液壓支架供液系統(tǒng)壓力波動(dòng)特性分析

郭凱宇，吳 娟，李宇琛，許 鵬

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.山西省礦山流體控制工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024； 3.礦山流體控制國(guó)家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

引言

當(dāng)前，隨著煤礦開采技術(shù)的發(fā)展和對(duì)煤礦安全的嚴(yán)格要求，綜采向自動(dòng)化、智能化綜采方向發(fā)展，對(duì)液壓支架高精度自動(dòng)控制的需求越來(lái)越高[1]。對(duì)綜采工作面提出了更高的要求,液壓支架作為綜采工作面關(guān)鍵的支護(hù)設(shè)備,也必須走向智能化方向[2]。液壓支架在“三機(jī)”協(xié)調(diào)中扮演關(guān)鍵角色，其作用是按照一定規(guī)則順序執(zhí)行各種動(dòng)作，緊隨采煤機(jī)割煤并及時(shí)跟進(jìn)移動(dòng)，以保證工作面頂板支護(hù)并正常推進(jìn)[3-5]。工作面綜采裝備的協(xié)同推進(jìn)與精準(zhǔn)控制是智慧礦山關(guān)鍵核心技術(shù)之一，要求支架群組中每臺(tái)支架有序、適時(shí)、精準(zhǔn)、協(xié)調(diào)地進(jìn)行動(dòng)作[6-7]。液壓支架是用來(lái)控制采煤工作面礦山壓力的結(jié)構(gòu)物,能有效地為采煤設(shè)備和人員提供安全的工作空間[8]。對(duì)液壓支架各執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)快速、高精度的控制是采煤工作面裝備智能化關(guān)鍵難題，不僅影響著井下生產(chǎn)效率，也對(duì)于井下安全保障具有重要的意義。液壓支架是確保煤礦工作面安全正常生產(chǎn)的重要設(shè)備，在應(yīng)對(duì)頂板來(lái)壓方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用[9]。供液系統(tǒng)是綜采工作面液壓支架的主要?jiǎng)恿υ?，是液壓支架能否及時(shí)準(zhǔn)確執(zhí)行給定動(dòng)作的決定因素之一[10]。液壓支架不同動(dòng)作往往需液量差別較大[11]，各個(gè)動(dòng)作之間的轉(zhuǎn)換，會(huì)造成壓力突變[12]。卸荷閥頻繁啟閉，會(huì)使泵處于頻繁卸載狀態(tài)，系統(tǒng)壓力頻繁波動(dòng)。

目前，液壓支架供液系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是流量大和壓力高，供液系統(tǒng)中的壓力脈動(dòng)會(huì)帶來(lái)較大噪聲，壓力沖擊會(huì)影響液壓閥的使用壽命和可靠性，從而影響液壓系統(tǒng)的控制性能。因此，研究供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)特性對(duì)于實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)綜采工作面的智能化具有重要意義。

本研究以井下實(shí)際支架供液特征為出發(fā)點(diǎn)，通過(guò)理論分析、仿真預(yù)測(cè)、井下實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等方法研究支架供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)特性及卸荷閥在液壓支架供液系統(tǒng)中對(duì)于壓力波動(dòng)的影響特性。

