沖擊載荷作用下液壓支架立柱液壓系統特性研究

翟國棟，梁志豪，曲建光，王遠德，暢江波

(1.中國礦業大學(北京) 機電與信息工程學院，北京 100083；2.霍州煤電集團公司 呂臨能化有限公司龐龐塔煤礦，山西 呂梁 033200)

液壓支架立柱回路是支架液壓系統中最為重要和最為關鍵的回路。當頂板斷裂迅速下沉時，立柱內部乳化液壓力迅速增大，支架的支撐阻力增大。文獻[1]將液壓支架等效為彈性體，用階躍載荷模擬基本頂斷裂或垮塌時對支架的沖擊力，得出沖擊載荷作用位置對液壓支架各鉸接點的影響。文獻[2]針對特厚煤層綜放自動化開采技術難題，研究了大采高綜放工作面液壓支架與圍巖耦合作用關系，分析了液壓支架合理工作阻力確定方法。文獻[3]分析了綜采面礦壓監測資料，建立了支架-圍巖相互作用模型，探討了支架工作狀態與厚硬頂板之間的關系。文獻[4]以外加載液壓支架試驗裝置為平臺，分析了液壓支架壓縮量的影響因素、變化規律。文獻[5]分析了沖擊載荷作用于掩護梁不同位置時，掩護梁應力的變化。文獻[6]采用理論計算、AMESim特性仿真等方法對立柱沖擊系統進行研究，利用AMESim軟件模擬了沖擊試驗時立柱內腔壓力快速升高的特性。文獻[7]利用光滑粒子流體動力學方法，對所建支架立柱模型進行沖擊模擬，解決了立柱流固耦合的問題。文獻[8]基于固液耦合理論建立了液壓支架的有限元分析模型，有效模擬了液壓支架立柱在受到沖擊時的應力和應變情況。文獻[9]通過對液壓支架的內生能量與外生能量進行統一換算，得出基于能量原理的綜采支架工作阻力計算方法。

本文在建立立柱液壓系統中的立柱模型、大流量安全閥模型和重錘模型的基礎上，建立了立柱液壓系統的沖擊模型；同時對立柱進行沖擊試驗，研究了立柱液壓系統的沖擊響應特性，得到了立柱缸體內部乳化液壓力峰值及變化曲線，為供液系統及液壓支架設計提供了重要依據。

1 立柱沖擊模型的建立

1.1 立柱液壓系統主要元件的建模

由于立柱、大流量安全閥對液壓支架立柱的抗沖擊性能起決定性作用，在液壓元件設計庫(HCD)中搭建了相應的液壓模型。而對液壓支架立柱的抗沖擊性能作用不大的元件，可以從液壓庫中直接調用[10]。

1.1.1 立柱的建模

以ZY8640/2550/5500型掩護式支架立柱為研究對象，該支架立柱是雙伸縮立柱，主要由一級缸、二級缸、活柱、導向套和密封圈等零部件組成。應用AMESim仿真軟件分析缸體內部乳化液受沖擊后壓力變化，在液壓元件設計庫中選擇合適的元件搭建立柱模型，如圖1所示。

圖1 立柱的AMESim模型

在設置仿真參數時，使用ZY8640/2550/5500型掩護式支架立柱的實際結構。如圖1所示，BAP11和BAP12組成固定缸體，根據立柱結構，BAP11中的活塞直徑為400mm、桿徑為380mm，BAP12中的活塞直徑為400mm、桿徑為0mm；BRP17和BRP18組成可移動的缸體，根據結構，BRP17中的活塞直徑為290mm、桿徑為260mm，BRP18中的活塞直徑為290mm、桿徑為0mm；立柱沖擊過程中主要承受直接頂自重產生的靜載荷和基本頂跨落形成的沖擊載荷，選用能夠相對運動的質量塊MAS30模擬直接頂產生的靜載荷及頂梁的自重，根據實際工況，頂梁重量m1為5250kg、直接頂等效質量m2為62450kg；考慮到活塞桿和活塞間的泄露，用BAF02來表示泄漏程度，根據活塞結構，活塞外徑為290mm、直徑間隙為0.02mm、接觸長度為222mm；用動態容積模塊BHC11-1和BHC11-2來表示立柱上下兩腔，由上下腔實際結構，上腔閉死容積為108000cm3、下腔閉死容積為200000cm3。主要參數見表1。

表1 立柱主要參數

1.1.2 大流量安全閥的建模

在液壓元件設計庫中搭建大流量安全閥的仿真模型，選用確定容積的活塞BAP12-1和可變容積的活塞BAP0RT模擬閥芯左腔，根據安全閥結構，BAP12-1中的桿徑為0mm、零位移腔長為2mm，BAP0RT中的桿徑為0mm；用活塞BAP016模擬閥芯右腔，根據安全閥結構，BAP016中的桿徑為2mm、零位移腔長為3mm，根據缺省數值，彈簧剛度為350N/mm、零位移彈簧力為2010N；用質量塊MAS010RT表示頂桿，根據實際工況，頂桿位移下限為0mm、位移上限為7mm；用帶環形孔的短管BAO001表示閥芯，根據閥芯實際結構，節流孔數為10；用動態容積模塊BHC11表示閥芯容腔，根據實際結構，BHC11-3閉死容積為10cm3、BHC11-4閉死容積為80cm3。大流量安全閥模型如圖2所示，主要參數見表2。

圖2 大流量安全閥AMESim模型

表2 大流量安全閥主要參數

1.2 重錘的建模

重錘沖擊模型是用質量塊MAS002自由下落沖擊立柱，參考實際工況，質量塊MAS002質量為28000kg，傾角為90°；阻尼器LSTP00A中的間隙來限制質量塊下落的距離，根據缺省數值，LSTP00A接觸剛度為100000N/mm、初始位置碰撞間隙為400mm，來減弱質量塊和立柱之間的反彈量。重錘沖擊模型如圖3所示，主要參數見表3。

