掘進機截割部升降油缸爬行現象分析

楊 峰，謝 巍，吳 旭

(南通理工學院建筑工程學院，江蘇南通 226002)

引言

本研究的插裝式平衡閥主要應用在EBZ120型掘進機上，用來控制掘進機截割部升降油缸、回轉油缸，鏟板升降油缸和后支持油缸動作。通過現場觀察發(fā)現，EBZ120型掘進機截割部在升降和旋轉過程中存在明顯的爬行、抖動現象[1-2]。為此，本研究搭建掘進機截割部升降油缸液壓系統(tǒng)仿真模型，研究平衡閥對升降油缸爬行、抖動現象的影響。

1 平衡閥工作原理介紹

插裝式平衡閥在EBZ120型掘進機上是成對使用的，結構如圖1所示。其中截割部由2個升降油缸驅動，而每1個升降油缸由1對平衡閥控制,分別控制升降油缸兩腔的背壓。連接升降油缸無桿腔的平衡閥用來平衡截割部重力負載對升降油缸的作用力，確保油缸不會因重力負載自行下滑，連接升降油缸有桿腔的平衡閥在油缸活塞桿頂出時為有桿腔提供背壓，可提高升降油缸制動響應速度。

假設平衡閥1的A口和平衡閥2的B口連接升降油缸的有桿腔和無桿腔，平衡閥1的1口接液壓系統(tǒng)主泵的壓油口，平衡閥2的4口接液壓系統(tǒng)的回油口，在升降油缸活塞桿退回時，主泵出油口油液進入平衡閥1的1口，頂開單向閥芯2，進入升降油缸有桿腔，部分高壓油通過閥塊內部通道經油口3進入平衡閥2的先導控制腔，而升降油缸無桿腔的油液則通過平衡閥2的B口作用在平衡閥2的主閥芯上，在無桿腔油壓和先導腔油壓的共同作用下，平衡閥2主閥芯打開，無桿腔油液通過4口返回油箱。在升降油缸退回過程中，平衡閥1相當于單向閥，平衡閥2為升降油缸無桿腔提供背壓。而在升降油缸頂出過程中，平衡閥1為升降油缸有桿腔提供背壓，平衡閥2相當于單向閥。

1.平衡閥1進油口 2.單向閥芯 3.平衡閥2控制油口4.平衡閥2出油口 5.平衡閥主閥芯圖1 平衡閥結構圖

2 液壓系統(tǒng)仿真模型搭建

2.1 液壓系統(tǒng)簡化

通過現場觀察，掘進機截割部在下降過程中，升降油缸的爬行抖動現象較為明顯，為簡化仿真模型，本研究搭建的模型只仿真截割部的下降過程。

在截割部下降過程(升降油缸活塞桿退回過程)中，升降油缸有桿腔的控制閥——平衡閥2，只起到單向閥的作用。因此，在搭建仿真模型時可忽略平衡閥2，但需保留平衡閥2為平衡閥1的先導腔提供的控制油。通過上述簡化，截割部升降油缸的液壓系統(tǒng)可簡化為如圖2所示。

2.2 仿真模型搭建

本研究使用AMESim軟件搭建了簡化后的截割部升降油缸液壓系統(tǒng)仿真模型[3-6]，對平衡閥和掘進機截割部進行了重點搭建，其他液壓元件模型選自AMESim軟件的標準液壓庫，搭建的仿真模型如圖3所示。

圖2 簡化后截割部升降油缸液壓系統(tǒng)

圖3 截割部升降油缸液壓系統(tǒng)仿真模型

2.3 模型參數化設置

依據EBZ120型掘進機裝機液壓元件參數、平衡閥結構尺寸、截割部結構尺寸(見圖4)及質量，對仿真模型(見圖5)進行參數化設置，如表1所示。

圖4 掘進機截割部外形尺寸

表1 AMESim仿真模型參數設置

說明截割部由1對升降油缸驅動，搭建的仿真模型為單缸，因此仿真模型里設置的泵輸出流量和截割部質量只為真實值的一半。

圖5 掘進機截割部仿真模型

3 截割部升降油缸負載仿真

對EBZ120型掘進機截割部升降油缸的負載做理論計算[7]，得出升降油缸受到的總負載力為：

(1)

