懸臂式掘進機截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費 燁，王繼明，葉曉帥

Shield Equipment& Project 盾構工程

懸臂式掘進機截割頭伸縮回路壓力沖擊分析

費 燁，王繼明，葉曉帥

[摘 要]針對掘進機工作過程中截割頭液壓伸縮回路壓力沖擊問題，利用LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對截割頭伸縮機構進行機液一體化聯合建模。模型求解分析表明，截割頭觸碰巖壁瞬間，伸縮回路壓力沖擊最大，壓力超調達79%，是導致截割頭伸縮油缸泄漏失效的主要原因，應在設計過程中通過增設蓄能器加以避免。

[關鍵詞]懸臂式掘進機；截割頭；伸縮回路；壓力沖擊

隨著煤炭行業的發展，懸臂式掘進機作為煤礦采掘機械化的關鍵設備，因其截割功率大、掘進速度快、適應性強等特點得到了廣泛應用[1]。目前，煤礦使用的掘進機大多通過伸縮油缸驅動截割頭完成掏窩鉆進。它工作時常會遇到半煤巖或硬巖，復雜多變的載荷會對液壓系統造成振動和壓力沖擊，導致伸縮缸密封損壞伸縮部無法正常伸縮。為此，本文借助LMS Virtual.Lab Motion與AMESim對懸臂式掘進機截割頭伸縮機構進行機液一體化建模，對工作過程中伸縮缸的壓力沖擊進行分析。

1 懸臂式掘進機伸縮液壓回路

懸臂式掘進機截割頭伸縮回路，主要由負載敏感泵1、比例多路換向閥2以及伸縮油缸3組成，如圖1所示。其中負載敏感控制閥彈簧預緊力較小，恒壓閥彈簧預緊力較大。

圖1 懸臂式掘進機伸縮機構液壓原理圖

負載敏感泵在低壓待機時，變量泵只輸出高于負載敏感閥彈簧彈力的壓力油，以推動斜盤逆時針旋轉至僅維持系統泄漏量位置。正常工作時，負載敏感閥處于動態平衡狀態，泵的輸出壓力僅高于伸縮油缸負載一個由比例多路換向閥2產生的壓差Δp，當伸縮回路所需流量增大時，比例多路換向閥的開度增大，其產生的壓差小于Δp，此時LS回路便會推動負載敏感閥閥芯向增大泵排量方向移動；當所需流量減小時與上述情況剛好相反。當比例多路閥產生的壓降大于Δp時，推動閥芯向減小泵排量方向移動，使得泵輸出流量始終與系統所需相適應。當伸縮回路壓力由于某些原因超壓時，恒壓閥打開，變量缸迅速將泵推至零排量附近，僅維持系統高壓狀態下的泄漏量[2]。

因此，該負載敏感回路可根據截割頭伸縮的實際承載及速度需求，輸出與負載工況相匹配的壓力和流量[3]。

2 伸縮回路機液一體化建模

懸臂式掘進機截割部伸縮油缸工作時需要底盤提供牽引力，其反作用力通過機體底盤傳遞至支撐油缸，是典型的機液一體化系統。這里利用LMS Virtual.Lab Motion完成伸縮機構建模，利用AMESim的HCD功能搭建負載敏感泵模型對伸縮機構液壓回路建模。最后通過高級接口將二者聯合，形成懸臂式掘進機截割頭伸縮機構機液一體化模型。

2.1 機械部分Motion建模

機械部分包括伸縮機構以及與之相連用于傳力的機體底盤、支撐油缸。考慮到本文重點研究伸縮缸的壓力變化，因而建模時將整機與支撐油缸視為一體并與地面固定，具體過程分為以下幾步：①在CATIA環境下建立伸縮機構三維模型，并利用LMS Virtual.Lab Motion軟件將其導入；②將已存在的各部分模型轉化為構件；③設定約束、外力以及驅動等參數。由此得掘進機伸縮機構動力學模型如圖2所示。

圖2 懸臂式掘進機伸縮機構Motion模型

2.2 伸縮回路AMESim建模

伸縮回路建模分為2步：①借助AMESim軟件分別建立LS閥、恒壓閥及變量油缸的HCD模型，將之組合為負載敏感泵模型；②按照圖1，將所建負載敏感泵模型和液壓庫中直接調用的節流閥、換向閥、液壓缸和負載機構模型組合，得到完整的掘進機負載敏感伸縮回路AMESim模型，如圖3所示。

圖3 懸臂式掘進機伸縮回路AMESim模型

2.3 伸縮機構的機液一體化模型

將伸縮機構Motion模型與伸縮回路AMESim模型，分別通過修改AME路徑、失效驅動、控制輸入輸出變量節點、改選積分器以及添加libmotion文件、修改編譯器等操作完成接口設置，最后生成液壓回路驅動伸縮機構的機液一體化模型，如圖4所示。

圖4 懸臂式掘進機伸縮機構機液一體化模型

圖4帶虛線方框是Motion模型求解生成的接口模塊，其中force_ss、velocity_ss、displace_ss分別為伸縮機構輸入輸出控制變量節點。

3 模型求解與分析

3.1 模型求解

在AMESim中對伸縮機構機液一體化模型采用CO-Simulation方式進行求解，積分求解器選用AMESIM_COSIM[4]。Motion中截割頭伸縮機構液壓缸驅動力由AMESim提供，與此同時AMESim接收由Motion反饋的油缸速度、位移信號，構成閉環耦合系統，實現實時數據交換。

