液壓錨桿鉆機液壓系統(tǒng)的設(shè)計與研究

于洋，張明遠，呂志文

（安徽理工大學(xué)機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001）

0 引言

當(dāng)前錨桿臺車的錨桿裝配、錨桿支護、掛網(wǎng)已經(jīng)成為快速推進礦井巷道掘進速度的必要研究課題。如錨桿臺車加強頂板支護成果、降低支護工人作業(yè)強度和減少支護錨桿器材消耗等先進技術(shù)手段[1]。近年來，我國礦用錨桿支護技術(shù)及錨桿支護鉆孔設(shè)備有了較大進步，在引進國外先進控制的基礎(chǔ)上相繼研發(fā)了氣液聯(lián)動、液動、氣動等一系列的錨桿鉆機臺車，以及在一些特殊條件下使用的錨桿組鉆裝臺車。我國正在積極探索和研究開發(fā)適合我國使用的錨桿支護設(shè)備，但與國外先進技術(shù)相比還有很大差距[2]。因此研究一種新型符合我國現(xiàn)階段情況的錨桿鉆機有著重要的意義。本文通過AMESim仿真軟件對錨桿鉆機的系統(tǒng)進行建模并進行仿真分析。

1 工作原理

液壓錨桿鉆機，其工作液壓回路主要由電動機、變量泵、溢流閥、三位四通電磁換向閥、單向閥、調(diào)速閥、液壓馬達和油缸組成。工作原理如圖1所示。為減少不同支路同時工作時的擾動并增強可靠性，控制同時處于動作狀態(tài)下的液壓支路數(shù)量。工作時通過液壓泵進行供油，利用電信號控制電磁換向閥的工作位置使得油路接通或者關(guān)閉，在到達工作位置之后，液壓缸7、8最先運動用來輔助支撐錨網(wǎng)到工作面，繼而是液壓缸1、2實現(xiàn)錨桿鉆機工作臺的水平位移，然后是液壓缸3、4、5、6實現(xiàn)錨桿鉆機豎直方向的支撐并調(diào)整馬達鉆機，最后利用液壓馬達9、10的旋轉(zhuǎn)完成錨桿的支護動作。其中豎直方向工作的液壓回路增加平衡閥控制回油時的速度，避免速度過快帶來沖擊，保證整個液壓回路的穩(wěn)定性。對于含有液壓馬達的支路，通過并聯(lián)溢流閥來減少閥芯開啟與關(guān)閉時對液壓馬達帶來的過大沖擊，增加回路的可靠性。為實現(xiàn)錨桿鉆機的正常使用工作，滿足不同支路的液壓缸動作需求，液壓缸的直徑、尺寸均不同，所需要的流量與閥的參數(shù)也不同。

2 液壓仿真系統(tǒng)模型搭建

根據(jù)圖1所示的錨桿鉆機液壓工作回路原理圖，在AMESim仿真軟件中搭建該原理圖對應(yīng)的仿真模型[3]，如圖2所示。

圖1 工作系統(tǒng)液壓回路原理圖

圖2 錨桿鉆機工作液壓系統(tǒng)AMESim仿真圖

錨桿鉆機整機參數(shù)如表1所示。

表1 錨桿鉆機整機參數(shù)

根據(jù)實際使用需求并結(jié)合機械設(shè)計手冊，液壓系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示[4]。

表2 錨桿鉆機工作系統(tǒng)參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

由于實際工作過程中，為提高系統(tǒng)可靠性，避免各支路間干擾，采用不同的電信號控制，使各支路分開動作，故將逐個分析各支路。

3.1 工作臺x軸移動回路

電動機轉(zhuǎn)速為1000 r/min，安全閥設(shè)定壓力為16.5 MPa，背壓閥為0.02 MPa，流量控制閥中最小開啟壓力為0.05 MPa，黏性摩擦因數(shù)為15 N/（m/s），液壓缸缸徑為40 mm，桿徑為25 mm，最大伸長量為203 mm。液壓泵排量為該支路設(shè)置仿真時間共計12 s，紀(jì)錄間隔為0.01 s，信號輸入0～4 s為-40 mA，4～8 s為0，8～12 s為40 mA。

