基于AMESim液壓支架立柱控制回路仿真分析

賈建強

(山西煤炭進出口集團 蒲縣豹子溝煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 041204)

立柱在液壓支架中起著調(diào)節(jié)高度與承載重量的作用，在煤礦井下使用支架時，頂梁將圍巖帶來的巨大壓力傳遞給立柱，使得立柱長期處于高壓狀態(tài)，故其性能參數(shù)決定支架的正常工作。本文在已有液壓系統(tǒng)的研究基礎(chǔ)上，搭建了適用于本支架的立柱液壓控制系統(tǒng)，通過計算得到設(shè)計參數(shù)，通過假定的一種外載工況，仿真分析立柱的動態(tài)特性，對于深入研究實際工作環(huán)境中立柱的工作狀況以及提高煤礦生產(chǎn)安全性具有一定意義。

1 液壓支架立柱參數(shù)計算

1.1 立柱缸徑計算

設(shè)計常數(shù)包括：

1) 雙伸縮立柱的工作阻力6 000 kN.

2) 安全閥的調(diào)定壓力47.8 MPa.

3) 外缸筒的內(nèi)徑D1：

(1)

式中：

D1—立柱外缸筒內(nèi)徑，mm；

F—立柱工作阻力，kN，取6 000；

Pa—立柱安全閥調(diào)定開啟壓力，MPa，取47.8.

將D1圓整并取標(biāo)準(zhǔn)值，則D1=400 mm.

(2)

式中：

D2—立柱中缸筒內(nèi)徑，mm；

Pb—立柱中缸活塞腔額定壓力，MPa；

Pa—立柱安全閥調(diào)定開啟壓力，MPa.

經(jīng)計算得出，中缸內(nèi)徑D2=280 mm.

1.2 立柱缸筒壁厚的確定

1.2.1外缸筒壁厚的確定

(3)

所以，δ1≥[δ1]，缸筒的選擇合適。

1.2.2中缸筒壁厚的確定

(4)

所以，δ2≥[δ2]，缸筒的選擇合適。

1.3 立柱初撐力和工作阻力的計算

立柱的初撐力計算公式：

(5)

立柱工作阻力計算公式：

(6)

2 立柱控制回路模型建立及仿真結(jié)果分析

本文研究的支架為兩柱雙伸縮式，立柱外缸內(nèi)徑較大，為400 mm，調(diào)節(jié)高度≥1.7 m，為縮短升柱時間，需大流量進液，而兩立柱動作又須保持同步進行，故兩立柱控制回路設(shè)置為并聯(lián)方式，并且每個立柱進液油路上均設(shè)有液控單向閥和安全閥，用于立柱增阻和降柱。在實際工作中，為獲得額定的初撐力，要控制中缸和活柱的伸出順序。根據(jù)雙伸縮立柱的承載原理，在液壓支架接觸頂板時，只要保證中缸的行程沒有結(jié)束，即活柱先伸出，中缸后伸出就可以使支架在接觸頂板時符合設(shè)計要求，達(dá)到額定初撐力。

本文利用假設(shè)的一種外力工況來仿真立柱的動態(tài)效應(yīng)，本液壓系統(tǒng)設(shè)計中，活塞伸出的主要作用是滿足支架調(diào)節(jié)高度的要求，在承載力方面只要滿足強度要求即可，故在仿真立柱承載頂板來壓的過程中，為獲得設(shè)計的額定初撐力，即在活塞伸出過程結(jié)束后，中缸伸出過程中接觸頂板，故仿真系統(tǒng)圖可簡化成見圖1，此系統(tǒng)忽略活塞行程，僅仿真中缸伸出受力過程。根據(jù)以上要求設(shè)計立柱控制回路見圖1.

圖1 立柱控制回路圖

由于支架的兩立柱為并聯(lián)設(shè)計，故在分析中只分析其中一個立柱，僅將泵站提供的流量減少一半即可。利用AMESim仿真軟件設(shè)計立柱控制回路見圖2.

圖2 立柱控制回路仿真圖

根據(jù)立柱參數(shù)計算結(jié)果，設(shè)定本模型泵站流量200 L/min，泵站安全閥的調(diào)定壓力為31.5 MPa，立柱內(nèi)徑400 mm，桿徑380 mm，立柱安全閥的調(diào)定壓力為47.7 MPa.設(shè)定支架的外載壓力為：0～12 s空載運行階段，壓力為100 kN；12～15 s立柱初撐階段，壓力為100～3 900 kN；15～18 s初撐恒阻階段，壓力為3 900 kN，此階段將電磁換向閥調(diào)到中位；18～21 s增阻階段，壓力為3 900～5 600 kN；21～24 s為恒阻階段，壓力為5 600 kN；24～25 s為頂板來壓階段，壓力為5 600～6 000 kN；25～30 s為頂板來壓穩(wěn)定階段，壓力為6 000 kN；剩余時間為支架放煤卸載狀態(tài)，壓力為5 000 kN. 仿真起始時間為0，停止時間為30 s，仿真步距為0.01 s，采用標(biāo)準(zhǔn)解算器混合誤差進行仿真。立柱仿真結(jié)果見圖3，4，5，6.

圖3 立柱位移曲線圖

由仿真曲線3～6可知，當(dāng)頂板外載壓力超過立柱安全閥的設(shè)定壓力時，安全閥將打開卸壓，保證立柱工作的安全性。由圖3可看出，在25 s后由于外載壓力的增大，支架位移出現(xiàn)明顯的下降趨勢，此時無桿腔壓力在安全閥的調(diào)定作用下保持恒定，而流量通過安全閥卸出，并出現(xiàn)了劇烈波動；30 s由于放煤等動作，支架承載壓力減小，當(dāng)外載壓力小于安全閥調(diào)定壓力后，支架位移將保持不變。由圖4，5，6可看出，立柱的速度、無桿腔壓力以及無桿腔流量在30 s后，因外載壓力的突變，均出現(xiàn)劇烈波動，但波動幅度呈遞減趨勢，并最終穩(wěn)定于一個定值處。

圖4 立柱速度曲線圖

3 結(jié) 論

仿真結(jié)果驗證了立柱在設(shè)定工況下出現(xiàn)的動態(tài)效應(yīng)，即支架在初撐和增阻階段時，立柱沒有明顯的動作，在外載壓力超過安全閥調(diào)定壓力以及壓力突然減小低于安全閥調(diào)定壓力時，支架將會在一個數(shù)值附近出現(xiàn)明顯的有規(guī)律性的波動狀態(tài)，并最終穩(wěn)定于此數(shù)值處，仿真結(jié)果對支架實際應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)意義，在設(shè)計使用支架時應(yīng)盡量避免出現(xiàn)外載壓力變大或變小等突變狀況，以維護煤礦生產(chǎn)安全。

圖5 立柱無桿腔壓力曲線圖

圖6 立柱無桿腔流量曲線圖

參 考 文 獻

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