沖擊載荷作用下液壓支架立柱液壓系統(tǒng)特性研究

翟國棟，梁志豪，曲建光，王遠(yuǎn)德，暢江波

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 機(jī)電與信息工程學(xué)院，北京 100083；2.霍州煤電集團(tuán)公司 呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200)

液壓支架立柱回路是支架液壓系統(tǒng)中最為重要和最為關(guān)鍵的回路。當(dāng)頂板斷裂迅速下沉?xí)r，立柱內(nèi)部乳化液壓力迅速增大，支架的支撐阻力增大。文獻(xiàn)[1]將液壓支架等效為彈性體，用階躍載荷模擬基本頂斷裂或垮塌時對支架的沖擊力，得出沖擊載荷作用位置對液壓支架各鉸接點的影響。文獻(xiàn)[2]針對特厚煤層綜放自動化開采技術(shù)難題，研究了大采高綜放工作面液壓支架與圍巖耦合作用關(guān)系，分析了液壓支架合理工作阻力確定方法。文獻(xiàn)[3]分析了綜采面礦壓監(jiān)測資料，建立了支架-圍巖相互作用模型，探討了支架工作狀態(tài)與厚硬頂板之間的關(guān)系。文獻(xiàn)[4]以外加載液壓支架試驗裝置為平臺，分析了液壓支架壓縮量的影響因素、變化規(guī)律。文獻(xiàn)[5]分析了沖擊載荷作用于掩護(hù)梁不同位置時，掩護(hù)梁應(yīng)力的變化。文獻(xiàn)[6]采用理論計算、AMESim特性仿真等方法對立柱沖擊系統(tǒng)進(jìn)行研究，利用AMESim軟件模擬了沖擊試驗時立柱內(nèi)腔壓力快速升高的特性。文獻(xiàn)[7]利用光滑粒子流體動力學(xué)方法，對所建支架立柱模型進(jìn)行沖擊模擬，解決了立柱流固耦合的問題。文獻(xiàn)[8]基于固液耦合理論建立了液壓支架的有限元分析模型，有效模擬了液壓支架立柱在受到?jīng)_擊時的應(yīng)力和應(yīng)變情況。文獻(xiàn)[9]通過對液壓支架的內(nèi)生能量與外生能量進(jìn)行統(tǒng)一換算，得出基于能量原理的綜采支架工作阻力計算方法。

本文在建立立柱液壓系統(tǒng)中的立柱模型、大流量安全閥模型和重錘模型的基礎(chǔ)上，建立了立柱液壓系統(tǒng)的沖擊模型；同時對立柱進(jìn)行沖擊試驗，研究了立柱液壓系統(tǒng)的沖擊響應(yīng)特性，得到了立柱缸體內(nèi)部乳化液壓力峰值及變化曲線，為供液系統(tǒng)及液壓支架設(shè)計提供了重要依據(jù)。

1 立柱沖擊模型的建立

1.1 立柱液壓系統(tǒng)主要元件的建模

由于立柱、大流量安全閥對液壓支架立柱的抗沖擊性能起決定性作用，在液壓元件設(shè)計庫(HCD)中搭建了相應(yīng)的液壓模型。而對液壓支架立柱的抗沖擊性能作用不大的元件，可以從液壓庫中直接調(diào)用[10]。

1.1.1 立柱的建模

以ZY8640/2550/5500型掩護(hù)式支架立柱為研究對象，該支架立柱是雙伸縮立柱，主要由一級缸、二級缸、活柱、導(dǎo)向套和密封圈等零部件組成。應(yīng)用AMESim仿真軟件分析缸體內(nèi)部乳化液受沖擊后壓力變化，在液壓元件設(shè)計庫中選擇合適的元件搭建立柱模型，如圖1所示。

圖1 立柱的AMESim模型

在設(shè)置仿真參數(shù)時，使用ZY8640/2550/5500型掩護(hù)式支架立柱的實際結(jié)構(gòu)。如圖1所示，BAP11和BAP12組成固定缸體，根據(jù)立柱結(jié)構(gòu)，BAP11中的活塞直徑為400mm、桿徑為380mm，BAP12中的活塞直徑為400mm、桿徑為0mm；BRP17和BRP18組成可移動的缸體，根據(jù)結(jié)構(gòu)，BRP17中的活塞直徑為290mm、桿徑為260mm，BRP18中的活塞直徑為290mm、桿徑為0mm；立柱沖擊過程中主要承受直接頂自重產(chǎn)生的靜載荷和基本頂跨落形成的沖擊載荷，選用能夠相對運(yùn)動的質(zhì)量塊MAS30模擬直接頂產(chǎn)生的靜載荷及頂梁的自重，根據(jù)實際工況，頂梁重量m1為5250kg、直接頂?shù)刃з|(zhì)量m2為62450kg；考慮到活塞桿和活塞間的泄露，用BAF02來表示泄漏程度，根據(jù)活塞結(jié)構(gòu)，活塞外徑為290mm、直徑間隙為0.02mm、接觸長度為222mm；用動態(tài)容積模塊BHC11-1和BHC11-2來表示立柱上下兩腔，由上下腔實際結(jié)構(gòu)，上腔閉死容積為108000cm3、下腔閉死容積為200000cm3。主要參數(shù)見表1。