(2)

β=123°-θ

(3)

式中，G—— 截割部重力

F—— 升降油缸總負載力

α—— 截割臂與水平面夾角

β—— 升降油缸與水平面夾角

L1,L2,L3,L4,L—— 掘進機截割部尺寸

θ—— 中間變量

已知EBZ120型掘進機截割臂與水平面夾角α的范圍為：-31°～42°，按照上面公式計算，在α=-31°時，單件升降油缸負載力為87795 N，在α=42°時，單件升降油缸負載力為62187 N。

通過模型仿真，可得到單件升降油缸負載力與夾角α關系曲線(見圖6)。

圖6 油缸總負載力與夾角α關系曲線

通過仿真分析，得出升降油缸受到的最大負載力發(fā)生在截割頭處于下極限位置(截割臂與水平面夾角為-31°)時，且隨著截割臂從上極限位置(截割臂與水平面夾角為42°)下行至下極限位置，油缸負載力逐漸增大，并與理論計算結果基本一致。

通過搭建截割部結構模型，可實現截割部升降油缸液壓系統(tǒng)的動負載仿真，使仿真過程更加貼近真實工況，對優(yōu)化液壓系統(tǒng)參數設置具有更有效的指導作用。

4 截割部升降油缸爬行現象分析

由于升降油缸和旋轉油缸的液壓控制系統(tǒng)類似，本研究以截割部下降過程為例，參考許路、秦國棟、陳晉市等[8-12]研究平衡閥的方法，研究平衡閥對升降油缸爬行抖動現象的影響。

由于截割部在下降過程中，升降油缸負載力是隨著α的減小逐漸增大的，這造成平衡閥的平衡狀態(tài)會一直被變化的負載打破，相對于固定負載的液壓系統(tǒng)，升降油缸液壓系統(tǒng)對平衡閥的動態(tài)特性提出更高的要求。

首先，實測平衡閥閥體閥芯尺寸，并根據測量結果設置仿真模型參數，通過仿真，得到截割部下降過程中油缸無桿腔壓力曲線、油缸速度位移曲線和平衡閥主閥芯速度位移曲線，如圖7～圖9所示。

圖7 升降油缸無桿腔壓力曲線

圖8 升降油缸速度及位移曲線

圖9 平衡閥主閥芯速度及位移曲線

通過上述仿真曲線可以看出，在掘進機截割部下降過程的前半段，平衡閥主閥芯速度和位置一直處于震蕩狀態(tài)，主閥芯需要較長時間才能達到平衡狀態(tài)，說明平衡閥動態(tài)特性不能很好的匹配截割部升降油缸變負載液壓系統(tǒng)，造成截割部在下降過程的前半段升降油缸速度波動明顯，一直處于爬行抖動狀態(tài)。為改善平衡閥動態(tài)特性，解決升降油缸爬行現象，下面將從平衡閥阻尼孔大小、動摩擦力大小和先導比大小3個方面研究平衡閥對升降油缸下降過程爬行現象的影響。

4.1 控制油阻尼孔大小影響

平衡閥實物控制油阻尼孔大小為1 mm，設置控制油阻尼孔大小分別為0.8，0.6，0.4 mm，研究控制油阻尼孔大小對升降油缸爬行現象的影響，如圖10～圖12所示。

圖10 升降油缸無桿腔壓力曲線

圖11 升降油缸速度曲線

圖12 平衡閥主閥芯位移曲線

通過仿真曲線可知，隨著控制油阻尼孔尺寸的減小，升降油缸無桿腔壓力、油缸速度和平衡閥主閥芯位移穩(wěn)定性越來越好，特別是當阻尼孔為0.4 mm時，平衡閥主閥芯可以快速開啟，并保持穩(wěn)定開口度，油缸外負載的變化也未造成平衡閥閥芯的明顯振動，同時油缸無桿腔壓力和油缸速度都比較穩(wěn)定?？梢?，通過減小控制油阻尼孔尺寸，可有效控制升降油缸的爬行抖動現象。

