優(yōu)化液壓支架系統(tǒng)對(duì)移架速度的影響分析

馬效民

（山西焦煤集團(tuán)有限責(zé)任公司屯蘭礦，山西 古交 030206）

引言

隨著機(jī)械化采煤作業(yè)的不斷優(yōu)化，采煤機(jī)牽引速度不斷提高。液壓支架的支護(hù)速度與采煤機(jī)牽引速度能否相互協(xié)調(diào)，成為影響產(chǎn)煤量的主要因素之一。其中，液壓支架的支護(hù)速度主要取決于移架速度。通常情況下，在負(fù)載較低的情況下，提高泵站流量可提升移架速度。但當(dāng)負(fù)載過高時(shí)，增加泵站流量無法有效提高移架速度[1-2]。針對(duì)上述情況，以ZY9200/25/45D液壓支架為研究對(duì)象，對(duì)液壓支架移架速度進(jìn)行了分析研究。

1 液壓支架移架速度的分析

分析移架速度，首先要根據(jù)支架液壓系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)建移架過程圖，支架液壓系統(tǒng)橫向移動(dòng)的執(zhí)行元件為千斤頂，泵站提供的橫移壓力通過一系列液壓元件后，到達(dá)千斤頂做功，最終流回油箱。

根據(jù)功率守恒定律，移架速度可由公式（1）表示：

式中：P1為推動(dòng)液壓千斤頂活塞腔壓力，MPa；P2為液壓千斤頂做功后活塞桿壓力，MPa；Q1為推動(dòng)液壓千斤頂活塞腔的流量，L/min；Q2為液壓千斤頂活塞桿做功后流量，L/min；F為移架拉力，kN；v為移架速度，mm/s。

利用壓力守恒定律和流量守恒定律可得出移架速度公式如（2）所示：

式中：P為泵站進(jìn)口壓力，MPa；S為液壓千斤頂活塞腔內(nèi)外橫截面積比。

由于整個(gè)移架液壓系統(tǒng)中，流體的流量系數(shù)和密度是恒定的，因此可以利用壓差流量公式ΔPi=kiQ1，ki為單個(gè)元件的壓力損失系數(shù)，將上述公式簡化為公式（3）：

式中：K1為移架進(jìn)液壓力損失系數(shù)之和；K2為移架回液壓力損失系數(shù)之和。

從液壓支架ZY9200/25/45D系統(tǒng)中得到的已知條件包括：泵站進(jìn)口壓力P=32 MPa，移架額定壓力F=485 kN，液壓千斤頂活塞直徑D=140 mm，活塞桿直徑d=90mm，千斤頂進(jìn)出口流量與移架速度關(guān)系式，移架步距900 mm，主進(jìn)液管直徑24 mm，長度60 m；主回液管直徑8 mm，長度3 m；換向閥及液控單向閥額定流量均為420 L/min。通過檢測(cè)液壓元件，計(jì)算移架液壓系統(tǒng)壓力損失系數(shù)之和，將上述數(shù)據(jù)代入公式（3），可以得出液壓力損失系數(shù)與移架速度之間的關(guān)系式，如圖1所示。

圖1液壓系統(tǒng)壓力損失對(duì)移架速度的影響

圖1 中，K1，K2，K3代表了不同類型的液壓元件損失系數(shù)之和，其中K1＞K2＞K3。Q為泵站額定流量。

從圖1可以看出，在額定流量下，壓力損失系數(shù)越高，溢流閥的開啟時(shí)對(duì)應(yīng)的負(fù)載力越低，反之亦然。合理降低液壓系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)能夠有效提高液壓支架移架的負(fù)載。

同時(shí)，當(dāng)負(fù)載力低于溢流閥額定負(fù)載時(shí)，隨著壓力損失系數(shù)的降低，移架速度逐漸升高，說明壓力損失系數(shù)是影響移架速度的關(guān)鍵因素之一。而且，以F1，F(xiàn)2不同的負(fù)載力做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)負(fù)載力越高，壓力損失系數(shù)的變化越明顯。綜上所述，在較高的移架負(fù)載力作用下，降低液壓系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)是提高移架速度的合理措施[3-4]。

2 液壓系統(tǒng)的優(yōu)化

為降低整體壓力損失系數(shù)，在液壓系統(tǒng)中增設(shè)旁路，旁路系統(tǒng)內(nèi)包括液控單向閥，單向閥和交替單向閥，如圖2所示。

圖2 增加旁路后的推移千斤頂控制回路

當(dāng)換向閥位于左側(cè)位置時(shí)，高壓油通過交替單向閥將液控單向閥反向開啟，開啟后高壓油通過液控單向閥推動(dòng)活塞腔。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，液控單向閥與交替單向閥的壓力損失系數(shù)之和明顯小于換向閥，可提高移架速度。

