提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化設計與仿真研究

江 偉，包從望

(六盤水師范學院 礦業(yè)與土木工程學院，貴州 六盤水 553000)

提升機在立井煤礦運輸系統(tǒng)發(fā)揮著重大作用，隨立井煤礦井深提高，為提高運輸效率，提升設備載重和速度越來越高，發(fā)生提升機過卷事故頻率增加，嚴重破壞提升設備及沿途其他配套裝備，影響煤礦正常生產(chǎn)，給煤礦帶來巨大的經(jīng)濟損失和人員傷亡，因此提升機過卷保護一直受到很大重視和關注[1，2]。

提升機過卷保護設備發(fā)展較早，國內初期研發(fā)出很多型號的過卷緩沖裝置，大多為機械式緩沖裝置：防撞梁、托罐裝置、BS型多盤摩擦式過卷緩沖裝置、變力吸能器、鋼帶式過卷防護裝置[3-5]。國內對機械式過卷緩沖裝置的研究也不少，張國旺等[6]比較研究了BS+FHT和HZNZ型過卷緩沖裝置，分析了鋼帶逆止緩沖裝置的優(yōu)越性；尹中會等[7]針對過卷時拉長鋼帶至斷裂問題，提出用鋼帶+硅橡膠+鋼帶的組合緩沖過卷沖擊；張麗珍[8]對HCJ(F)-D式防過卷緩沖裝置進行了有限元分析，根據(jù)分析結果優(yōu)化設計了緩沖裝置結構。

但機械式過卷緩沖裝置易變形、易破損、難恢復、緩沖時間短、緩沖行程受限、緩沖力無法調節(jié)，因此液壓緩沖技術逐漸應用于提升機過卷保護裝置中，目前有兩種形式的過卷液壓緩沖系統(tǒng)：溢流閥過卷液壓系統(tǒng)和油孔式液壓緩沖系統(tǒng)，前者油缸油液經(jīng)溢流閥流入油箱，壓力由溢流閥調定控制[9，10]；后者油缸油液經(jīng)阻尼孔進入柱塞空腔，壓力由阻尼孔決定[11，12]。劉同義[13，14]針對一般液壓系統(tǒng)難以滿足過卷制動初期緩沖器所需大流量要求，提出采用插裝液壓系統(tǒng)。程陽銳等[15]通過設置儲能裝置吸收過卷沖擊，理論分析了液壓過卷緩沖裝置的制動過程，并做了實例驗證。尹文軍[16]完善了立井提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)，研究了插裝式溢流閥開啟壓力對系統(tǒng)性能的影響情況。然而現(xiàn)有的提升機液壓緩沖系統(tǒng)存在緩沖油缸上腔壓力波動、過卷箕斗頻繁振動的問題，本文結合相關液壓緩沖技術的研究[17]，通過增加節(jié)流閥，接通過卷液壓缸有桿腔和無桿腔，改進了提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)工作原理，利用AMESIM搭建了系統(tǒng)仿真模型，對比研究了優(yōu)化前后液壓缸有桿腔壓力、箕斗位移、箕斗速度的變化情況，最后仿真研究了節(jié)流閥通徑對系統(tǒng)性能的影響，為提升機過卷緩沖技術的提升提供一定的參考。

1 提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化原理

提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)如圖1所示，其中圖1(a)為優(yōu)化前的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)，圖1(b)為優(yōu)化后的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)。

提升過卷液壓緩沖系統(tǒng)主要由：過卷液壓缸、溢流閥、過卷補油閥組成，液壓泵、電磁換向閥主要為調節(jié)過卷液壓缸活塞設置，可作為解鎖過卷事故的輔助液壓系統(tǒng)。

優(yōu)化前系統(tǒng)工作原理：發(fā)生過卷事故前，開啟液壓泵，控制電磁換向閥2DT得電，液壓泵高壓油進入油液缸有桿腔，活塞縮回到指定位置，電磁換向閥2DT失電，處于中位狀態(tài)；發(fā)生過卷事故后，提升箕斗撞擊過卷擋板，過卷擋板帶動過卷液壓缸活塞迅速伸出，過卷液壓缸有桿腔油液瞬間被壓縮，其油液壓力急劇增大，待其壓力達到溢流閥設定的開啟壓力時，有桿腔油液發(fā)生溢流，另外有桿腔壓力作用于活塞有效面積上，產(chǎn)生阻尼制動力，形成一定的制動減速度，使活塞緩慢減速，從而緩沖吸收箕斗過卷產(chǎn)生的沖擊。優(yōu)化前的過卷緩沖系統(tǒng)存在一定不足：只有溢流閥開啟時，有桿腔油液才能流出，導致無桿腔壓力出現(xiàn)間斷性增大和減小(后續(xù)仿真結果也驗證了其缺陷)。