1 支架供液系統(tǒng)仿真分析

根據(jù)卸荷閥原理圖，在SimulationX中建立支架液壓系統(tǒng)仿真模型，如圖1所示。

圖1a為液壓支架供液系統(tǒng)的部分仿真模型?？紤]到實(shí)際液壓支架供液系統(tǒng)中存在泄漏，且相同的泄漏孔在不同壓力下泄漏的流量也不相同，液壓支架供液系統(tǒng)中采用由 3%～5%乳化油和95%～97%的水配制而成的合成液，其黏度小，泄漏影響較大，所以外接1個(gè)節(jié)流孔模擬持續(xù)泄漏，以實(shí)現(xiàn)卸荷閥持續(xù)動(dòng)態(tài)工作模擬[13]。仿真模型采用1個(gè)恒流源代替乳化液泵作為動(dòng)力源，以排除泵的性能對(duì)于供液系統(tǒng)中壓力特性的影響。支架液壓系統(tǒng)仿真模型包括3臺(tái)液壓支架，利用SimulationX中的二次開發(fā)軟件進(jìn)行封裝，圖1b仿真模型中液壓支架封裝模型的MBS模型，其中各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的尺寸、結(jié)構(gòu)和材質(zhì)等具體參數(shù)依據(jù)ZY9600/15.5/55型液壓支架設(shè)置，其部分參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 仿真模型參數(shù)Tab.1 Simulation model parameters

以bodyForce模塊給支架加載，通過(guò)Curver控制加載力。圖1c為支架模型的三維視圖，在仿真過(guò)程中可直觀反映支架的動(dòng)作。

1.1 支架不動(dòng)作仿真分析

對(duì)于液壓支架供液系統(tǒng)，壓力波動(dòng)頻率是衡量系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要標(biāo)準(zhǔn)。液容會(huì)影響引起壓力變化所需要的乳化液流量以及補(bǔ)液速度，液壓支架供液系統(tǒng)中管路長(zhǎng)度會(huì)對(duì)壓力的響應(yīng)速度產(chǎn)生影響，影響系統(tǒng)中壓力波動(dòng)的頻率。供液系統(tǒng)中，供液流量直接影響著補(bǔ)液的速度。因此，忽略乳化液的可壓縮性，在支架不動(dòng)作時(shí)對(duì)不同管路長(zhǎng)度、不同供液流量進(jìn)行仿真分析，設(shè)置卸荷閥調(diào)壓范圍為28～31.5 MPa，其具體仿真結(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2可以看出，系統(tǒng)完成初始充液狀態(tài)后，上升到卸荷閥調(diào)定壓力后，卸荷閥開啟卸載。泄漏口不斷漏液，壓力下降到卸荷閥的加載壓力，泵恢復(fù)為加載狀態(tài)[14]。壓力上升到調(diào)定壓力后，卸荷閥重新卸載，如此不斷循環(huán)往復(fù)。由圖2a可以看出，隨著管路的增長(zhǎng)，隨泄漏而引起的壓力降低速度變得緩慢，波動(dòng)周期也變長(zhǎng)，波動(dòng)頻率變?。挥蓤D2b可以看出，隨著供液流量的增大，對(duì)于由于泄漏引起的壓力下降速度幾乎沒(méi)有影響，隨著供液流量的增大，壓力升高的速度加快，壓力波動(dòng)周期變短，波動(dòng)頻率也相應(yīng)變大。

圖2 支架不動(dòng)作仿真分析Fig.2 Simulation analysis of stand not moving

1.2 支架具體動(dòng)作仿真分析

在液壓支架所有工作機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)中，最重要的是支架的降柱、移架、升柱和推溜4個(gè)動(dòng)作，且這4個(gè)動(dòng)作的執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作特性和負(fù)載特征并不相同。對(duì)于支架的不同動(dòng)作，以及同時(shí)動(dòng)作數(shù)量，壓力都有不同的變化特性。分別以1臺(tái)支架動(dòng)作、2臺(tái)支架同時(shí)動(dòng)作和3臺(tái)支架同時(shí)動(dòng)作進(jìn)行仿真分析。其中，支架升降柱行程為300 mm，支架移架和推移行程為800 mm。仿真結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3仿真結(jié)果可看出，支架降柱時(shí)同時(shí)動(dòng)作數(shù)越多，用液量越大，波動(dòng)越頻繁。系統(tǒng)壓力一直在卸荷閥的壓力調(diào)定范圍內(nèi)波動(dòng)，此動(dòng)作系統(tǒng)供液量充足。支架升柱和推溜時(shí)，壓力會(huì)快速降至低于卸荷閥加載壓力，隨著同時(shí)動(dòng)作數(shù)增多，壓力降低速度越大，最低壓力值越小。此過(guò)程卸荷閥處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)入系統(tǒng)的流量低于支架動(dòng)作所需的流量。當(dāng)1臺(tái)支架移架時(shí)，系統(tǒng)壓力在卸荷閥壓力調(diào)定范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)，兩臺(tái)同時(shí)移架時(shí)，系統(tǒng)壓力會(huì)低于卸荷閥壓力調(diào)定范圍。

