懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費(fèi) 燁，王繼明，葉曉帥

Shield Equipment& Project 盾構(gòu)工程

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費(fèi) 燁，王繼明，葉曉帥

[摘 要]針對(duì)掘進(jìn)機(jī)工作過(guò)程中截割頭液壓伸縮回路壓力沖擊問(wèn)題，利用LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對(duì)截割頭伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)液一體化聯(lián)合建模。模型求解分析表明，截割頭觸碰巖壁瞬間，伸縮回路壓力沖擊最大，壓力超調(diào)達(dá)79%，是導(dǎo)致截割頭伸縮油缸泄漏失效的主要原因，應(yīng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)增設(shè)蓄能器加以避免。

[關(guān)鍵詞]懸臂式掘進(jìn)機(jī)；截割頭；伸縮回路；壓力沖擊

隨著煤炭行業(yè)的發(fā)展，懸臂式掘進(jìn)機(jī)作為煤礦采掘機(jī)械化的關(guān)鍵設(shè)備，因其截割功率大、掘進(jìn)速度快、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用[1]。目前，煤礦使用的掘進(jìn)機(jī)大多通過(guò)伸縮油缸驅(qū)動(dòng)截割頭完成掏窩鉆進(jìn)。它工作時(shí)常會(huì)遇到半煤巖或硬巖，復(fù)雜多變的載荷會(huì)對(duì)液壓系統(tǒng)造成振動(dòng)和壓力沖擊，導(dǎo)致伸縮缸密封損壞伸縮部無(wú)法正常伸縮。為此，本文借助LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)液一體化建模，對(duì)工作過(guò)程中伸縮缸的壓力沖擊進(jìn)行分析。

1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮液壓回路

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮回路，主要由負(fù)載敏感泵1、比例多路換向閥2以及伸縮油缸3組成，如圖1所示。其中負(fù)載敏感控制閥彈簧預(yù)緊力較小，恒壓閥彈簧預(yù)緊力較大。

圖1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)液壓原理圖

負(fù)載敏感泵在低壓待機(jī)時(shí)，變量泵只輸出高于負(fù)載敏感閥彈簧彈力的壓力油，以推動(dòng)斜盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)至僅維持系統(tǒng)泄漏量位置。正常工作時(shí)，負(fù)載敏感閥處于動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，泵的輸出壓力僅高于伸縮油缸負(fù)載一個(gè)由比例多路換向閥2產(chǎn)生的壓差Δp，當(dāng)伸縮回路所需流量增大時(shí)，比例多路換向閥的開(kāi)度增大，其產(chǎn)生的壓差小于Δp，此時(shí)LS回路便會(huì)推動(dòng)負(fù)載敏感閥閥芯向增大泵排量方向移動(dòng)；當(dāng)所需流量減小時(shí)與上述情況剛好相反。當(dāng)比例多路閥產(chǎn)生的壓降大于Δp時(shí)，推動(dòng)閥芯向減小泵排量方向移動(dòng)，使得泵輸出流量始終與系統(tǒng)所需相適應(yīng)。當(dāng)伸縮回路壓力由于某些原因超壓時(shí)，恒壓閥打開(kāi)，變量缸迅速將泵推至零排量附近，僅維持系統(tǒng)高壓狀態(tài)下的泄漏量[2]。

因此，該負(fù)載敏感回路可根據(jù)截割頭伸縮的實(shí)際承載及速度需求，輸出與負(fù)載工況相匹配的壓力和流量[3]。

2 伸縮回路機(jī)液一體化建模

懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割部伸縮油缸工作時(shí)需要底盤(pán)提供牽引力，其反作用力通過(guò)機(jī)體底盤(pán)傳遞至支撐油缸，是典型的機(jī)液一體化系統(tǒng)。這里利用LMS Virtual.Lab Motion完成伸縮機(jī)構(gòu)建模，利用AMESim的HCD功能搭建負(fù)載敏感泵模型對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)液壓回路建模。最后通過(guò)高級(jí)接口將二者聯(lián)合，形成懸臂式掘進(jìn)機(jī)截割頭伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型。

