大功率圓錐破碎機液壓系統設計與仿真

邵安林 王汝杰 單長征 靳曉波 石博強

(1:鞍鋼集團礦業公司 遼寧鞍山114021；2:北京科技大學機械工程學院 北京100083)

·技術分析·

大功率圓錐破碎機液壓系統設計與仿真

邵安林①1王汝杰1單長征2靳曉波2石博強2

(1:鞍鋼集團礦業公司 遼寧鞍山114021；2:北京科技大學機械工程學院 北京100083)

基于圓錐破碎機的液壓系統工作原理和各元器件選型，運用AMESim軟件建立了圓錐破碎機液壓系統的仿真模型，得到了破碎機定錐鎖緊、過鐵釋放與清腔和排礦口大小調節三大支路執行系統負載、流量以及工作壓力隨時間的變化曲線，結果表明：液壓系統在外部復雜條件下仍能有效地工作，從而驗證了液壓系統設計的合理性。

圓錐破碎機 液壓系統 AMESim軟件 建模與仿真

1 引言

礦山行業中物料的粉碎是一道不可或缺的重要工藝過程。在物料粉碎過程中，圓錐破碎機是一種典型設備，廣泛應用在硬物料的中碎和細碎過程，尤其在產量要求大的礦山、建材、水利等行業，應用十分廣泛。從國外引進先進的圓錐破碎機技術和設備，對發展我國破碎機行業和礦業都具有十分顯著的現實意義，引進設備的關鍵在于消化和吸收以及將其國產化。因此在美卓HP800圓錐破碎機的基礎上研制了大功率圓錐破碎機，液壓系統是其研制過程中重要的部分。針對大功率圓錐破碎機在各種工況下的特點，對其液壓系統進行設計和仿真，最后對各元器件進行動態性能分析。

2 大功率圓錐破碎機液壓系統設計

2.1 液壓系統原理圖

針對圓錐破碎機應具備的三大基本功能的研究和分析，破碎機的液壓系統控制三個基本回路的動作。圓錐破碎機的液壓原理圖如圖1所示。左支路是定錐鎖緊回路，用于控制定錐液壓鎖緊液壓缸的動作；中間支路是過鐵釋放和清理回路，用于控制過鐵釋放和清理破碎腔時液壓缸的動作；右支路是排礦口大小調節回路，用于調節排礦口大小時液壓馬達的動作。

圖1 大功率圓錐破碎機液壓原理圖

2.2 液壓系統工作原理

參照設計液壓系統原理圖，對應著大功率圓錐破碎機的基本功能，表1顯示了各回路中的電磁換向閥的動作順序。

表1 圓錐破碎機電磁閥的動作順序(12個動作)

注：黑點表示電磁鐵得電

2.2.1 定錐鎖緊回路

為了將定錐保持在調整環中的破碎位置，借以消除螺紋間的間隙，防止產生沖擊和磨損，需要通過鎖緊缸加壓加以實現。當回路壓力低于某一下限值時，開啟電磁換向閥1DT。液壓油經主進油管路，流過節流閥和單向閥，進入鎖緊缸，推動活塞連接的調整環鎖緊定錐；同時給予蓄能器壓力；液壓油經可變節流閥流入主回油管路。當壓力達到某一上限值時，關閉電磁換向閥1DT。

2.2.2 過鐵釋放和清腔回路

通過非破碎物(過鐵)所產生的過大作用力會使調整環抬起，進而使液壓缸中的活塞上行。此時，液壓油從缸的上油室被排入蓄能器，由蓄能器吸收過大的油路液壓。當過鐵現象之后(破碎力達到正常值)，蓄能器釋放能量，將液壓油壓回液壓缸內，使油缸活塞縮回。

2.2.3 排礦口大小調節回路

當需要調整排礦口的大小時，可通過本回路來實現，即通過液壓馬達的正反轉，再通過大小齒輪的轉動，實現定錐的螺旋上下運動。電磁換向閥3DT通電，此時定錐鎖緊缸回路處于卸壓狀態。接通電磁換向閥5DT和9DT，液壓油分別流經換向閥到達液壓馬達，液壓馬達上的小齒輪帶動調整環來增大排礦口。

3 液壓系統建模與仿真

3.1 液壓系統模型的建立

利用AMESim軟件對液壓系統進行建模，對液壓系統進行合理簡化，但遵循不改變系統特性的原則，液壓系統模型建立如圖2所示。

圖2 在AMESim軟件平臺上建立的液壓系統模型

3.2 仿真參數設置

在AMESim軟件仿真時，各元件主要參數設置如下：油液密度900kg/m3，體積模量700MPa；電機轉速1500r/min；液壓泵排量80ml/rev，轉速1500r/min；液壓馬達排量90ml/rev，轉速150r/min；三位四通換向閥各通路流量100L/min；主油路溢流閥最大工作壓力為20.5MPa；蓄能器預充壓力16MPa，容量6.5L。過鐵液壓缸內徑250mm，活塞桿直徑140mm，行程0.4m；鎖緊缸內徑80mm，活塞桿直徑61mm，行程30mm。