1—油源；2—液壓泵；3—電磁換向閥；4—過卷液壓缸；5—提升箕斗；6—過卷擋板；7—提升機卷筒；8—提升鋼絲繩；9—溢流閥；10—過卷補油閥；11—節(jié)流閥

優(yōu)化后系統(tǒng)僅僅通過設置一個節(jié)流閥，使過卷液壓缸無桿腔和有桿腔處于常通狀態(tài)，發(fā)生過卷時，在有桿腔壓力未達到溢流閥設定壓力前，有桿腔油液即可流回到無桿腔，不僅為無桿腔補充一定油液，還消除了壓力沖擊和壓力波動。

2 提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型搭建

優(yōu)化前后的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型如圖2所示，其中圖2(a)為優(yōu)化前的系統(tǒng)模型，圖2(b)為優(yōu)化的系統(tǒng)模型。

1—油源；2—液壓泵；3—電機；4—電磁換向閥；5—換向閥信號源；6—過卷液壓缸；7—提升箕斗；8—液壓油；9—重力加速度；10—溢流閥；11—過卷補油閥；12—節(jié)流閥

仿真參數(shù)設置見表1。

表1 過卷緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)

3 提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)仿真分析

將仿真參數(shù)分別輸入到優(yōu)化前后的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型中，得到優(yōu)化前后液壓桿有桿腔壓力對比曲線如圖3所示、箕斗位移對比曲線如圖4所示、箕斗速度對比曲線如圖5所示、過卷裝置沖擊力對比曲線如圖6所示。

圖3 優(yōu)化前后液壓桿有桿腔壓力曲線

圖4 優(yōu)化前后箕斗位移曲線

圖5 優(yōu)化前后箕斗速度曲線

圖6 優(yōu)化前后過卷裝置沖擊力曲線

由圖3—6得：在過卷緩沖過程中，通過增加節(jié)流閥使過卷液壓缸無桿腔和有桿腔連通后，消除了過卷液壓缸有桿腔油液壓力波動和箕斗速度波動，減小了過卷裝置最大沖擊力；優(yōu)化后的過卷液壓緩沖系統(tǒng)能實現(xiàn)過卷液壓缸活塞復位；顯然，在過卷緩沖階段，節(jié)流閥發(fā)揮了較好的消波減振作用。

為研究節(jié)流閥通徑對優(yōu)化后的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)的影響，設置節(jié)流閥通徑分別為3mm、5mm、7mm、9mm、11mm進行仿真分析，得到節(jié)流閥通徑對箕斗位移和箕斗速度的影響規(guī)律如圖7—9所示。

由圖7—9可得：節(jié)流閥通徑對過卷液壓缸活塞伸出沒有影響，對過卷液壓缸活塞復位具有一定的影響，隨節(jié)流閥通徑增大，箕斗復位時間縮短，速度波動程度先減小后增大，過卷裝置前期最大沖擊力逐漸降低，后期波動程度先減小后增大。當節(jié)流閥通徑為9mm時，過卷液壓缸活塞復位過程中，速度較均勻減小，此時具有較好的緩沖特性，緩沖過程中過卷裝置最大沖擊力為1.3106N，緩沖時間為2s，活塞復位時間為1.8s。

圖7 節(jié)流閥通徑對箕斗位移的影響曲線

圖8 節(jié)流閥通徑對箕斗速度的影響曲線

圖9 節(jié)流閥通徑對過卷裝置沖擊力的影響曲線

4 結 論

通過增加節(jié)流閥，接通過卷液壓桿有桿腔和無桿腔，優(yōu)化了提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)的緩沖性能，本文介紹了優(yōu)化前后提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)的工作原理，搭建了優(yōu)化前系統(tǒng)仿真模型，對比研究了系統(tǒng)緩沖性能，分析了節(jié)流閥通徑對優(yōu)化后的系統(tǒng)性能的影響規(guī)律，對提高提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)性能提供一定的參考，主要得到以下結論：

1)節(jié)流閥對消除過卷液壓缸有桿腔壓力波動具有較好的緩沖吸收特性，能實現(xiàn)活塞緩慢復位。

2)節(jié)流閥通徑過卷液壓缸活塞復位具有一定的影響，對其活塞伸出基本無影響；增大節(jié)流閥通徑，箕斗復位時間縮短，箕斗復位速度波動程度先減小后增大。

3)當節(jié)流閥通徑為9mm時，優(yōu)化后的提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)性能較好。