基于AMESim的采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的優(yōu)化研究

王新軍

（山西西山煤電股份有限公司鎮(zhèn)城底礦， 山西 古交 030203）

引言

采煤機(jī)是廣泛應(yīng)用于煤炭綜采面的用于割煤和落煤的集機(jī)、電、液于一體的大型機(jī)械化設(shè)備，在確保煤礦生產(chǎn)企業(yè)的綜采效率和生產(chǎn)安全中均扮演著極其重要的作用。隨著煤炭綜采技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的大傾角煤層開始不斷投入開采，因井下地質(zhì)條件復(fù)雜，巷道傾角大，造成采煤機(jī)在綜采過程中極易發(fā)生下滑等事故，不但嚴(yán)重影響了綜采面的生產(chǎn)效率而且嚴(yán)重威脅著巷道內(nèi)作業(yè)的工作人員的人身安全，特別是在對采煤機(jī)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，采煤機(jī)因制動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作滯后造成的短時(shí)制動(dòng)失效引起的采煤機(jī)下滑更是頻繁出現(xiàn)在井下綜采區(qū)域[1]。

采煤機(jī)的制動(dòng)，主要是依靠液壓系統(tǒng)對制動(dòng)器發(fā)出制動(dòng)信號，利用液壓泵站提供的高壓油液配合機(jī)械制動(dòng)結(jié)構(gòu)完成對采煤機(jī)的制動(dòng)，因此液壓系統(tǒng)對制動(dòng)發(fā)出信號的及時(shí)性和高壓油液到達(dá)機(jī)械制動(dòng)機(jī)構(gòu)的時(shí)間就直接關(guān)系到了采煤機(jī)制動(dòng)的及時(shí)性。因此本文提出了一種新的液壓制動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首次將蓄能器應(yīng)用于采煤機(jī)的液壓制動(dòng)系統(tǒng)，用于為液壓制動(dòng)系統(tǒng)的改造提供一定的理論依據(jù)，提高采煤機(jī)制動(dòng)的靈敏性及可靠性。

1 采煤機(jī)液壓系統(tǒng)的組成及工作原理

新型的采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)如圖1所示。采煤機(jī)的制動(dòng)器位于牽引電機(jī)輸出軸的端部，在工作中當(dāng)出現(xiàn)停電或者其他故障導(dǎo)致采煤機(jī)下滑時(shí)，液壓系統(tǒng)的電磁換向閥得到換向信號，控制蓄能器與制動(dòng)器的管路相連通，蓄能器內(nèi)的高壓油液通過管路進(jìn)入到制動(dòng)器內(nèi)，推動(dòng)制動(dòng)器閉合，使制動(dòng)器的摩擦機(jī)構(gòu)和制動(dòng)機(jī)構(gòu)產(chǎn)生擠壓摩擦，對制動(dòng)片產(chǎn)生一個(gè)摩擦力，使采煤機(jī)逐漸實(shí)現(xiàn)可靠制動(dòng)[2]。當(dāng)采煤機(jī)需要移動(dòng)時(shí)，液壓系統(tǒng)控制電磁換向閥打開，使制動(dòng)器內(nèi)的高壓油液流回油箱內(nèi)，同時(shí)通過管路為蓄能器補(bǔ)充高壓油液，為下次制動(dòng)做好準(zhǔn)備。

圖1 液壓制動(dòng)系統(tǒng)液壓原理圖

2 蓄能器數(shù)學(xué)模型的建立

該液壓系統(tǒng)所采用的蓄能器為囊式蓄能器，其數(shù)學(xué)模型可表示為[3]：

式中：Pi為蓄能器進(jìn)油腔內(nèi)的壓力；P0為蓄能器的預(yù)充氣壓力；ce為預(yù)充氣體的阻尼系數(shù)；A0為蓄能器的截面積；ke為預(yù)充氣體的剛度系數(shù)；V0為蓄能器的充氣體積。

假設(shè)油液彈性模量為零，則蓄能器在進(jìn)油腔處的受力方程可以表示為[4]：

式中：Be為油液的等效黏性系數(shù)；P1為蓄能器進(jìn)口閥芯處的壓力；me為進(jìn)入蓄能器的油液的等效質(zhì)量；An為蓄能器進(jìn)油口閥芯處的截面積。

