基于AMEsim的礦用支架液壓元件的仿真研究

龐有利

（大同市同煤集團(tuán)機(jī)電裝備公司中央機(jī)廠， 山西 大同 037000）

引言

根據(jù)已有的研究資料表明，在我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)中煤炭仍然占有最大比例，煤炭仍然是關(guān)系我國(guó)經(jīng)濟(jì)民生的主要基礎(chǔ)能源。從煤炭的開(kāi)采獲取方式來(lái)看，井下采煤作業(yè)仍然是獲取煤炭資源的重要方式。井下采煤作業(yè)主要依據(jù)復(fù)雜的綜采系統(tǒng)開(kāi)展工作，其中液壓支架的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板的有效支撐，以保障系統(tǒng)的正常安全運(yùn)行，同時(shí)其也是維護(hù)井下工作人員生命安全的重要防護(hù)設(shè)備。由液壓支架的功能來(lái)定義，液壓支架由控制單元、液壓?jiǎn)卧?、結(jié)構(gòu)單元這三大單元組成，單元間相互協(xié)調(diào)工作，使得液壓支架能夠在井下快速移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)綜采面頂板的有效支撐和控制，確保采煤作業(yè)的安全順利進(jìn)行。就目前而言，液壓支架的設(shè)計(jì)、使用均顯粗糙，其中有許多保守設(shè)計(jì)或使用的情況，究其原因主要是液壓系統(tǒng)的控制精度不夠，難以對(duì)出現(xiàn)的各種工況進(jìn)行及時(shí)有效的反饋。

針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，文章基于AMEsim仿真軟件開(kāi)展支架液壓系統(tǒng)中部分液壓元件（包括溢流閥、液控單向閥）的仿真研究，旨在分析影響這些元件工作性能的參數(shù)，并由此確定最佳工作性能的匹配參數(shù)系列，為今后在其他類似液壓元件的設(shè)計(jì)、選型、使用等場(chǎng)景下提供理論依據(jù)。

1 液壓支架類型及其參數(shù)確定

選取山西某煤礦工作面的條件作為分析基礎(chǔ)，其煤層厚度為2.1～7.7 m，煤層傾斜角度為3°～12°。底板比壓為1.1 MPa，所采煤層不存在斷層、褶皺等現(xiàn)象。因此根據(jù)地質(zhì)條件與現(xiàn)有的液壓支架設(shè)計(jì)、選型原則，最終選擇ZY5000型液壓支架。仿真時(shí)主要考慮參數(shù)包括以下：調(diào)高范圍1.8～3.8 m、支架寬度1.43～1.6 m、支架中心距 1.5 m、工作阻力 5 000 kN、底板比壓1.55 MPa、夜泵壓力32 MPa、支架推移步距0.8 m。

2 支架液壓元件的仿真

目前我國(guó)一般采用多體動(dòng)力學(xué)分析軟件如ADAMS等對(duì)大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開(kāi)發(fā)，主要過(guò)程為分析設(shè)備各部件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、動(dòng)態(tài)特性、分析部件強(qiáng)度、根據(jù)軟件分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)備各部件的參數(shù)調(diào)整、改進(jìn)設(shè)計(jì)直至滿足要求為止。這樣的作法顯然忽略了部件間的耦合關(guān)系，使得整體分析變成了單個(gè)部件的動(dòng)力學(xué)或力學(xué)分析，最終導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不夠精確、設(shè)備部件間的協(xié)調(diào)性及優(yōu)化程度不夠。

為在液壓支架的設(shè)計(jì)選型時(shí)避免上述問(wèn)題，文章基于AMEsim仿真軟件針對(duì)支架的選型結(jié)果進(jìn)行建模仿真，通過(guò)液壓回路及液壓元件的建模仿真，可準(zhǔn)確模擬支架的工作狀態(tài)并分析影響支架工作性能的結(jié)構(gòu)或系統(tǒng)參數(shù)[1-2]。

2.1 溢流閥仿真模型的建立

在AMEsim軟件中，打開(kāi)草圖編輯模式，調(diào)用軟件提供的機(jī)械標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、液壓元件標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)、信號(hào)控制單元建立如下頁(yè)圖1所示的液壓支架溢流閥仿真模型。在此次仿真中針對(duì)閥孔與閥芯直徑、溢流閥彈簧剛度、活塞直徑等參數(shù)對(duì)溢流閥工作性能的影響進(jìn)行分析，設(shè)置三組參數(shù)，參數(shù)設(shè)置如下頁(yè)表1所示。仿真時(shí)設(shè)置仿真時(shí)間為10 s，而時(shí)間間隔設(shè)置在0.01 s。