圖3 支架動(dòng)作仿真分析Fig.3 Simulation analysis of stent movement

額定供液時(shí)，支架同時(shí)動(dòng)作數(shù)量越多，用液量越大，支架動(dòng)作速度越慢，壓力下降越快。為滿足井下生產(chǎn)對(duì)支架動(dòng)作速度的要求，需要給供液系統(tǒng)相匹配的供液量，但過(guò)足的供液不僅會(huì)造成大量能源浪費(fèi)而且還會(huì)增大壓力波動(dòng)頻率。

2 井下壓力實(shí)測(cè)與分析

為了研究井下實(shí)際工作情況，采集了井下工作現(xiàn)場(chǎng)的系統(tǒng)壓力數(shù)據(jù)。設(shè)定卸荷閥的卸荷與恢復(fù)壓力分別為31.5 MPa和28 MPa。通過(guò)壓力傳感器采集供液系統(tǒng)中的壓力值，采樣間隔為2 s，截取其中20000 s的壓力數(shù)據(jù)如圖4所示。

由4a可以看出，綜采工作面的液壓支架的動(dòng)作情況大致可以分為3種工況，分別為液壓支架動(dòng)作時(shí)用液量少導(dǎo)致系統(tǒng)壓力在卸荷閥調(diào)定范圍內(nèi)頻繁較小幅度波動(dòng)如圖4b、液壓支架不動(dòng)作時(shí)由于系統(tǒng)漏液導(dǎo)致壓力在卸荷閥壓力調(diào)定范圍內(nèi)周期性波動(dòng)如圖4c、液壓支架動(dòng)作時(shí)用液量大導(dǎo)致壓力低于卸荷閥加載壓力大幅度波動(dòng)如圖4d。

圖4 20000 s實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)Fig.4 20000 s measured pressure data

當(dāng)支架不動(dòng)作時(shí)，卸荷閥開啟卸載。由于泄漏會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)中壓力下降，當(dāng)降至卸荷閥加載壓力時(shí)，卸荷閥關(guān)閉，泵開始加載；壓力升至卸荷閥的卸荷壓力時(shí)卸荷閥重新開啟卸載，不斷循環(huán)。

當(dāng)液壓支架動(dòng)作的用液量小于系統(tǒng)的供液量時(shí)，該工況泵站供液量過(guò)足，多余的流量導(dǎo)致液壓缸中壓力快速升高，液壓缸快速動(dòng)作，升到卸荷閥的卸荷壓力后，卸荷閥開啟，壓力下降，液壓缸動(dòng)作速度減?。粔毫ο陆档叫逗砷y的加載壓力時(shí)，卸荷閥關(guān)閉，泵重新加載，系統(tǒng)升壓。系統(tǒng)壓力在卸荷閥的調(diào)壓范圍內(nèi)頻繁波動(dòng)[15]。此時(shí)，卸荷閥處于頻繁的開關(guān)過(guò)程中。

