煤礦無軌膠輪車機液系統(tǒng)的研究

王 淵

（霍州煤電集團呂梁山煤電有限公司木瓜煤礦，山西 呂梁 033102）

0 引言

煤礦運輸除了常規(guī)的帶式輸送機、提升機等運輸設(shè)備外，還包含有無軌運輸設(shè)備和有軌運輸設(shè)備。其中，有軌運輸設(shè)備還需在工作面鋪設(shè)軌道或者吊裝單軌，存在著眾多的問題。無軌運輸設(shè)備相對于有軌運輸設(shè)備而言，具有運輸能力大、運輸效率高的特點。無軌膠輪車作為無軌運輸設(shè)備的一種，其集成鏟裝、運輸以及卸裝功能為一體，大大的降低了作業(yè)人員的勞動強度，從而提升了綜采工作面的生產(chǎn)效率和安全性。但是，我國國產(chǎn)化的無軌膠輪車的性能還尚不穩(wěn)定，尤其是液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常出現(xiàn)振擺的現(xiàn)象[1]。造成無軌膠輪車出現(xiàn)振擺現(xiàn)象的主要原因在于設(shè)備在轉(zhuǎn)向時油路會受到瞬間壓力沖擊，不僅會造成系統(tǒng)振動，還會導(dǎo)致管路破裂，液壓元器件損壞等。因此，開展對無軌膠輪車機電液系統(tǒng)的研究工作，為優(yōu)化設(shè)備的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)奠定基礎(chǔ)。

1 無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)概述

無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)由液壓部分和機械部分組成。其中，液壓部分的功能是對液壓油缸推進方向的控制，機械部分的功能是對設(shè)備轉(zhuǎn)向方式的控制。本文所研究無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)為負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)，轉(zhuǎn)向方式為鉸接轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖如圖1所示：

圖1 負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)液壓原理圖

負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)其中的一個重要組成元器件為優(yōu)先閥，該閥屬于恒壓差閥。其工作原理為：通過調(diào)補償閥芯控制閥口的恒壓狀態(tài)，繼而通過控制閥口的乳化液的流量從而實現(xiàn)對閥口開度大小的控制。基于優(yōu)先閥能夠?qū)崿F(xiàn)其乳化液流量不受外部載荷變化的情況影響[2]。

轉(zhuǎn)向器作為負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中的另一個核心元件，其本質(zhì)為位置隨動系統(tǒng)，其能夠?qū)崿F(xiàn)液壓轉(zhuǎn)向缸輸出位移對轉(zhuǎn)閥閥芯輸入角位移的隨動。即基于轉(zhuǎn)向器實現(xiàn)方向盤輸入角位移向液壓油缸行程的精準(zhǔn)傳遞。

2 優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的仿真分析

本節(jié)對負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的仿真分析的目的是驗證模型的可行性，為后續(xù)無軌絞車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的機液聯(lián)合仿真奠定基礎(chǔ)。

2.1 仿真模型的搭建

本文針對優(yōu)先閥、轉(zhuǎn)向器以及后續(xù)的無軌絞車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)機液聯(lián)合仿真所采用的軟件為AMESim?；贏MESim軟件對搭建的優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的仿真模型如圖2所示。

圖2 仿真模型的搭建

優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向的液壓仿真模型搭建完成后根據(jù)負(fù)載全液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中兩個元件的參數(shù)對仿真模型的相關(guān)參數(shù)進行設(shè)定，根據(jù)控制需求為仿真模型提供相應(yīng)的控制信號，即為轉(zhuǎn)向系統(tǒng)中方向盤的控制信號，繼而對優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器的流量、壓力特性進行仿真分析[3]。

2.2 仿真結(jié)果分析

經(jīng)仿真可知，得出如下結(jié)論：

1）在各種工況下，系統(tǒng)中通過等效轉(zhuǎn)向器進口的流量隨著方向盤轉(zhuǎn)動角度的增大而且增大，且其變化趨勢呈現(xiàn)線性關(guān)系[4]。即，說明系統(tǒng)中通過等效轉(zhuǎn)向器內(nèi)的流量與方向盤的轉(zhuǎn)速成正比，且其進口壓降恒定。

2）當(dāng)方向盤輸入信號恒定的情況下，給予系統(tǒng)發(fā)動機一定的信號，通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降不隨發(fā)動機輸入信號的變化而變化。即說明發(fā)動機轉(zhuǎn)速不會影響通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降。