2.1 機(jī)械部分Motion建模

機(jī)械部分包括伸縮機(jī)構(gòu)以及與之相連用于傳力的機(jī)體底盤(pán)、支撐油缸?？紤]到本文重點(diǎn)研究伸縮缸的壓力變化，因而建模時(shí)將整機(jī)與支撐油缸視為一體并與地面固定，具體過(guò)程分為以下幾步：①在CATIA環(huán)境下建立伸縮機(jī)構(gòu)三維模型，并利用LMS Virtual.Lab Motion軟件將其導(dǎo)入；②將已存在的各部分模型轉(zhuǎn)化為構(gòu)件；③設(shè)定約束、外力以及驅(qū)動(dòng)等參數(shù)。由此得掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型如圖2所示。

圖2 懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)Motion模型

2.2 伸縮回路AMESim建模

伸縮回路建模分為2步：①借助AMESim軟件分別建立LS閥、恒壓閥及變量油缸的HCD模型，將之組合為負(fù)載敏感泵模型；②按照?qǐng)D1，將所建負(fù)載敏感泵模型和液壓庫(kù)中直接調(diào)用的節(jié)流閥、換向閥、液壓缸和負(fù)載機(jī)構(gòu)模型組合，得到完整的掘進(jìn)機(jī)負(fù)載敏感伸縮回路AMESim模型，如圖3所示。

圖3 懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮回路AMESim模型

2.3 伸縮機(jī)構(gòu)的機(jī)液一體化模型

將伸縮機(jī)構(gòu)Motion模型與伸縮回路AMESim模型，分別通過(guò)修改AME路徑、失效驅(qū)動(dòng)、控制輸入輸出變量節(jié)點(diǎn)、改選積分器以及添加libmotion文件、修改編譯器等操作完成接口設(shè)置，最后生成液壓回路驅(qū)動(dòng)伸縮機(jī)構(gòu)的機(jī)液一體化模型，如圖4所示。

圖4 懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型

圖4帶虛線方框是Motion模型求解生成的接口模塊，其中force_ss、velocity_ss、displace_ss分別為伸縮機(jī)構(gòu)輸入輸出控制變量節(jié)點(diǎn)。

3 模型求解與分析

3.1 模型求解

在AMESim中對(duì)伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型采用CO-Simulation方式進(jìn)行求解，積分求解器選用AMESIM_COSIM[4]。Motion中截割頭伸縮機(jī)構(gòu)液壓缸驅(qū)動(dòng)力由AMESim提供，與此同時(shí)AMESim接收由Motion反饋的油缸速度、位移信號(hào)，構(gòu)成閉環(huán)耦合系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交換。

表1是EBZ160懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮回路基本參數(shù)。

表1 伸縮回路基本參數(shù)

整機(jī)掏窩鉆進(jìn)過(guò)程可用多路換向閥閥口開(kāi)度和負(fù)載信號(hào)模擬。

設(shè)定換向閥開(kāi)度信號(hào)如圖5所示。0～2s閥芯靜止，模擬前鏟板及后支撐伸出，將整機(jī)支撐起的工作準(zhǔn)備過(guò)程；2～4s模擬伸縮回路換向閥在主機(jī)工作2s時(shí)閥芯移動(dòng)，閥口開(kāi)度由0線性增至0.285；4～6s閥口開(kāi)度穩(wěn)定在0.285；4～6s線性關(guān)閉。設(shè)置模擬負(fù)載信號(hào)如圖6所示：0～3s模擬截割頭空載伸出；3-10s模擬截割頭觸碰巖開(kāi)始掏窩鉆進(jìn)，載荷從100kN隨著鉆進(jìn)深度線性增至150kN，其中5s時(shí)截割頭突遇硬巖隨后瞬間硬巖崩裂。