當(dāng)液壓支架動(dòng)作用液量大于進(jìn)入供液系統(tǒng)的用液量，此時(shí)系統(tǒng)壓力會(huì)大幅度下降。該過(guò)程是由于泵站供液不足，液壓缸動(dòng)作所需流量欠缺導(dǎo)致系統(tǒng)壓力降低，直到支架動(dòng)作所需用液量小于或者等于泵站實(shí)際供入系統(tǒng)液量，壓力停止下降并重新上升。此過(guò)程中卸荷閥始終關(guān)閉，泵一直處于加載狀態(tài)。壓力頻繁波動(dòng)的動(dòng)作可以使執(zhí)行元件在卸荷閥調(diào)定的壓力范圍內(nèi)以較高的速度動(dòng)作，但頻繁的壓力波動(dòng)會(huì)降低液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，影響液壓元件的使用壽命。低壓的工況雖然不會(huì)導(dǎo)致頻繁的壓力脈動(dòng)，但執(zhí)行元件的動(dòng)作速度相對(duì)較低，影響井下生產(chǎn)要求。

可以得出執(zhí)行元件液壓缸動(dòng)作過(guò)程的供液特性規(guī)律為：不同的動(dòng)作類型以及同時(shí)動(dòng)作的數(shù)量對(duì)于流量的需求量也不同。在額定流量下，不同的工況會(huì)導(dǎo)致不同的壓力變化特性。同時(shí)，壓力變化的趨勢(shì)也反映了系統(tǒng)的供液量是否充足，泵站的供液質(zhì)量以及卸荷閥的啟閉狀態(tài)[16]。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證液壓支架供液系統(tǒng)壓力波動(dòng)的影響因素，應(yīng)用井下實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備搭建了實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，如圖5所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.5 Experimental platform

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用1臺(tái)額定流量為200 L/min的礦用乳化液泵通過(guò)變頻器實(shí)現(xiàn)軟啟動(dòng)，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)變流量調(diào)節(jié)，在管路中通過(guò)三通連接1個(gè)有小孔的堵頭模擬泄漏，利用壓力傳感器通過(guò)信號(hào)采集儀對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。實(shí)驗(yàn)從管路長(zhǎng)度和供液流量2個(gè)方面對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6實(shí)驗(yàn)結(jié)果與支架不動(dòng)作時(shí)的仿真結(jié)果一致。供液管路長(zhǎng)度對(duì)于壓力波動(dòng)頻率的影響隨著管路長(zhǎng)度達(dá)到一定值時(shí)影響會(huì)變小。在卸荷閥開啟狀態(tài)下對(duì)于壓力下降速度幾乎沒(méi)有影響，但在卸荷閥關(guān)閉時(shí)壓力上升速度與供液流量成正比，供液流量越大壓力波動(dòng)越頻繁。若供液流量過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致卸荷閥動(dòng)作更加頻繁開啟，壓力波動(dòng)大[17]。供液系統(tǒng)應(yīng)在滿足供液需求的前提下，盡可能的減少供液流量能夠有效減少壓力波動(dòng)，也節(jié)能。

圖6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析Fig.6 Analysis of experimental results

4 結(jié)論

基于卸荷閥對(duì)液壓支架供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)特性進(jìn)行了仿真與實(shí)驗(yàn)研究，得到了液壓支架供液系統(tǒng)的壓力波動(dòng)特性。通過(guò)減少泄漏不僅可以降低能量損失而且可以減少壓力波動(dòng)，改善液壓系統(tǒng)供液穩(wěn)定性。支架不動(dòng)作時(shí)，壓力波動(dòng)主要受泄流量和管路長(zhǎng)度影響較大，受供液流量影響較小。做好供液系統(tǒng)的密封是改善供液質(zhì)量的有效途徑。

支架動(dòng)作時(shí)，對(duì)供液流量要求較高，額定供液量下，升柱和推溜壓力波動(dòng)幅度受供液量影響較大，壓力最低值明顯低于卸荷閥加載壓力，降柱壓力波動(dòng)最大；多臺(tái)支架同時(shí)動(dòng)作時(shí)，用液量會(huì)增加，會(huì)造成壓力下降速度變快。為與工況相適應(yīng)的供液方案提供了一定的借鑒。