EBZ318 掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路的仿真分析

拜文魁

（山西霍寶干河煤礦， 山西 臨汾 041600）

引言

掘進(jìn)機(jī)是煤礦生產(chǎn)必不可少的裝備，其主要任務(wù)是完成巷道的掘進(jìn)任務(wù)。目前，掘進(jìn)工作面應(yīng)用最為廣泛的掘進(jìn)機(jī)為懸臂式掘進(jìn)機(jī)，該型號(hào)掘進(jìn)機(jī)是集合截割、運(yùn)輸以及噴霧降塵功能于一體的大型機(jī)電設(shè)備。掘進(jìn)機(jī)在實(shí)際掘進(jìn)過(guò)程中由于其截割頭所承受的外部載荷復(fù)雜多變，為了提升設(shè)備的自適應(yīng)能力，將負(fù)載敏感技術(shù)引入解決機(jī)液壓控制系統(tǒng)中。所謂負(fù)載敏感技術(shù)指的是設(shè)備能夠根據(jù)外界載荷、流量、功率等信號(hào)及時(shí)、實(shí)時(shí)地調(diào)整油泵的運(yùn)行狀態(tài)，以達(dá)到負(fù)載、流量自適應(yīng)控制的目的[1]。EBZ318為功率較大的掘進(jìn)機(jī)，在掘進(jìn)過(guò)程中截割頭由于巖壁不均勻?qū)е缕洚a(chǎn)生振動(dòng)，進(jìn)而導(dǎo)致截割升降油缸中用于平衡溢流閥組密封件頻繁損壞，嚴(yán)重制約著掘進(jìn)效率。因此，本文針對(duì)EBZ318 掘進(jìn)機(jī)為研究對(duì)象分析其截割升降液壓回路的特性，為其液壓系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

1 EBZ318 掘進(jìn)機(jī)的概述

1.1 懸臂式掘進(jìn)機(jī)結(jié)構(gòu)

EBZ318 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示。

圖1 EBZ318 懸臂式掘進(jìn)機(jī)的結(jié)構(gòu)組成

1.2 掘進(jìn)機(jī)負(fù)載敏感系統(tǒng)

為了解決掘進(jìn)機(jī)在掘進(jìn)工作面掘進(jìn)工作時(shí)散熱條件差的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)節(jié)能生產(chǎn)的目的，將負(fù)載敏感技術(shù)引入掘進(jìn)機(jī)液壓控制系統(tǒng)中。所謂負(fù)載敏感系統(tǒng)指的是油泵根據(jù)實(shí)時(shí)工況對(duì)油泵的輸出壓力、流量進(jìn)行調(diào)節(jié)，在一定程度上減小了掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)管路中的壓力損失[2]。目前，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中的負(fù)載敏感系統(tǒng)分為開(kāi)中心負(fù)載敏感系統(tǒng)和閉中心敏感系統(tǒng)。

1.3 掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)主要由閥控系統(tǒng)完成。其中，掘進(jìn)機(jī)截割頭的升降、回轉(zhuǎn)、鏟板的升降以及后支撐升降動(dòng)作均是由液壓系統(tǒng)的液壓缸的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的；而掘進(jìn)機(jī)的前進(jìn)和后退是由高速柱塞馬達(dá)+減速器配合完成的。為確保掘進(jìn)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求液壓系統(tǒng)滿足如下要求：

1）為了適應(yīng)不規(guī)則、隨機(jī)性的工況，要求掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)能夠根據(jù)負(fù)載變化實(shí)時(shí)調(diào)整系統(tǒng)的工作壓力和流量；

2）為了確保掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)運(yùn)行，對(duì)其截割部和裝載運(yùn)動(dòng)采用雙聯(lián)泵的控制方式；

3）要求掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)采用先導(dǎo)閥控制的方式[3]。

2 掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路的仿真分析

掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中平衡閥主要作用是防止掘進(jìn)機(jī)截割部由于其自重而出現(xiàn)下路的現(xiàn)象，進(jìn)而導(dǎo)致事故的發(fā)生。為準(zhǔn)確把握掘進(jìn)機(jī)液壓系統(tǒng)中平衡溢流閥組密封元件頻繁損壞的原因，本節(jié)將基于AMESim 軟件建立掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路的仿真模型對(duì)其液壓回路的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析。

