基于AMESim的液壓支架移架速度研究

劉寶龍，廉自生

（太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024）

當(dāng)液壓支架移架時(shí)，為了克服液壓系統(tǒng)的局部阻力，液體局部壓力損失很大，而液控單向閥的局部阻力在系統(tǒng)的總局部阻力中所占比例較大，因而研究如何通過減小液控單向閥的局部阻力來提高移架速度是很有意義的。

1 推移千斤頂控制回路的工作原理

這種推移裝置推移千斤頂不是直接安裝在液壓支架的底座和刮板機(jī)槽幫之間，其兩端分別同支架底座和推移框架相連。當(dāng)換向閥置于右位時(shí)，推移千斤頂?shù)挠袟U腔進(jìn)液，活塞桿縮回帶動(dòng)推移框架向前移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)推溜(以支架為支點(diǎn))；當(dāng)換向閥置于左位時(shí)，活塞腔進(jìn)液，液壓油缸缸體前移，帶動(dòng)支架底座向前移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)移架(以刮板輸送機(jī)為支點(diǎn))。為防止相鄰支架移架時(shí)輸送機(jī)被拉回，在推移千斤頂?shù)挠袟U腔油路上加設(shè)了由液控單向閥和安全閥組成的控制閥。

2 AMESim仿真環(huán)境介紹

圖1 基本的推移千斤頂控制回路

AMESim是法國IMAGINE公司于1995年開發(fā)出的一款新型高級(jí)建模和仿真軟件,其全稱為系統(tǒng)工程高級(jí)建模和仿真平臺(tái)。它為用戶提供了一個(gè)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的完整平臺(tái)，使用戶可以在同一個(gè)平臺(tái)上建立復(fù)雜的多學(xué)科領(lǐng)域系統(tǒng)的模型，集成有魯棒性極強(qiáng)的智能求解器和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆沁B續(xù)處理功能以及齊全的線性化分析工具，包括系統(tǒng)特征值的求解、Bode圖、Nichols圖、Nyquist圖、根軌跡分析等，使用戶在仿真計(jì)算后可以非常方便地分析和優(yōu)化自己的系統(tǒng)。AMESim友好的圖形化界面使用戶可以直接使用該軟件提供的豐富的元件應(yīng)用庫來構(gòu)建復(fù)雜的系統(tǒng)模型，研究任何元件和系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能，使其成為當(dāng)今領(lǐng)先的多學(xué)科系統(tǒng)建模、仿真及動(dòng)力學(xué)分析軟件。

3 AMESim仿真模型的建立與移架過程的仿真

推移千斤頂控制回路由一些基本的元件構(gòu)成。在仿真時(shí)，液控單向閥對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的局部壓力損失影響較大，需要在AMESim/HCD下根據(jù)元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)和尺寸自己搭建，其他元件在AMESim液壓元件庫里直接調(diào)用。

3.1 液控單向閥仿真模型的建立

在AMESim/HCD下建立液壓元件的依據(jù)是元件本身的物理結(jié)構(gòu)。液控單向閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖見圖2，主要是由閥蓋、頂桿、活塞、閥座、閥芯、彈簧、密封圈等基本元件組成。從AMESim子元素庫選取相應(yīng)的子元素替換實(shí)際的物理單元，并把所有子元素的端口依次連接，最后得到液控單向閥的完整模型見圖3。

3.2 推移千斤頂控制回路仿真模型的建立

（1）將上述建好的液控單向閥仿真模型按照?qǐng)D1的工作原理圖在AMESim仿真軟件Sketch模式下選用液壓應(yīng)用庫中的元件構(gòu)建，見圖4的推移千斤頂控制回路的仿真模型。

圖2 液控單向閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 液控單向閥的完整仿真模型

（2）在Submodels模式下為仿真模型的各元件選擇合適的數(shù)學(xué)模型，給定合適的模型假設(shè)。

（3）在Parameters模式下設(shè)定系統(tǒng)各元件的參數(shù)，設(shè)置如下：泵站卸荷閥調(diào)定壓力為31.5 MPa，泵站額定流量為500 L/min，安全閥的調(diào)定壓力為40 MPa，負(fù)載為429 kN，推移千斤頂活塞直徑為140 mm，活塞桿直徑為90 mm，行程為900 mm，主進(jìn)回液管直徑為25 mm，長度為60 m，支路進(jìn)回液管直徑為10 mm,長度為3 m，液控單向閥控制口K等效直徑設(shè)為3mm，控制活塞直徑35mm，閥芯直徑24.5 mm，頂桿直徑6.5 mm，閥芯最大開口量為5.5 mm。

（4）最后在run模式下設(shè)置仿真參數(shù)并運(yùn)行，獲得的仿真曲線見圖5。

圖4 推移千斤頂控制回路仿真模型

4 仿真結(jié)果分析

圖5 閥芯位移曲線（1）

從移架速度圖可以看出，移架時(shí)間大約2.1 s，支架在移架過程中會(huì)產(chǎn)生較大的波動(dòng)，這是由于換向閥和液控單向閥在快速開啟和關(guān)閉時(shí)所產(chǎn)生的液壓沖擊造成的。從閥芯位移曲線圖可以看出，閥芯開啟后也會(huì)有較大的波動(dòng)，這是由閥芯瞬間開啟時(shí)產(chǎn)生的瞬態(tài)液動(dòng)力造成的。要想提高移架速度，就要減小液控單向閥的局部阻力，增大閥口通流面積，而閥口通流面積與閥芯直徑和閥口開度成正比，所以，增大閥芯直徑和閥口開度能夠提高移架速度，但閥芯直徑和閥口開度又不能太大，太大系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生很大的波動(dòng)，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。下面將閥芯直徑增大為25.5 mm，閥芯最大開口量增大為7 mm，其他參數(shù)不變進(jìn)行仿真，得出的仿真曲線見圖6。

圖6 移架速度曲線和閥芯位移曲線（2）

從仿真曲線圖中可以看出，移架時(shí)間大約1.8 s，比原來減小0.3 s，移架速度有明顯提高。從閥芯位移曲線可以看出，系統(tǒng)的穩(wěn)定性比原來有所降低，但這對(duì)移架過程不會(huì)產(chǎn)生太大影響，所以非常有利于適應(yīng)煤礦高產(chǎn)高效生產(chǎn)的需要，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

影響移架速度的因素有很多，而減少液壓系統(tǒng)的阻力是提高移架速度的主要途徑。研究表明，適當(dāng)增大液控單向閥閥芯最大開口量和閥芯直徑能夠明顯減小液壓系統(tǒng)的局部阻力，提高移架速度，為合理設(shè)計(jì)優(yōu)化液控單向閥結(jié)構(gòu)，提高煤礦的經(jīng)濟(jì)效益提供了參考。

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