表1是EBZ160懸臂式掘進機伸縮回路基本參數。

表1 伸縮回路基本參數

整機掏窩鉆進過程可用多路換向閥閥口開度和負載信號模擬。

設定換向閥開度信號如圖5所示。0～2s閥芯靜止，模擬前鏟板及后支撐伸出，將整機支撐起的工作準備過程；2～4s模擬伸縮回路換向閥在主機工作2s時閥芯移動，閥口開度由0線性增至0.285；4～6s閥口開度穩定在0.285；4～6s線性關閉。設置模擬負載信號如圖6所示：0～3s模擬截割頭空載伸出；3-10s模擬截割頭觸碰巖開始掏窩鉆進，載荷從100kN隨著鉆進深度線性增至150kN，其中5s時截割頭突遇硬巖隨后瞬間硬巖崩裂。

圖5 多路換向閥閥口開度變化

圖6 截割頭模擬載荷

設定求解步長0.05，求解時間10s，得到泵出口和伸縮油缸無桿腔壓力、流量如圖7、圖8所示。

圖7 泵出口和油缸無桿腔壓力

圖8 泵出口和油缸無桿腔流量

3.2 求解結果分析

圖7、圖8中，曲線1分別為泵輸出壓力、輸出流量曲線，曲線2分別為伸縮缸無桿腔輸出壓力、輸出流量曲線。由此可知在伸縮缸工作過程中：①泵出口壓力始終高于油缸無桿腔的負載壓力0.2MPa，這恰是負載敏感閥設定壓力，見圖7；②泵未啟動時處于最大排量，啟動瞬間輸出流量1470r/min×145mL/r=213L/min，啟動后迅速由最大排量調整至相應所需排量，僅輸出略微高于油缸伸出所需的流量以補充泄漏，見圖8；③當伸縮缸工作結束即8s時多路閥關閉（圖5），此時不再有流量進入伸縮缸，單向閥關閉，負載敏感閥的LS回路不再感應伸縮油缸無桿腔負載壓力而近似為油箱壓力，負載敏感泵處于低壓待機狀態，輸出壓力為敏感閥設定的0.2MPa。而此時負載壓力仍舊線性增大，如圖6，致使伸縮缸無桿腔壓力繼續線性上升，見圖7。可見，本文所建模型準確反映了伸縮回路工作特性，可用于分析其壓力沖擊。

由于掘進機伸縮機構機液一體化模型基于AMESim平臺調用Motion求解，要求 Motion采樣步長大于AMESim步長。因此，在AMESim中調出的圖7無法展現壓力沖擊現象。現改為在Motion中輸出伸縮缸活塞桿受力及其動態過程放大曲線，它與伸縮缸無桿腔壓力僅相差一個活塞面積比例因子，如圖9所示。

圖9 伸縮缸活塞桿受力

由圖9可以明顯看出，伸縮缸整個工作過程只在接觸巖壁表面瞬間會產生明顯的壓力沖擊，超調達79%。而遇到突變載荷導致的壓力變化，超調僅為4.3%，可以忽略。這是由于觸碰巖壁瞬間，負載敏感系統剛剛啟動，其功率自適應機構尚未工作，而遇到突變載荷時系統已經處于高壓功率自適應狀態。

可見，對硬巖截割由于伸縮缸頻繁觸碰巖壁，會產生很大的周期性瞬間壓力沖擊，這對伸縮缸的密封十分不利，可能會導致其工作故障。

4 結 論

通過對懸臂式掘進機伸縮機構機液一體化建模求解分析，可以得到如下結論。

1）所搭建的伸縮機構機液一體化模型能準確反映系統工作特性，可據此對其性能進行優化改進。

2）伸縮缸壓力沖擊主要來自于截割頭觸碰巖壁瞬間，掏窩鉆進過程中的突變載荷影響可以忽略。

3）可在伸縮回路中加裝蓄能器來緩釋截割頭觸碰巖壁導致的伸縮缸周期性壓力沖擊，以此延長伸縮缸壽命并提高其工作可靠性。

上述結論對懸臂式掘進機液壓系統改進設計具有實用價值。

[參考文獻]

[1] 高承興，劉德林．掘進機的技術現狀及發展趨勢[J].煤礦機械，2009，30(5)：3-4.

[2] 楊梅生，彭天好，劉佳東．懸臂式掘進機中的負載敏感控制及節能分析[J]．煤礦機械，2010，31（3）：214-217．

[3] 王 炎，胡軍科，楊波．負載敏感泵動態特性分析與研究[J]．現代制造工程，2008，（12）：84-88．

[4] 崔娜娜，吳 娟，崔海云．基于Motion/AMESim的某變載機構的建模與仿真分析[J].液壓氣動與密封，2013，（9)：14-16.

（編輯 賈澤輝）

Analysis of boom-type roadheader cutting head expansion circuit pressure impact

FEI Ye, WANG Ji-ming, YE Xiao-shuai
（沈陽建筑大學 機械工程學院，遼寧 沈陽 110168）

［中圖分類號］TD421

［文獻標識碼］B

［文章編號］1001-1366(2015)06-0031-04

［收稿日期］2015-04-25