基于AMESim的采煤機液壓制動系統的優化研究

王新軍

（山西西山煤電股份有限公司鎮城底礦， 山西 古交 030203）

引言

采煤機是廣泛應用于煤炭綜采面的用于割煤和落煤的集機、電、液于一體的大型機械化設備，在確保煤礦生產企業的綜采效率和生產安全中均扮演著極其重要的作用。隨著煤炭綜采技術的不斷發展，越來越多的大傾角煤層開始不斷投入開采，因井下地質條件復雜，巷道傾角大，造成采煤機在綜采過程中極易發生下滑等事故，不但嚴重影響了綜采面的生產效率而且嚴重威脅著巷道內作業的工作人員的人身安全，特別是在對采煤機進行制動時，采煤機因制動系統動作滯后造成的短時制動失效引起的采煤機下滑更是頻繁出現在井下綜采區域[1]。

采煤機的制動，主要是依靠液壓系統對制動器發出制動信號，利用液壓泵站提供的高壓油液配合機械制動結構完成對采煤機的制動，因此液壓系統對制動發出信號的及時性和高壓油液到達機械制動機構的時間就直接關系到了采煤機制動的及時性。因此本文提出了一種新的液壓制動系統結構，首次將蓄能器應用于采煤機的液壓制動系統，用于為液壓制動系統的改造提供一定的理論依據，提高采煤機制動的靈敏性及可靠性。

1 采煤機液壓系統的組成及工作原理

新型的采煤機液壓制動系統如圖1所示。采煤機的制動器位于牽引電機輸出軸的端部，在工作中當出現停電或者其他故障導致采煤機下滑時，液壓系統的電磁換向閥得到換向信號，控制蓄能器與制動器的管路相連通，蓄能器內的高壓油液通過管路進入到制動器內，推動制動器閉合，使制動器的摩擦機構和制動機構產生擠壓摩擦，對制動片產生一個摩擦力，使采煤機逐漸實現可靠制動[2]。當采煤機需要移動時，液壓系統控制電磁換向閥打開，使制動器內的高壓油液流回油箱內，同時通過管路為蓄能器補充高壓油液，為下次制動做好準備。

圖1 液壓制動系統液壓原理圖

2 蓄能器數學模型的建立

該液壓系統所采用的蓄能器為囊式蓄能器，其數學模型可表示為[3]：

式中：Pi為蓄能器進油腔內的壓力；P0為蓄能器的預充氣壓力；ce為預充氣體的阻尼系數；A0為蓄能器的截面積；ke為預充氣體的剛度系數；V0為蓄能器的充氣體積。

假設油液彈性模量為零，則蓄能器在進油腔處的受力方程可以表示為[4]：

式中：Be為油液的等效黏性系數；P1為蓄能器進口閥芯處的壓力；me為進入蓄能器的油液的等效質量；An為蓄能器進油口閥芯處的截面積。

聯立（1）、（2）可得：

3 采煤機液壓制動系統的仿真分析

利用AMESim仿真分析軟件建立采煤機液壓制動系統的仿真分析模型[5]，如圖2所示。

圖2 液壓制動系統液仿真分析模型

因在系統內加入了蓄能器，將蓄能器作為控制制動器進行制動的動力源，用于確保在收到制動信號后的最短時間內完成系統制動，確保采煤機制動的可靠性。當蓄能器在執行制動工作時內部的壓力會迅速降低，為確保制動時能對制動器形成足夠的制動壓力，需確保制動器接觸到制動盤后仍需要在蓄能器內保持一定的高壓油液，因此需對蓄能器的預充氣壓力進行合理的設置，根據系統所使用的制動器結構，計算出若完全制動所需的液壓油應為45 000 mL，因此在實際使用中，蓄能器選擇應大于45 000 mL。

利用AMEsim流體仿真分析軟件，對蓄能器在不同預充氣壓力下的液壓制動系統的制動情況進行仿真分析，結果如圖3、圖4所示。

由仿真分析可知，當蓄能器中的預充氣壓力為7 MPa（70 bar）的情況下，制動器制動盤的運行速度及油腔內的壓力沖擊瞬間就降低到了零狀態，這是由于蓄能器的預充氣壓力和額定工作壓力的壓差較小，導致充入蓄能器內的油液極少，油液量難以滿足制動時制動盤內油缸的需求。

當蓄能器的預充氣壓由6 MPa（60 bar）逐漸降低到3 MPa（30 bar）時，制動機構的制動速度會隨著壓力的降低逐漸地減緩，當蓄能器預充氣壓力為3 MPa（30 bar）時，其制動時間已經超過了 0.5 s，無法滿足快速制動的要求，蓄能器在4 MPa（40 bar）情況下的制動時間約為0.487 s，在5 MPa（50 bar）情況下的制動時間約為0.474 s，在6 MPa（60 bar）情況下的制動時間約為0.464 s。但由圖4可知，液壓制動系統制動時制動機構的沖擊振動會隨著蓄能器預充氣壓力的升高而逐漸降低，當蓄能器預充氣壓力為6 MPa（60 bar）時的沖擊振動特性最小，因此可知當蓄能器的預充氣壓力設置為6 MPa（60 bar）時既能滿足采煤機快速制動的要求，又能降低在制動時系統的振動、沖擊，能大幅提高采煤機制動系統的使用壽命。

圖3 蓄能器預充氣壓力不同時制動盤的速度曲線

圖4 蓄能器預充氣壓力不同時制動油缸的壓力曲線

4 結論

本文提出的這種新的采煤機液壓制動系統，以蓄能器作為主要的制動動力源，能夠大幅提高采煤機制動時的響應速度，當蓄能器的預充氣壓力設置為6 MPa（60 bar）時既能滿足采煤機快速制動的要求，又能降低在制動時系統的振動、沖擊，能大幅提高采煤機制動系統的使用壽命。