基于AMESim與ADAMS的液壓支架機(jī)液聯(lián)合仿真分析

池澤軍

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)麻家梁煤業(yè)有限公司，山西 朔州 036000）

引言

作為煤礦井下最重要的支護(hù)設(shè)備，液壓支架在煤礦安全生產(chǎn)中占據(jù)著十分重要的地位。受技術(shù)發(fā)展水平的限制，前期液壓支架設(shè)備在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，通常是將機(jī)械部分與液壓部分分開(kāi)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后組合，并未將機(jī)械、液壓部分融為一體進(jìn)行聯(lián)合設(shè)計(jì)，造成液壓支架在煤礦井下工作時(shí)運(yùn)動(dòng)沖擊大、支護(hù)可靠性差，給煤礦井下的安全生產(chǎn)造成了極大的隱患。為了對(duì)液壓支架機(jī)液一體化運(yùn)行時(shí)的動(dòng)態(tài)支護(hù)特性進(jìn)行研究，本文將AMESim與ADAMS仿真分析軟件進(jìn)行聯(lián)合，通過(guò)轉(zhuǎn)換接口實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)與機(jī)械部分的聯(lián)動(dòng)運(yùn)行，高度模擬了液壓支架的機(jī)液聯(lián)合工作過(guò)程，為優(yōu)化液壓支架機(jī)液系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提升工作效率和支護(hù)可靠性提供了理論基礎(chǔ)。

1 液壓支架的工作原理

液壓支架在實(shí)際應(yīng)用中，主要包括升架、降柱、移架、推溜等動(dòng)作，其均通過(guò)液壓系統(tǒng)調(diào)節(jié)機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。在升架階段，液壓系統(tǒng)控制液壓油進(jìn)入到立柱活塞桿的下腔，推動(dòng)活塞桿帶動(dòng)液壓支架的頂梁向上運(yùn)行，直到頂梁和巷道頂板接觸系統(tǒng)繼續(xù)增壓，直到達(dá)到設(shè)定的初撐力所對(duì)應(yīng)的工作壓力，然后系統(tǒng)進(jìn)入到保壓的狀態(tài)，此時(shí)成為初撐階段。當(dāng)液壓支架在工作時(shí)，隨著綜采作業(yè)的進(jìn)行，頂板巷道對(duì)液壓支架頂梁的壓力不斷增加，此時(shí)液壓系統(tǒng)的壓力會(huì)逐漸升高，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的溢流壓力時(shí)，系統(tǒng)發(fā)生溢流，維持壓力保持不變，并隨著頂板的下沉逐漸降低立柱的高度，此階段稱之為溢流承載階段。當(dāng)支護(hù)完成需要調(diào)整液壓支架位置時(shí)，液壓系統(tǒng)控制立柱逐漸降低，使頂梁和巷道頂板脫離，此時(shí)稱之為降柱階段。當(dāng)液壓支架需要移動(dòng)位置時(shí)，則通過(guò)推移千斤頂將液壓支架前拉，實(shí)現(xiàn)位置的移動(dòng)，液壓支架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 液壓支架載荷作用下的受力分析

圖1 液壓支架結(jié)構(gòu)示意圖

液壓支架在煤礦井下巷道頂板壓力作用下的受力結(jié)構(gòu)如圖2所示[1]，圖2中E1表示液壓支架立柱與豎直方向的夾角，E2表示液壓支架平衡千斤頂與豎直方向的夾角。

圖2 液壓支架受力示意圖

對(duì)液壓支架在載荷作用下的受力情況進(jìn)行分析，各力對(duì)于液壓支架的運(yùn)動(dòng)連桿機(jī)構(gòu)的力的平衡方程可表示為[2]：

式中：P為液壓支架立柱工作時(shí)總的工作阻力；r1為立柱到四連桿瞬心O的距離；b為頂梁到連桿銷接點(diǎn)的垂直距離；a為連桿銷接點(diǎn)到四連桿瞬心O的水平距離；φ為連桿1與水平方向的夾角；f為液壓支架頂梁和巷道頂板間的摩擦系數(shù)；Q為液壓支架所受合力；x為合力Q作用點(diǎn)離連桿銷接點(diǎn)的距離。