表1 立柱主要參數(shù)

1.1.2 大流量安全閥的建模

在液壓元件設(shè)計庫中搭建大流量安全閥的仿真模型，選用確定容積的活塞BAP12-1和可變?nèi)莘e的活塞BAP0RT模擬閥芯左腔，根據(jù)安全閥結(jié)構(gòu)，BAP12-1中的桿徑為0mm、零位移腔長為2mm，BAP0RT中的桿徑為0mm；用活塞BAP016模擬閥芯右腔，根據(jù)安全閥結(jié)構(gòu)，BAP016中的桿徑為2mm、零位移腔長為3mm，根據(jù)缺省數(shù)值，彈簧剛度為350N/mm、零位移彈簧力為2010N；用質(zhì)量塊MAS010RT表示頂桿，根據(jù)實際工況，頂桿位移下限為0mm、位移上限為7mm；用帶環(huán)形孔的短管BAO001表示閥芯，根據(jù)閥芯實際結(jié)構(gòu)，節(jié)流孔數(shù)為10；用動態(tài)容積模塊BHC11表示閥芯容腔，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)，BHC11-3閉死容積為10cm3、BHC11-4閉死容積為80cm3。大流量安全閥模型如圖2所示，主要參數(shù)見表2。

圖2 大流量安全閥AMESim模型

表2 大流量安全閥主要參數(shù)

1.2 重錘的建模

重錘沖擊模型是用質(zhì)量塊MAS002自由下落沖擊立柱，參考實際工況，質(zhì)量塊MAS002質(zhì)量為28000kg，傾角為90°；阻尼器LSTP00A中的間隙來限制質(zhì)量塊下落的距離，根據(jù)缺省數(shù)值，LSTP00A接觸剛度為100000N/mm、初始位置碰撞間隙為400mm，來減弱質(zhì)量塊和立柱之間的反彈量。重錘沖擊模型如圖3所示，主要參數(shù)見表3。

圖3 重錘AMESim模型

1.3 立柱液壓系統(tǒng)的沖擊模型

立柱液壓系統(tǒng)對立柱的抗沖擊性能影響較小的元件，可以直接從液壓庫中選擇模型調(diào)用。用PU001模擬液壓泵，根據(jù)軟件缺省數(shù)值，泵排量為4000 cc/rev；用PM000模擬馬達(dá)，根據(jù)軟件缺省數(shù)值，軸轉(zhuǎn)速為1000 rev/min；用RV000模擬溢流閥，根據(jù)缺省數(shù)值，安全閥破裂壓力為31.5MPa，主要參數(shù)見表4。

表3 重錘主要參數(shù)

表4 部分元件的主要參數(shù)

從液壓設(shè)計庫中調(diào)用液壓元件模型，從機(jī)械庫中調(diào)用電機(jī)元件模型，從信號庫中調(diào)用脈沖信號元件模型，將這些元件與立柱模型，大流量安全閥模型，落錘模型等按液壓支架原理連接起來，在AMESim中搭建液壓回路模型，組成立柱液壓系統(tǒng)的沖擊仿真模型如圖4所示。

圖4 立柱液壓系統(tǒng)AMESim沖擊仿真模型

2 AMESim仿真模型運(yùn)算

完成立柱液壓系統(tǒng)沖擊仿真模型草圖后，還需要給定約束條件，完成外部負(fù)載的設(shè)置。根據(jù)國標(biāo)《煤礦用液壓支架第2部分：立柱和千斤頂技術(shù)條件》(GB25974.1—2010)要求：立柱用不小于10000kg重物下落沖擊質(zhì)量軸向[10]；在實際采場中，斷落巖塊的下落速度一般不超過3m/s；立柱缸體腔內(nèi)最大壓力均在沖擊發(fā)生作用0.1s內(nèi)出現(xiàn)[11]。因此，為了滿足試驗要求，設(shè)落錘質(zhì)量為28000kg，接觸速度為3m/s，沖擊時間為0.15s。假設(shè)對立柱的沖擊是發(fā)生在支架承載恒阻階段，需要利用換向閥完成支架的升柱動作并保壓。利用信號、控制庫中分段線性信號源完成上述參數(shù)設(shè)置，進(jìn)入仿真模式，設(shè)置仿真終止時間和輸出時間間隔，然后進(jìn)行計算。