分別得到工作狀態(tài)的液壓缸速度與時間的關(guān)系曲線和位移與時間的關(guān)系曲線。由圖3可知，液壓缸進油后處于勻速狀態(tài)，速度為0.1 m/s。由圖4可知，2 s時桿伸長到最大位移量。液壓缸回油時速度約為0.39 m/s，整個工作過程中運動平穩(wěn)，且能達到最大位移量，滿足使用要求。

圖3 x軸移動液壓缸速度與時間的關(guān)系曲線

圖4 x軸液壓缸位移與時間的關(guān)系曲線

3.2 工作臺沿y軸移動回路

電動機轉(zhuǎn)速為1000 r/min，液壓泵排量為12 mL/r，安全閥設(shè)定壓力為16.5 MPa，背壓閥為0.2 MPa，黏性摩擦因數(shù)為15 N/（m/s），液壓缸缸徑為φ50 mm，桿徑為32 mm，最大伸長量為500 mm。液壓泵排量為該支路設(shè)置仿真時間共計13 s，紀(jì)錄間隔為0.01 s，信號輸入0～6 s為-40 mA，4～8 s為0，8～12 s為40 mA。

分別得到工作狀態(tài)的液壓缸速度與時間的關(guān)系曲線和位移與時間的關(guān)系曲線。由圖5可知，液壓缸進油后處于勻速狀態(tài)，速度為0.1 m/s。由圖6可知，4.5 s時桿伸長到最大位移量。液壓缸復(fù)位所需時間約為3 s，整個工作過程中運動相對平穩(wěn)，且能達到最大位移量，滿足使用要求。

圖5 y軸液壓缸速度與時間的關(guān)系曲線

圖6 y軸液壓缸位移與時間的關(guān)系曲線

3.3 工作臺沿z軸移動回路

對于豎直角度放置的液壓缸，液壓泵流量為50 L/min，背壓閥閾值為0.2 MPa，平衡閥開啟壓力為2 MPa，液壓缸缸徑為100 mm，桿徑為70 mm，最大伸長量為1000 mm，進油時間為11 s，電磁閥處于中位時間為4 s，回油時間為6 s。由圖7可知，進油時桿速約為0.1 m/s，回油時油路開啟瞬間速度有波動，繼而回油速度穩(wěn)定在0.2 m/s附近。

圖7 z軸液壓缸速度與時間的關(guān)系曲線

3.4 液壓馬達回路分析

電動機轉(zhuǎn)速為1000 r/min，安全閥閾值為16.5 MPa，流量梯度為5000 L/min/MPa，設(shè)置轉(zhuǎn)動慣量分別為1、6、11 kg/m2，進行批處理仿真，仿真時間為15 s，步長為0.01 s，得到不同轉(zhuǎn)動慣量下的轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系曲線如圖9所示。液壓馬達的轉(zhuǎn)速達到穩(wěn)定的時間分別是2.5、6.5、11.7 s，由此可知，隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，液壓馬達達到穩(wěn)定工作狀態(tài)的時間逐漸增加[5]，且轉(zhuǎn)動慣量越大，液壓馬達的穩(wěn)定性越高。

圖8 z軸液壓缸位移與時間的關(guān)系曲線

圖9 不同轉(zhuǎn)動慣量下馬達轉(zhuǎn)速與時間的關(guān)系曲線

系統(tǒng)中并聯(lián)的溢流閥在電磁閥開啟和關(guān)閉的瞬間平衡管路中的壓力，避免瞬間的壓力變化損傷液壓馬達，延長使用壽命[6]。

4 結(jié)語

對于提出的一種新型錨桿鉆機，在AMESim仿真平臺上建立液壓控制系統(tǒng)仿真，對工作臺X軸、Y軸、Z軸移動的支路進行仿真，分析液壓缸的活塞桿速度及位移的曲線圖，結(jié)果表明：含有液壓缸的支路在仿真過程中可以實現(xiàn)較為平穩(wěn)的工作，達到工況需求。對于含有液壓馬達的支路，分析液壓馬達與轉(zhuǎn)動慣量和溢流閥閾值的關(guān)系，結(jié)果表明：隨著轉(zhuǎn)動慣量的增加，達到所需轉(zhuǎn)速所耗用的時間也越長，但液壓馬達的穩(wěn)定性增加。本文通過設(shè)計仿真一種針對新型錨桿鉆機的液壓回路，為相關(guān)設(shè)計者提供一定的理論參考。