4 液壓系統仿真結果

4.1 排礦口大小調節回路仿真結果

為確保圓錐破碎機排礦口大小的精度要求，排礦口大小的調整過程中需平穩且無較大沖擊波動，這就要求仿真系統中液壓馬達運行平穩，軸輸出速度無較大波動。圖3的兩個峰值是由于換向閥變向時產生的軸扭矩，軸扭矩的正負值僅代表轉動的方向。如圖4所示，在換向閥打開的初期，液壓馬達的速度瞬間達到150r/min，而且在運行中并無波動現象。隨著時間的變化，馬達的轉速會小幅度下降，是由于為了更真實的反應液壓系統的特性，在仿真初期的參數設定中，設定了泵和液壓馬達的泄露系數，因此馬達轉速的小幅下降進而表明仿真結果與實際相符。

圖3 液壓馬達軸扭矩的曲線

圖4 液壓馬達轉速曲線

4.2 過鐵釋放和清腔回路仿真結果

如圖5所示，無法破碎的鐵塊在破碎腔內受擠壓產生足以迫使定錐及上機架通過釋放缸活塞向上位移的力時，排礦口增大到可允許鐵塊通過，則鐵塊在自重作用下滑落，即鐵塊通過排礦口所需的時間為3s左右。過鐵釋放全過程所需時間控制在6.6s左右，設計要求所需時間為7s之內，因此仿真的系統滿足設計要求。

圖5 過鐵釋放過程中回路的壓力

圖6 蓄能器壓力和流量的變化

如圖6所示，在0～3s是由于過鐵致使釋放缸活塞向上位移，把支路中的油液壓入蓄能器中，從而使蓄能器體內的壓力和流量分別增加至20MPa和80ml左右，在鐵塊通過排礦口后，蓄能器的壓力和流量分別恢復至16MPa和0ml。從仿真圖形可以觀察到蓄能器內壓力和蓄能器口的流量基本符合理論分析。

4.3 定錐鎖緊回路仿真結果

由圖7所示的仿真結果可知：在定錐鎖緊回路中需要鎖緊缸的活塞桿向上移動，活塞桿理想的位移變化如圖線2所示，但由于考慮到系統中各液壓元件的泄漏，因此在仿真建模的參數設定了各個液壓元件的泄漏系數，故仿真得到的活塞桿的位移變化如圖中線1所示。考慮到油液的泄漏，活塞桿實際位移直線比理想位移直線的斜率小，即同樣的位移，活塞移動實際所需時間比理想所需時間要長。

圖7 鎖緊缸活塞桿位移變化

圖8 液壓泵出口壓力和流速曲線

在定錐鎖緊回路正常工作的情況下，如圖8所示，液壓泵出口壓力和流量隨時間的變化曲線，液壓泵由零負載到滿負載壓力需要0.3s；并無明顯波動，液壓泵出口的流速也趨于穩定。從仿真圖形可以觀察到液壓泵出口的壓力和流速基本符合理論分析。

5 結論

利用AMESim軟件對圓錐破碎機液壓系統進行建模仿真，在仿真結果中得到一些重要的參數曲線圖。經檢驗發現，大功率圓錐破碎機液壓系統仿真結果中的多處重要參數接近設計理想值，且符合實際工況，從而證明仿真成功，本套液壓系統的設計以及選型可取。

[1]高瀾慶，王文霞，馬飛．破碎機的發展現狀與趨勢[M].冶金設備，2001(4):13-14.

[2]楊培元，朱福元．液壓系統設計簡明手冊[M]．北京：機械工業出版社，2008.

[3]高有茂,杜金霞,郜紅莉.國內分級破碎機的研究現狀及方向[J].礦山機械,2008,Vol.35(12):95-97.

[4]周寶花,牛波,亓玉.液壓圓錐破碎機液壓系統及潤滑系統原理方案設計[J].液壓氣動與密封,2010(1):38-39.

[5]司癸卯,張青蘭,段立立,等.基于AMESim的液壓破碎錘液壓系統建模與仿真[J].中國工程機械學報,2010,Vol.8(2):179-183.

[6]趙文祥,嚴世榕.基于AMESim的輪式裝載機工作裝置建模與仿真研究[J].機床與液壓,2014,Vol.42(1):123-127.

[7]王小龍.基于AMESim的液壓制動集能系統的建模與仿真[J].成都大學學報(自然科學版),2013(2):22.

[8]唐威．慣性圓錐破碎機結構原理與應用研究[J]．礦山機械，2001(1)：31-33．

[9]付永領，祁曉野．AMESim系統建模和仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006.

[10]余佑國，龔國芳等．AMESim仿真技術及其在液壓系統中的應用[J] ．液壓氣動與密封，2005(3)：28-31.

DesignandSimulationaboutHighPowerHydraulicSystemofConeCrusher

Shao Anlin1Wang Rujie1Shan Changzheng2Jin Xiaobo2Shi Boqiang2

(1:Anshan I/S Group Co., Mining Company, Anshan 114021; 2:University of Science and Technology, Beijing 100083)

Based on the hydraulic system working principle of cone crusher and the components selection, simulation model of hydraulic system of cone crusher was established by applying the software AMESim. Got crusher cone lock, iron release and cavity and row ore mouth size to adjust the three branch execution system load, flow rate and pressure changing with time curve, the results show that the hydraulic system in the outside still can work effectively under complicated conditions, so as to verify the rationality of the design of the hydraulic system.

Cone crusher Hydraulic system AMESim software Modeling and simulation

邵安林，男，1963年出生，畢業于東北大學，博士，教授級高工，現任鞍山鋼鐵集團副總經理兼礦業公司經理，遼寧科技大學礦業工程學院院長

TD451 TB115

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.006

2014-05-22)