3 AMESim仿真結(jié)果分析

3.1 立柱升柱承載階段

以x軸代表響應(yīng)時間，y軸代表一級缸內(nèi)壓力，立柱升柱階段壓力-時間曲線如圖5所示。開始階段存在一段零壓力區(qū)，是高壓乳化液從液壓泵到立柱腔體所需要的必要耗時；前0.1s內(nèi)立柱內(nèi)部壓力不斷升高，二級缸和活柱外伸到立柱的限制位置，此時立柱整體長度為5m；當(dāng)立柱升到限制極限位置時，立柱內(nèi)腔的壓力穩(wěn)定在工作壓力42.4MPa附近，液壓泵停止供液，液控單向閥關(guān)閉，達(dá)到了立柱的設(shè)定工作壓力。

圖5 立柱升柱階段壓力-時間曲線圖

3.2 立柱受沖擊后缸體內(nèi)壓力變化

以x軸代表響應(yīng)時間，y軸代表一級缸內(nèi)壓力，受沖擊后的壓力-時間曲線如圖6所示。以x軸代表響應(yīng)時間，y軸代表二級缸內(nèi)壓力，受沖擊后的壓力-時間曲線如圖7所示。彈性制動器中的間隙為400mm，重錘自由落體需要0.28s接觸到立柱體。立柱系統(tǒng)受到重錘沖擊后，內(nèi)部乳化液壓力增大，一級缸內(nèi)乳化液壓力在22ms內(nèi)達(dá)到84.32MPa，二級缸在27ms內(nèi)達(dá)到166.94MPa。二級缸內(nèi)壓力明顯大于一級缸內(nèi)壓力。主要由于二級缸相對于一級缸尺寸較小，內(nèi)部高壓乳化液較少，根據(jù)能量守恒定律，二級缸內(nèi)乳化液壓力能比較大。

圖6 一級缸內(nèi)部液體壓力-時間曲線圖

圖7 二級缸內(nèi)部液體壓力-時間曲線圖

3.3 不同條件下立柱受沖擊作用的影響分析

3.3.1 不同重錘質(zhì)量條件下的沖擊試驗

以x軸代表響應(yīng)時間，y軸代表一級缸內(nèi)壓力，實線為重錘質(zhì)量為28000kg情況下的壓力-時間曲線，虛線為重錘質(zhì)量為34000kg情況下的壓力-時間曲線，如圖8所示。兩種情況下出現(xiàn)壓力峰值分別為84.32MPa、93.92MPa，但達(dá)到壓力峰值的響應(yīng)時間都在0.312s左右。由此可見，質(zhì)量較大的重錘產(chǎn)生的沖擊能量更大，但由于重錘質(zhì)量相差較小，所以兩者達(dá)到壓力峰值的響應(yīng)時間基本相同。

圖8 不同質(zhì)量沖擊下的壓力-時間曲線圖

圖9 不同高度沖擊下的壓力-時間曲線圖

3.3.2 不同下落高度條件下的沖擊試驗

以x軸代表響應(yīng)時間，y軸代表一級缸內(nèi)壓力，實線表示重錘下落高度為400mm情況下的壓力-時間曲線，虛線表示重錘下落高度為500mm情況下的壓力-時間曲線，如圖9所示。兩種情況下，沖擊開始時間雖相差0.017s，但峰值出現(xiàn)時間也相差0.017s。由于重錘下落高度相差較小，所以兩者壓力達(dá)到峰值的響應(yīng)時間基本相同。

4 結(jié) 論

利用AMESim仿真軟件搭建了立柱液壓系統(tǒng)的沖擊模型，對系統(tǒng)中關(guān)鍵元件立柱和大流量安全閥，按照它們的實際尺寸及特性進(jìn)行模型重建，按照國家對煤礦用液壓支架標(biāo)準(zhǔn)要求和實際情況，對立柱進(jìn)行沖擊試驗。在立柱升柱承載階段，液壓支架立柱的額定工作壓力設(shè)定為42.4MPa。在沖擊載荷作用下，一級缸內(nèi)液體的最大壓力84.32MPa，二級缸內(nèi)液體的最大壓力166.94MPa，二級缸的壓力明顯大于一級缸，生產(chǎn)實踐中需要加強(qiáng)二級缸的強(qiáng)度及抗沖擊性能。在重錘質(zhì)量為28000～34000kg 和下落高度為400～500mm時液壓支架立柱系統(tǒng)達(dá)到壓力峰值的響應(yīng)時間基本一致，可以設(shè)定更大的重錘質(zhì)量范圍和下落高度范圍來進(jìn)一步研究液壓支架立柱的沖擊響應(yīng)性能。