3 聯(lián)合仿真分析模型的建立

利用ADAMS仿真分析軟件建立液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)的分析模型[4-7]，利用AMEsim建立液壓系統(tǒng)的仿真分析模型，然后通過(guò)接口軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的互聯(lián)互通，聯(lián)合仿真分析模型如圖3所示。在仿真分析時(shí)所用的馬達(dá)仿真參數(shù)設(shè)置為1 000 r/min，所用的定量泵排量為400 mL/r，溢流閥的開(kāi)啟壓力為31.5 MPa，溢流量為1.5 L/（min·bar），應(yīng)用支架活塞缸的內(nèi)徑為340 mm，活塞缸直徑為200 mm。

圖3 液壓支架機(jī)液聯(lián)合仿真分析模型

4 仿真結(jié)果分析

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況，當(dāng)液壓泵的排量維持在260 L/min不變時(shí)，分別對(duì)溢流壓力為23 MPa、27 MPa、32 MPa下的液壓支架立柱的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖4所示。

由仿真分析結(jié)果可知，隨著系統(tǒng)溢流壓力的增加，液壓立柱的升柱時(shí)間越長(zhǎng)，達(dá)到初撐狀態(tài)后系統(tǒng)能產(chǎn)生的初撐力就越大，因此在實(shí)際工作中應(yīng)根據(jù)煤礦井下巷道的實(shí)際的地質(zhì)情況合理的設(shè)置系統(tǒng)在升柱時(shí)的溢流壓力，確保效率和支護(hù)可靠性的統(tǒng)一。

液壓支架工作時(shí)當(dāng)巷道頂板突然來(lái)壓時(shí)，作用在頂梁上的載荷突然增加，此時(shí)需通過(guò)大流量安全閥進(jìn)行緩沖，防止液壓缸發(fā)生爆裂，因此大流量安全閥的特性直接關(guān)系到液壓支架工作的安全性，本文對(duì)安全閥的設(shè)定壓力為45 MPa時(shí)的安全閥受沖擊載荷時(shí)的流量特性進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果如圖5所示。

由仿真分析結(jié)果可知，受載荷沖擊作用下安全閥的最大流量可達(dá)603 L/min，但在溢流過(guò)程中存在著極大地波動(dòng)，導(dǎo)致系統(tǒng)將出現(xiàn)較大振蕩。當(dāng)安全閥在沖擊載荷作用下開(kāi)啟后，因沖擊力大，導(dǎo)致系統(tǒng)壓力迅速升高，使最初閥芯以極大的速度進(jìn)行打開(kāi)，卸荷封閉后在外界載荷作用下壓力又升高到溢流狀態(tài)，因此呈現(xiàn)出一個(gè)反復(fù)的振蕩過(guò)程，導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生巨大的振蕩和沖擊，給系統(tǒng)造成極大的安全隱患，因此需要通過(guò)增加閥芯質(zhì)量、閥芯復(fù)位彈簧的剛度系數(shù)等提升閥芯在打開(kāi)時(shí)的阻尼，穩(wěn)定閥芯的打開(kāi)、閉合過(guò)程，進(jìn)而降低系統(tǒng)工作時(shí)的振蕩和沖擊。

圖4 不同溢流壓力下的立柱壓力變化曲線

圖5 載荷沖擊作用下安全閥的流量特性

5 結(jié)論

本文對(duì)液壓支架機(jī)液聯(lián)合作用下的工作原理進(jìn)行了分析，并建立了液壓支架受力作用下的分析模型，利用AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真分析軟件對(duì)機(jī)液聯(lián)合工作過(guò)程進(jìn)行了仿真，結(jié)果表明：

1）聯(lián)合仿真分析能夠有效的對(duì)液壓支架的工作過(guò)程中液壓系統(tǒng)的震蕩特性進(jìn)行仿真分析；

2）系統(tǒng)溢流壓力越大，液壓立柱的升柱時(shí)間越長(zhǎng)，達(dá)到初撐狀態(tài)后系統(tǒng)能產(chǎn)生的初撐力就越大；

3）液壓系統(tǒng)在溢流承載階段震蕩沖擊大，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行造成了較大的安全隱患，通過(guò)增加閥芯質(zhì)量、閥芯復(fù)位彈簧的剛度系數(shù)等提升閥芯在打開(kāi)時(shí)的阻尼，穩(wěn)定閥芯的打開(kāi)、閉合過(guò)程，進(jìn)而降低系統(tǒng)工作時(shí)的振蕩和沖擊。