當(dāng)換向閥位于右側(cè)位置時(shí)，回油壓力會(huì)通過液控單向閥重新進(jìn)入進(jìn)油管路，部分彌補(bǔ)進(jìn)油壓力損失，同時(shí)降低回液壓力，整體降低了液壓系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)，可充分提高移架速度[5-6]。

3 仿真分析

為證明上述液壓系統(tǒng)優(yōu)化的可行性，利用AMESim軟件對(duì)上述檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，根據(jù)研究的液壓移架參數(shù)，移架額定負(fù)載力為485 kN，現(xiàn)將移架負(fù)載力擬定為430 kN，泵站流量以200 L/min、400 L/min作對(duì)比分析，在其余運(yùn)行參數(shù)不變的情況下，得到的仿真曲線如圖3所示。

圖3為泵站額定流量200 L/min時(shí)移架速度曲線圖，從圖3中可以看出，移架速度在0~0.2 s時(shí)迅速升至218 mm/s，隨后保持穩(wěn)定后，在4.23 s后持續(xù)波動(dòng)并降至0，整體的移架時(shí)間大約在4.01 s左右。其中移架速度在終點(diǎn)處波動(dòng)是由于快速開啟液控單項(xiàng)閥導(dǎo)致的。

圖3 200 L/min時(shí)的移架速度曲線圖

圖4 為泵站額定流量400 L/min時(shí)移架速度曲線圖，由圖4中可以看出，移架速度在0~0.2 s時(shí)迅速升至237 mm/s，隨后保持穩(wěn)定后，在3.91 s后持續(xù)波動(dòng)并降至0，整體的移架時(shí)間大約在3.81 s左右。

圖4 400L/min時(shí)的移架速度曲線圖

通過比較移架速度變化發(fā)現(xiàn)，提高泵站流量可以提高移架速度。但在高負(fù)載的情況下，泵站流量的變化對(duì)移架速度提升速度較小，整體速度僅提高了19 mm/s。

泵站額定流量為400 L/min時(shí)，在液壓系統(tǒng)增加旁路后的移架速度曲線圖（圖5）中可以看出，移架速度在0~0.2 s時(shí)迅速升至283 mm/s，并波動(dòng)至一個(gè)412 mm/s峰值，這是由于閥芯瞬間開啟時(shí)產(chǎn)生瞬態(tài)液動(dòng)力造成的，隨后保持穩(wěn)定后，在3.53 s后持續(xù)波動(dòng)并降至0，整體的移架時(shí)間大約在3.39 s左右。

圖5 增設(shè)旁路后移架速度曲線圖

將圖4與圖5移架速度變化比較后發(fā)現(xiàn)，具有旁路的移架液壓系統(tǒng)較傳統(tǒng)液壓系統(tǒng)，時(shí)間縮短了約0.42 s，速度提高了約46 mm/s，有效地提高了移架速度。

結(jié)合上述仿真分析可以看出，負(fù)載力決定了如何提升移架速度。當(dāng)負(fù)載力較低時(shí)，可直接提高泵站額定流量；當(dāng)負(fù)載力較高時(shí)，在液壓系統(tǒng)合理增加旁路可有效提升移架速度。

4 結(jié)論

1）通過計(jì)算分析得出，高負(fù)載狀態(tài)下，影響移架速度的主要因素之一是移架液壓系統(tǒng)中的壓力損失系數(shù)。而且隨著負(fù)載的升高，損失系數(shù)對(duì)速度的影響越明顯，壓力損失系數(shù)越小，移架速度越快；

2）為減少系統(tǒng)中壓力損失系數(shù)，對(duì)移架液壓系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化，增加了旁路系統(tǒng)。通過補(bǔ)充進(jìn)液壓力，減少回液壓力的方式，合理有效地降低了整體系統(tǒng)的壓力損失系數(shù)；

3）模擬負(fù)載力為435 kN，泵站額定流量為400 L/min的情況下，對(duì)比分析了有旁路和沒有旁路的液壓系統(tǒng)橫移支架的速度。模擬后發(fā)現(xiàn)移架速度分別為237 mm/s、283 mm/s，移架時(shí)間分別為3.81 s、3.39 s。結(jié)果說明增加旁路的移架系統(tǒng)有效地提高了移架速度。