2.2 液控單向閥仿真模型的建立

同理建立液控單向閥的AMEsim仿真模型，如下頁(yè)圖2所示。

設(shè)置三組數(shù)據(jù)以分析各參數(shù)對(duì)液控單向閥工作性能的影響，參數(shù)設(shè)置如下頁(yè)表2所示。

圖1 溢流閥AMEsim仿真模型

表1 溢流閥參數(shù)設(shè)置

圖2 液控單向閥AMEsim仿真模型

表2 液控單向閥參數(shù)設(shè)置

3 支架液壓元件仿真結(jié)果的分析

3.1 溢流閥仿真結(jié)果的對(duì)比分析

針對(duì)溢流閥的仿真，需要關(guān)注的是受溢流閥工作性能影響的執(zhí)行元件液壓缸的速度變化，因此將液壓缸速度變化作為評(píng)判溢流閥工作性能好壞的指標(biāo)。下面根據(jù)溢流閥的仿真模型對(duì)表1中的三種組別進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖3所示。

從圖3液壓缸速度變化曲線的對(duì)比中可以看出：將組別1與組別3的曲線進(jìn)行對(duì)比分析，可以知道彈簧剛度對(duì)液壓缸的速度變化有直接影響。在起初工作階段，彈簧剛度大易造成液壓缸在初期運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生較大且長(zhǎng)時(shí)間的不穩(wěn)定振動(dòng)，圖中表明當(dāng)剛度為200 N/mm時(shí)，液壓缸的速度變化振蕩時(shí)間接近2 s，而當(dāng)彈簧剛度為100 N/mm時(shí)，液壓缸速度變化震蕩時(shí)間不到1 s，兩相比較選擇彈簧剛度為100 N/mm；將組別1與組別2的曲線進(jìn)行對(duì)比分析可知活塞直徑也影響著液壓缸的速度變化，具體表現(xiàn)為活塞直徑較大時(shí)，液壓缸速度變化震蕩幅度較小，持續(xù)時(shí)間相對(duì)較短。圖中表明活塞直徑為30 mm，液壓缸速度變化震蕩時(shí)間持續(xù)0.5 s，而當(dāng)直徑為24 mm時(shí)，持續(xù)時(shí)間達(dá)到1 s。因此就液壓缸速度變化的角度應(yīng)選擇組別2的數(shù)據(jù)是合理的。

圖3 液壓缸速度變化曲線

3.2 液控單向閥仿真結(jié)果對(duì)比分析

分析液控單向閥的仿真結(jié)果時(shí)，以立柱速度變化作為分析指標(biāo)。下面根據(jù)液控單向閥的仿真模型對(duì)表2中的三種組別進(jìn)行仿真分析，仿真曲線如下頁(yè)圖4所示。

圖4 立柱速度變化曲線

對(duì)比分析圖4中曲線結(jié)果可知：由組別1與組別2曲線可知，活塞桿直徑分別為5 mm、10 mm時(shí)液壓桿立柱的運(yùn)行速度基本一樣，但5 mm直徑活塞桿的速度震蕩幅度是更小的，當(dāng)二者速度相同為0.035 m/s時(shí)，直徑5 mm的速度振蕩最大值為0.043m/s，而直徑10 mm的活塞桿速度震蕩最大值在0.061 m/s；由組別1與組別3曲線可知，彈簧剛度分別為1 N/mm與5 N/mm時(shí)立柱運(yùn)行速度大致相同，但剛度為1 N/mm時(shí)的速度振蕩幅度時(shí)遠(yuǎn)小于剛度為5 N/mm時(shí)的。因此就從立柱運(yùn)行速度的角度來(lái)看，選擇組別1的設(shè)計(jì)定型數(shù)據(jù)是合理的[3-5]。

4 結(jié)論

1）針對(duì)溢流閥，活塞桿直徑與彈簧剛度對(duì)其工作性能有直接影響，且活塞桿直徑越大、彈簧剛度越小時(shí)執(zhí)行元件液壓桿的速度變化震蕩幅度越小，震蕩持續(xù)時(shí)間越短；

2）針對(duì)溢流閥，液控單向閥應(yīng)選擇較小的彈簧剛度及活塞桿直徑。

3）該研究可直接用于液壓元件的設(shè)計(jì)、選型過(guò)程中，也為其他支架液壓元件的選用、設(shè)計(jì)提供了分析思路和借鑒，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。