時(shí)間變化的曲線如圖4所示。

圖4　不同體積彈性模量下被試立柱活塞腔的壓力曲線

圖4a為體積彈性模量為1400 MPa時(shí)被試立柱活塞腔的壓力隨時(shí)間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=86 s時(shí)達(dá)到最大壓力76 MPa；圖4b為體積彈性模量為1700 MPa時(shí)被試立柱活塞腔的壓力隨時(shí)間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=69 s時(shí)達(dá)到最大壓力79 MPa；圖4c為體積彈性模量為2000 MPa時(shí)被試立柱活塞腔的壓力隨時(shí)間變化的曲線，從圖中可以看到被試立柱活塞腔的壓力在t=58 s時(shí)達(dá)到最大壓力79 MPa。

圖4a中被試立柱活塞腔的最大壓力為76 MPa，而不是79 MPa，這是因?yàn)檫@時(shí)增壓缸的一次單向增壓已經(jīng)結(jié)束，增壓缸的活塞位移也已達(dá)到最大行程，需經(jīng)電磁換向閥換向后，增壓缸反向增壓才能使被試立柱活塞腔的壓力達(dá)到最大壓力79 MPa。這說(shuō)明油液體積彈性模量過(guò)小，會(huì)造成油液壓縮過(guò)大，從而使增壓缸需要更多的油液來(lái)補(bǔ)充被壓縮的油液，增加了增壓的時(shí)間，導(dǎo)致了增壓缸的增壓效率降低。

對(duì)比圖4a～4c發(fā)現(xiàn)，油液體積彈性模量的大小對(duì)被試立柱活塞腔壓力的升高有很大影響，體積彈性模量越大，被試立柱活塞腔壓力達(dá)到最大壓力的時(shí)間就越短。油液的體積彈性模量表示的是油液的可壓縮性，這對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響很大，因此，選擇合適的油液體積彈性模量對(duì)提高增壓缸的增壓效率非常重要[6]。

4　結(jié)論

使用AMESim仿真軟件建立了液壓支架立柱試驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)增壓回路的仿真模型，并進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性分析；通過(guò)修改不同的參數(shù)值，得到增壓回路增壓過(guò)程中的各種仿真曲線；同時(shí)根據(jù)仿真結(jié)果，分析了增壓回路的影響因素，優(yōu)化了增壓缸的技術(shù)參數(shù)，提高了增壓缸的增壓效率。這對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]王靜，李永堂，劉志奇.液壓支架試驗(yàn)臺(tái)加載液壓系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化，2010,(6):28-30.

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[4]陳鵬偉，解寧，郭津津.基于AMESim的電液比例轉(zhuǎn)速同步系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].液壓與氣動(dòng)，2013，(12)：80-83.

[5]余銳平，肖世耀，羅成輝.基于AMESim 的液壓增壓缸的仿真分析[J].佛山陶瓷，2010，(2)：25-27.

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