聯(lián)立（1）、（2）可得：

3 采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析

利用AMESim仿真分析軟件建立采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)的仿真分析模型[5]，如圖2所示。

圖2 液壓制動(dòng)系統(tǒng)液仿真分析模型

因在系統(tǒng)內(nèi)加入了蓄能器，將蓄能器作為控制制動(dòng)器進(jìn)行制動(dòng)的動(dòng)力源，用于確保在收到制動(dòng)信號后的最短時(shí)間內(nèi)完成系統(tǒng)制動(dòng)，確保采煤機(jī)制動(dòng)的可靠性。當(dāng)蓄能器在執(zhí)行制動(dòng)工作時(shí)內(nèi)部的壓力會(huì)迅速降低，為確保制動(dòng)時(shí)能對制動(dòng)器形成足夠的制動(dòng)壓力，需確保制動(dòng)器接觸到制動(dòng)盤后仍需要在蓄能器內(nèi)保持一定的高壓油液，因此需對蓄能器的預(yù)充氣壓力進(jìn)行合理的設(shè)置，根據(jù)系統(tǒng)所使用的制動(dòng)器結(jié)構(gòu)，計(jì)算出若完全制動(dòng)所需的液壓油應(yīng)為45 000 mL，因此在實(shí)際使用中，蓄能器選擇應(yīng)大于45 000 mL。

利用AMEsim流體仿真分析軟件，對蓄能器在不同預(yù)充氣壓力下的液壓制動(dòng)系統(tǒng)的制動(dòng)情況進(jìn)行仿真分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。

由仿真分析可知，當(dāng)蓄能器中的預(yù)充氣壓力為7 MPa（70 bar）的情況下，制動(dòng)器制動(dòng)盤的運(yùn)行速度及油腔內(nèi)的壓力沖擊瞬間就降低到了零狀態(tài)，這是由于蓄能器的預(yù)充氣壓力和額定工作壓力的壓差較小，導(dǎo)致充入蓄能器內(nèi)的油液極少，油液量難以滿足制動(dòng)時(shí)制動(dòng)盤內(nèi)油缸的需求。

當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓由6 MPa（60 bar）逐漸降低到3 MPa（30 bar）時(shí)，制動(dòng)機(jī)構(gòu)的制動(dòng)速度會(huì)隨著壓力的降低逐漸地減緩，當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為3 MPa（30 bar）時(shí)，其制動(dòng)時(shí)間已經(jīng)超過了 0.5 s，無法滿足快速制動(dòng)的要求，蓄能器在4 MPa（40 bar）情況下的制動(dòng)時(shí)間約為0.487 s，在5 MPa（50 bar）情況下的制動(dòng)時(shí)間約為0.474 s，在6 MPa（60 bar）情況下的制動(dòng)時(shí)間約為0.464 s。但由圖4可知，液壓制動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)制動(dòng)機(jī)構(gòu)的沖擊振動(dòng)會(huì)隨著蓄能器預(yù)充氣壓力的升高而逐漸降低，當(dāng)蓄能器預(yù)充氣壓力為6 MPa（60 bar）時(shí)的沖擊振動(dòng)特性最小，因此可知當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa（60 bar）時(shí)既能滿足采煤機(jī)快速制動(dòng)的要求，又能降低在制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊，能大幅提高采煤機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。

圖3 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時(shí)制動(dòng)盤的速度曲線

圖4 蓄能器預(yù)充氣壓力不同時(shí)制動(dòng)油缸的壓力曲線

4 結(jié)論

本文提出的這種新的采煤機(jī)液壓制動(dòng)系統(tǒng)，以蓄能器作為主要的制動(dòng)動(dòng)力源，能夠大幅提高采煤機(jī)制動(dòng)時(shí)的響應(yīng)速度，當(dāng)蓄能器的預(yù)充氣壓力設(shè)置為6 MPa（60 bar）時(shí)既能滿足采煤機(jī)快速制動(dòng)的要求，又能降低在制動(dòng)時(shí)系統(tǒng)的振動(dòng)、沖擊，能大幅提高采煤機(jī)制動(dòng)系統(tǒng)的使用壽命。