4.2 動摩擦力大小影響

基于4.1仿真結果，將平衡閥控制油阻尼設置為0.4 mm，研究平衡閥動摩擦力大小對升降油缸爬行現象的影響。

平衡閥主閥芯摩擦阻力主要由因密封圈預壓縮產生的初始摩擦阻力和在壓力油作用下產生的摩擦阻力增量組成。

初始摩擦力計算公式如下：

(4)

式中，Fe—— 初始摩擦力

f—— 密封圈摩擦系數

e—— 密封圈預壓縮率

E—— 密封圈彈性模量

D—— 密封圈外圓直徑

W—— 密封圈載徑

μ—— 泊桑系數

摩擦阻力增量計算公式如下：

(5)

式中，Fp—— 摩擦阻力增量

P—— 密封圈兩側壓差

密封圈引起的總摩擦阻力F總為：

F總=Fe+Fp

(6)

根據不同密封圈材質、規(guī)格、安裝后預壓縮量等參數，可計算出密封圈對平衡閥主閥芯的總摩擦力范圍，在計算范圍內分別取平衡閥的動摩擦力為30，45，60，90 N，得到仿真結果如圖13～圖15所示。

圖13 升降油缸無桿腔壓力曲線

圖14 升降油缸速度曲線

通過仿真曲線可知，隨著動摩擦力的增大，升降油缸無桿腔壓力、升降油缸和平衡閥主閥芯的速度波動性越小，穩(wěn)定性越高。已知，動摩擦力越小，平衡閥動態(tài)響應特性越高 ，但是在面對變化負載時，過高的動態(tài)響應特性反而使平衡閥更加不穩(wěn)定，因此，適當的增加平衡閥的動摩擦力有助于增強平衡閥在面對變化負載時的穩(wěn)定性，但當動摩擦力提高到90 N時，平衡閥的穩(wěn)定性并沒有提高，反而主閥芯的爬行現象更嚴重。從仿真結果得到，當主閥芯動摩擦力為60 N時，油缸運行平穩(wěn)性最好。

圖15 平衡閥主閥芯速度曲線

4.3 先導比大小影響

基于4.2仿真結果，將平衡閥動摩擦力設置為60 N，研究平衡閥先導比對升降油缸爬行現象的影響。

通過設置平衡閥控制油腔尺寸，將平衡閥的先導比分別設定為1∶1，2∶1，3∶1，得到仿真結果如圖16、圖17所示。

圖16 升降油缸無桿腔壓力曲線

圖17 升降油缸速度曲線

通過仿真曲線可知，隨著先導比的增大，升降油缸無桿腔壓力逐漸降低，大先導比可有效降低系統(tǒng)能耗，起到節(jié)能效果。從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮，小先導比平衡閥的閥芯振動受壓力波動影響更小，在面對變化負載時選擇小先導比平衡閥更合適，但是先導比過小時，平衡閥先導作用被大大削弱，閥芯摩擦力等其他影響因素起了主導作用，使得升降油缸爬行現象更加嚴重。通過仿真曲線可知，當平衡閥先導比2∶1時，升降油缸無桿腔的壓力波動最小，升降油缸速度波動最小。

5 結論

本研究搭建了掘進機截割部升降油缸液壓系統(tǒng)動態(tài)負載仿真模型，仿真出升降油缸的動態(tài)負載，針對截割部下行過程中的爬行現象，分別從控制油阻尼孔大小、動摩擦力大小和先導比3個方面展開分析，得出減小控制油阻尼孔尺寸、適當增加動摩擦力、選用2∶1的先導比可有效解決升降油缸的爬行抖動現象。