基于AMESim的液壓支架降柱動(dòng)態(tài)特性建模仿真

劉曉蓮 李 坤 趙雄鵬

（1.太原重工股份有限公司，山西太原030000；2.山西焦煤機(jī)電裝備電子商務(wù)有限公司，山西太原030000；3.廣州博創(chuàng)智能裝備有限公司，廣東廣州511450）

0 引言

在煤炭開(kāi)采過(guò)程中，液壓支架是用來(lái)支撐采煤工作面礦壓的主要設(shè)備。液壓支架工作循環(huán)中，壓力和流量是隨著工況的變化而不斷變化的。對(duì)液壓支架立柱運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算時(shí)，因經(jīng)驗(yàn)公式的運(yùn)用而存在一定的誤差，因此通過(guò)仿真手段對(duì)動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行模擬十分必要[1]。

AMESim是最早由法國(guó)Imagine公司推出的“學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)”，技術(shù)人員可利用平臺(tái)建立復(fù)雜的多學(xué)科多領(lǐng)域的仿真系統(tǒng)模型，進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析，研究元件或系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)性能。利用AMESim建立仿真模型，設(shè)定合理的仿真參數(shù)，通過(guò)對(duì)靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的分析和優(yōu)化，能避免繁瑣的數(shù)學(xué)計(jì)算，從而降低開(kāi)發(fā)成本，縮短開(kāi)發(fā)周期[2]。

本文對(duì)降柱速度進(jìn)行靜態(tài)計(jì)算，利用AMESim建立液壓支架立柱回路系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)降柱工作過(guò)程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析[3-4]。通過(guò)對(duì)比靜態(tài)計(jì)算結(jié)果和仿真結(jié)果來(lái)驗(yàn)證仿真模型的正確性，并分析對(duì)比結(jié)果存在差異性的原因，可為液壓支架液壓系統(tǒng)仿真研究提供指導(dǎo)，為系統(tǒng)的進(jìn)一步優(yōu)化提供依據(jù)。

1 液壓支架機(jī)械結(jié)構(gòu)

液壓支架機(jī)械部分主要由底座、四桿機(jī)構(gòu)、掩護(hù)梁、頂梁、平衡缸和立柱組成。掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 掩護(hù)式液壓支架機(jī)構(gòu)圖

2 降柱回路原理

因液壓支架的對(duì)稱性，可對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，只建立單立柱的機(jī)液模型，液壓支架單立柱系統(tǒng)工作原理圖如圖2所示。立柱下降時(shí)，高壓乳化液的流通路線為：高壓供液路P、反沖洗過(guò)濾器、主控制閥，進(jìn)入立柱上腔；立柱下腔的乳化液經(jīng)過(guò)液控單向閥、旁路閥、回液斷路閥、主回液管路。

圖2 液壓支架單立柱原理圖

3 降柱速度靜態(tài)計(jì)算

根據(jù)功率守恒公式得：

式中：P7為立柱進(jìn)液壓力，伸出時(shí)為活塞腔壓力，縮回時(shí)為活塞桿腔壓力；Q7為立柱進(jìn)液流量；P8為立柱回液壓力，伸出時(shí)為活塞桿腔壓力，縮回時(shí)為活塞腔壓力；Q8為立柱回液流量；ΔQ為油缸在運(yùn)行時(shí)的內(nèi)部泄漏，計(jì)算中忽略不計(jì)；F為立柱總負(fù)載，主要包括液壓支架的負(fù)載，液壓支架頂梁、掩護(hù)梁和立柱活塞桿自重；v為立柱運(yùn)動(dòng)速度。

故立柱運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算公式為：

設(shè)定立柱下腔與上腔的面積比為k，當(dāng)立柱縮回時(shí)：

故立柱的降柱速度計(jì)算公式為：

式中：K進(jìn)為系統(tǒng)中液壓閥和管路的進(jìn)液壓力損失系數(shù)；K回為系統(tǒng)中液壓閥和管路的回液壓力損失系數(shù)。

4 降柱回路AMESim建模

根據(jù)機(jī)械結(jié)構(gòu)和液壓系統(tǒng)原理圖，搭建降柱回路AMESim仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓支架降柱回路仿真模型

供液流量為恒流源500 L/min；對(duì)應(yīng)的安全閥閥壓力為31.5 MPa（315 bar）；立柱有桿腔控制信號(hào)輸入0～2 s內(nèi)為0，2～4 s輸入階躍信號(hào)40 null，持續(xù)時(shí)間為2 s；管路樣式模量1×105MPa（1×106bar），管徑65 mm。模擬立柱下降階段，立柱下降20 cm。

以液壓支架ZY12000/28/64型號(hào)為例，液壓參數(shù)如表1所示。進(jìn)油控制信號(hào)前2 s為0，使得系統(tǒng)管路充滿液壓油，2～4 s給階躍信號(hào)40 null。

表1 液壓支架液壓參數(shù)

5 降柱動(dòng)態(tài)特性仿真分析

降柱動(dòng)態(tài)位移如圖4所示。立柱均勻下降，用時(shí)2 s下降14 cm，平均下降速度為70 mm/s，比理論下降值61.6 mm/s快12.5%。3～4 s速度穩(wěn)定后下降6 mm，穩(wěn)定后平均速度60 mm/s，比理論值小2.6%。

圖4 立柱下降位移圖

降柱時(shí)立柱有桿腔壓力動(dòng)態(tài)如圖5所示，無(wú)桿腔壓力動(dòng)態(tài)如圖6所示。降柱時(shí)有桿腔壓力保持在30 MPa（300 bar），無(wú)桿腔開(kāi)始有壓力波動(dòng)，最大壓力波動(dòng)5.6 MPa（56 bar），最終壓力保持在4.1 MPa（41 bar）。

圖5 立柱有桿腔壓力

圖6 立柱無(wú)桿腔壓力

結(jié)合圖4、圖5和圖6，降柱時(shí)有桿腔壓力達(dá)到安全閥卸流壓力，降柱速度不再由進(jìn)液流量決定，而由安全閥設(shè)定壓力和背壓大小決定。

6 結(jié)論

本文以掩護(hù)式液壓支架ZY12000/28/64型號(hào)為例，利用AMESim軟件，對(duì)液壓支架降柱工作過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性建模仿真分析。降柱速度靜態(tài)計(jì)算和動(dòng)態(tài)特性仿真結(jié)果對(duì)比基本吻合，證明了模型建立及仿真參數(shù)設(shè)置的正確性。但結(jié)果對(duì)比存在一定差異，產(chǎn)生差異的原因有：

（1）實(shí)際工作中，支架液壓系統(tǒng)的管路大部分是高壓軟管，高壓軟管有一定的容積效應(yīng)，在立柱供液時(shí)，高壓膠管膨脹，使降柱速度變緩。

（2）靜態(tài)計(jì)算中，壓差流量公式P=kQρ為經(jīng)驗(yàn)公式，式中ρ是試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)，ρ≈2，與實(shí)際情況存在一定誤差。