3）當(dāng)方向盤和發(fā)動機的輸入信號均恒定的情況下，改變系統(tǒng)的外部轉(zhuǎn)向負(fù)載可得：隨著外部轉(zhuǎn)向負(fù)載的增加或者減少，通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降保持不變。即說明系統(tǒng)外部轉(zhuǎn)向負(fù)載的變化不會影響到通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降。

4）當(dāng)方向盤和發(fā)動機的輸入信號以及外部轉(zhuǎn)向負(fù)載均恒定的情況下，改變輔助系統(tǒng)負(fù)載可得：隨著輔助系統(tǒng)負(fù)載的增加或者減少，通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降一開始有突變的現(xiàn)象，但很快就維持穩(wěn)定保持恒定值。即說明輔助系統(tǒng)負(fù)載的變化不會影響到通過等效轉(zhuǎn)向器的流量和壓降。

綜上所述，驗證了無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)優(yōu)先閥和轉(zhuǎn)向器仿真模型的正確性，并得知通過等效轉(zhuǎn)速器的流量和壓降僅與方向盤的輸入信號相關(guān)，與發(fā)動機轉(zhuǎn)速、外部轉(zhuǎn)向負(fù)載和輔助系統(tǒng)負(fù)載無關(guān)。

3 無軌膠輪車機液聯(lián)合仿真

3.1 仿真模型的搭建

為得到更為準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，基于SolidWorks搭建三維仿真模型，將仿真模型導(dǎo)入ADAMS軟件中，得到虛擬模型，并根據(jù)某無軌膠輪車的相關(guān)參數(shù)對虛擬樣機模型中的參數(shù)進行設(shè)置，得出如圖3所示的虛擬樣機模型。

圖3 無軌膠輪車虛擬樣機仿真模型

結(jié)合2中基于AMESim所搭建的轉(zhuǎn)向器和優(yōu)先閥的液壓仿真模型和3中所搭建的ADAMS虛擬樣機機械模型對無軌膠輪車的機液系統(tǒng)進行仿真分析[5]。

3.2 仿真結(jié)果分析

1）轉(zhuǎn)向油缸壓力響應(yīng)仿真?；谏鲜瞿Ｐ蛯χ剌d慢轉(zhuǎn)（1#工況）、重載快轉(zhuǎn)（2#工況）、輕載慢轉(zhuǎn)（3#工況）、輕載快轉(zhuǎn)（4#工況）下無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油缸壓力響應(yīng)進行仿真，仿真結(jié)果見表1。

表1 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)壓力響應(yīng)結(jié)果

如表1所示，隨著轉(zhuǎn)向系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的加快和負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)向系統(tǒng)油缸壓力的振擺情況越來越嚴(yán)重。

2）轉(zhuǎn)向油缸流量響應(yīng)仿真?；谏鲜瞿Ｐ蛯χ剌d慢轉(zhuǎn)（1#工況）、重載快轉(zhuǎn)（2#工況）、輕載慢轉(zhuǎn)（3#工況）、輕載快轉(zhuǎn)（4#工況）下無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)左右兩個油缸的流量響應(yīng)情況進行仿真，仿真結(jié)果見表2。

表2 轉(zhuǎn)向系統(tǒng)流量響應(yīng)結(jié)果

分析表2可知，當(dāng)無軌膠輪車轉(zhuǎn)向系統(tǒng)從右極限位置向左轉(zhuǎn)動的情況下，右側(cè)油缸的壓力和流量峰值均大于左側(cè)油缸。此外，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大時對系統(tǒng)流量峰值的影響增大，當(dāng)負(fù)載增大時，系統(tǒng)的流量波動也隨之增大。

4 總結(jié)

無軌膠輪車作為綜采工作面的運輸設(shè)備之一，具有運輸量大、運輸效率高的優(yōu)勢。然而，在實際工作中其轉(zhuǎn)向系統(tǒng)常都會管路造成較大的沖擊甚至導(dǎo)致管路破裂?；贏MESim液壓仿真建模軟件和ADAMS機械仿真建模軟件聯(lián)合對無軌膠輪車進行仿真分析得出：隨著系統(tǒng)轉(zhuǎn)向速度的增大，負(fù)載的增大對系統(tǒng)造成的沖擊越大，越容易造成管路破裂等事故的發(fā)生，為后續(xù)轉(zhuǎn)向機構(gòu)的優(yōu)化奠定基礎(chǔ)。