圖5 多路換向閥閥口開(kāi)度變化

圖6 截割頭模擬載荷

設(shè)定求解步長(zhǎng)0.05，求解時(shí)間10s，得到泵出口和伸縮油缸無(wú)桿腔壓力、流量如圖7、圖8所示。

圖7 泵出口和油缸無(wú)桿腔壓力

圖8 泵出口和油缸無(wú)桿腔流量

3.2 求解結(jié)果分析

圖7、圖8中，曲線1分別為泵輸出壓力、輸出流量曲線，曲線2分別為伸縮缸無(wú)桿腔輸出壓力、輸出流量曲線。由此可知在伸縮缸工作過(guò)程中：①泵出口壓力始終高于油缸無(wú)桿腔的負(fù)載壓力0.2MPa，這恰是負(fù)載敏感閥設(shè)定壓力，見(jiàn)圖7；②泵未啟動(dòng)時(shí)處于最大排量，啟動(dòng)瞬間輸出流量1470r/min×145mL/r=213L/min，啟動(dòng)后迅速由最大排量調(diào)整至相應(yīng)所需排量，僅輸出略微高于油缸伸出所需的流量以補(bǔ)充泄漏，見(jiàn)圖8；③當(dāng)伸縮缸工作結(jié)束即8s時(shí)多路閥關(guān)閉（圖5），此時(shí)不再有流量進(jìn)入伸縮缸，單向閥關(guān)閉，負(fù)載敏感閥的LS回路不再感應(yīng)伸縮油缸無(wú)桿腔負(fù)載壓力而近似為油箱壓力，負(fù)載敏感泵處于低壓待機(jī)狀態(tài)，輸出壓力為敏感閥設(shè)定的0.2MPa。而此時(shí)負(fù)載壓力仍舊線性增大，如圖6，致使伸縮缸無(wú)桿腔壓力繼續(xù)線性上升，見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，本文所建模型準(zhǔn)確反映了伸縮回路工作特性，可用于分析其壓力沖擊。

由于掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型基于AMESim平臺(tái)調(diào)用Motion求解，要求 Motion采樣步長(zhǎng)大于AMESim步長(zhǎng)。因此，在AMESim中調(diào)出的圖7無(wú)法展現(xiàn)壓力沖擊現(xiàn)象?，F(xiàn)改為在Motion中輸出伸縮缸活塞桿受力及其動(dòng)態(tài)過(guò)程放大曲線，它與伸縮缸無(wú)桿腔壓力僅相差一個(gè)活塞面積比例因子，如圖9所示。

圖9 伸縮缸活塞桿受力

由圖9可以明顯看出，伸縮缸整個(gè)工作過(guò)程只在接觸巖壁表面瞬間會(huì)產(chǎn)生明顯的壓力沖擊，超調(diào)達(dá)79%。而遇到突變載荷導(dǎo)致的壓力變化，超調(diào)僅為4.3%，可以忽略。這是由于觸碰巖壁瞬間，負(fù)載敏感系統(tǒng)剛剛啟動(dòng)，其功率自適應(yīng)機(jī)構(gòu)尚未工作，而遇到突變載荷時(shí)系統(tǒng)已經(jīng)處于高壓功率自適應(yīng)狀態(tài)。

可見(jiàn)，對(duì)硬巖截割由于伸縮缸頻繁觸碰巖壁，會(huì)產(chǎn)生很大的周期性瞬間壓力沖擊，這對(duì)伸縮缸的密封十分不利，可能會(huì)導(dǎo)致其工作故障。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化建模求解分析，可以得到如下結(jié)論。

1）所搭建的伸縮機(jī)構(gòu)機(jī)液一體化模型能準(zhǔn)確反映系統(tǒng)工作特性，可據(jù)此對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

2）伸縮缸壓力沖擊主要來(lái)自于截割頭觸碰巖壁瞬間，掏窩鉆進(jìn)過(guò)程中的突變載荷影響可以忽略。

3）可在伸縮回路中加裝蓄能器來(lái)緩釋截割頭觸碰巖壁導(dǎo)致的伸縮缸周期性壓力沖擊，以此延長(zhǎng)伸縮缸壽命并提高其工作可靠性。

上述結(jié)論對(duì)懸臂式掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)改進(jìn)設(shè)計(jì)具有實(shí)用價(jià)值。

[參考文獻(xiàn)]

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（編輯 賈澤輝）

Analysis of boom-type roadheader cutting head expansion circuit pressure impact

FEI Ye, WANG Ji-ming, YE Xiao-shuai
（沈陽(yáng)建筑大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110168）

［中圖分類(lèi)號(hào)］TD421

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］B

［文章編號(hào)］1001-1366(2015)06-0031-04

［收稿日期］2015-04-25