2.1 掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路仿真模型的搭建

為了能夠精確獲得平衡閥密封組件頻繁損壞的原因，要求截割部升降液壓回路仿真模型要盡可能地與實(shí)際系統(tǒng)相符合。故，對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路中的變量泵、換向閥、平衡閥等關(guān)鍵元器件的模型分析[4]。鑒于篇幅原因，本節(jié)僅列出換向閥和平衡閥的AMESim 的仿真模型如圖2 所示。

圖2 AMESim 液壓回路仿真模型

上述仿真模型根據(jù)部件規(guī)格尺寸建立模型后，還需對(duì)截割升降液壓回路模型中的升降油缸、平衡溢流閥的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。參數(shù)設(shè)置結(jié)果如表1所示。

表1 液壓回路其他元器件參數(shù)設(shè)置

2.2 仿真結(jié)果的分析

設(shè)定仿真時(shí)長(zhǎng)為10 s，仿真步長(zhǎng)為0.05 s。仿真結(jié)果分析如下：

2.2.1 中位等待工況仿真結(jié)果

中位等待工況仿真結(jié)果如圖3 所示。

圖3 中位等待工況仿真結(jié)果

變量泵啟動(dòng)瞬間，油泵的出口壓力瞬間上升至40 bar，并且在0.7 s 左右油泵出口壓力趨于穩(wěn)定，壓力值最終穩(wěn)定于24 bar。通過(guò)仿真可知，當(dāng)處于中位等待工況時(shí)，變量泵的最終穩(wěn)定輸出壓力為24 bar，與模型中設(shè)定的25 bar 非常接近。經(jīng)中位等待工況的仿真驗(yàn)證模型的正確性和可靠性。

2.2.2 截割部上升工況仿真

仿真設(shè)置：仿真時(shí)刻為5 s 時(shí)，給液壓回路系統(tǒng)中多路換向閥的30 bar 的壓力信號(hào)，并一直到仿真結(jié)束。截割上升工況仿真結(jié)果如圖4 所示。

圖4 截割部上升工況仿真結(jié)果

如圖4 所示，系統(tǒng)受到多路換向閥30 bar 的壓力信號(hào)后，截割部液壓油缸內(nèi)的壓力在5.8 s 的時(shí)刻上升到200 bar；之后截割部液壓油缸以最大速度伸出，期間由于截割頭不斷截割巖層受到多變的負(fù)載，使得液壓油缸內(nèi)的壓力呈現(xiàn)出振蕩現(xiàn)象，并且在170～220 bar 的范圍內(nèi)浮動(dòng)。當(dāng)液壓油缸完全伸出后，在外部載荷及慣性力的共同作用下，油缸內(nèi)的壓力瞬間上升至506 bar，并在3 s 后由于變量泵的保護(hù)功能降至250 bar。

經(jīng)查閱資料可知，平衡閥、溢流閥所能承受的最大壓力為350 bar，506 bar 已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其許用壓力[5]。故，可考慮當(dāng)油缸完全伸出后油缸壓力瞬間上升至506 bar 是導(dǎo)致密封組件失效的原因。

2.2.3 截割部下降工況仿真結(jié)果

仿真設(shè)置：仿真時(shí)刻為5 s 時(shí)，給液壓回路系統(tǒng)中多路換向閥的30 bar 的壓力信號(hào)，并一直到仿真結(jié)束。截割下降工況仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 截割部下降工況仿真結(jié)果

如圖5 所示，當(dāng)系統(tǒng)未接收到壓力信號(hào)之前，截割升降油缸有桿腔壓力和LS 反饋壓力均為0，只有變量泵的出口壓力維持在25 bar。當(dāng)收到壓力信號(hào)后直到19.3 s，由于外部載荷的多變性，截割升降油缸有桿腔內(nèi)的壓力在90 bar 的上下振蕩；從19.3 s開(kāi)始截割部油缸運(yùn)行到極限位置，此時(shí)有桿腔內(nèi)的壓力維持在變量泵的切斷壓力250 bar 左右。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)掘進(jìn)機(jī)截割升降液壓回路中位等待、截割部上升、截割部下降工況下液壓油缸壓力變化情況的仿真分析，得出截割升降液壓回路平衡閥密封組件失效的根本原因?yàn)榻馗畈可仙r時(shí)油缸完成伸出后壓力瞬間上升至506 bar 遠(yuǎn)大于密封組件的失效壓力350 bar，為改進(jìn)掘進(jìn)機(jī)液壓回路中的平衡閥提供了理論指導(dǎo)。