圖3 重錘AMESim模型

1.3 立柱液壓系統的沖擊模型

立柱液壓系統對立柱的抗沖擊性能影響較小的元件，可以直接從液壓庫中選擇模型調用。用PU001模擬液壓泵，根據軟件缺省數值，泵排量為4000 cc/rev；用PM000模擬馬達，根據軟件缺省數值，軸轉速為1000 rev/min；用RV000模擬溢流閥，根據缺省數值，安全閥破裂壓力為31.5MPa，主要參數見表4。

表3 重錘主要參數

表4 部分元件的主要參數

從液壓設計庫中調用液壓元件模型，從機械庫中調用電機元件模型，從信號庫中調用脈沖信號元件模型，將這些元件與立柱模型，大流量安全閥模型，落錘模型等按液壓支架原理連接起來，在AMESim中搭建液壓回路模型，組成立柱液壓系統的沖擊仿真模型如圖4所示。

圖4 立柱液壓系統AMESim沖擊仿真模型

2 AMESim仿真模型運算

完成立柱液壓系統沖擊仿真模型草圖后，還需要給定約束條件，完成外部負載的設置。根據國標《煤礦用液壓支架第2部分：立柱和千斤頂技術條件》(GB25974.1—2010)要求：立柱用不小于10000kg重物下落沖擊質量軸向[10]；在實際采場中，斷落巖塊的下落速度一般不超過3m/s；立柱缸體腔內最大壓力均在沖擊發生作用0.1s內出現[11]。因此，為了滿足試驗要求，設落錘質量為28000kg，接觸速度為3m/s，沖擊時間為0.15s。假設對立柱的沖擊是發生在支架承載恒阻階段，需要利用換向閥完成支架的升柱動作并保壓。利用信號、控制庫中分段線性信號源完成上述參數設置，進入仿真模式，設置仿真終止時間和輸出時間間隔，然后進行計算。

3 AMESim仿真結果分析

3.1 立柱升柱承載階段

以x軸代表響應時間，y軸代表一級缸內壓力，立柱升柱階段壓力-時間曲線如圖5所示。開始階段存在一段零壓力區，是高壓乳化液從液壓泵到立柱腔體所需要的必要耗時；前0.1s內立柱內部壓力不斷升高，二級缸和活柱外伸到立柱的限制位置，此時立柱整體長度為5m；當立柱升到限制極限位置時，立柱內腔的壓力穩定在工作壓力42.4MPa附近，液壓泵停止供液，液控單向閥關閉，達到了立柱的設定工作壓力。

圖5 立柱升柱階段壓力-時間曲線圖

3.2 立柱受沖擊后缸體內壓力變化

以x軸代表響應時間，y軸代表一級缸內壓力，受沖擊后的壓力-時間曲線如圖6所示。以x軸代表響應時間，y軸代表二級缸內壓力，受沖擊后的壓力-時間曲線如圖7所示。彈性制動器中的間隙為400mm，重錘自由落體需要0.28s接觸到立柱體。立柱系統受到重錘沖擊后，內部乳化液壓力增大，一級缸內乳化液壓力在22ms內達到84.32MPa，二級缸在27ms內達到166.94MPa。二級缸內壓力明顯大于一級缸內壓力。主要由于二級缸相對于一級缸尺寸較小，內部高壓乳化液較少，根據能量守恒定律，二級缸內乳化液壓力能比較大。

圖6 一級缸內部液體壓力-時間曲線圖

圖7 二級缸內部液體壓力-時間曲線圖

3.3 不同條件下立柱受沖擊作用的影響分析

3.3.1 不同重錘質量條件下的沖擊試驗

以x軸代表響應時間，y軸代表一級缸內壓力，實線為重錘質量為28000kg情況下的壓力-時間曲線，虛線為重錘質量為34000kg情況下的壓力-時間曲線，如圖8所示。兩種情況下出現壓力峰值分別為84.32MPa、93.92MPa，但達到壓力峰值的響應時間都在0.312s左右。由此可見，質量較大的重錘產生的沖擊能量更大，但由于重錘質量相差較小，所以兩者達到壓力峰值的響應時間基本相同。

圖8 不同質量沖擊下的壓力-時間曲線圖

圖9 不同高度沖擊下的壓力-時間曲線圖

3.3.2 不同下落高度條件下的沖擊試驗

以x軸代表響應時間，y軸代表一級缸內壓力，實線表示重錘下落高度為400mm情況下的壓力-時間曲線，虛線表示重錘下落高度為500mm情況下的壓力-時間曲線，如圖9所示。兩種情況下，沖擊開始時間雖相差0.017s，但峰值出現時間也相差0.017s。由于重錘下落高度相差較小，所以兩者壓力達到峰值的響應時間基本相同。

4 結 論

利用AMESim仿真軟件搭建了立柱液壓系統的沖擊模型，對系統中關鍵元件立柱和大流量安全閥，按照它們的實際尺寸及特性進行模型重建，按照國家對煤礦用液壓支架標準要求和實際情況，對立柱進行沖擊試驗。在立柱升柱承載階段，液壓支架立柱的額定工作壓力設定為42.4MPa。在沖擊載荷作用下，一級缸內液體的最大壓力84.32MPa，二級缸內液體的最大壓力166.94MPa，二級缸的壓力明顯大于一級缸，生產實踐中需要加強二級缸的強度及抗沖擊性能。在重錘質量為28000～34000kg 和下落高度為400～500mm時液壓支架立柱系統達到壓力峰值的響應時間基本一致，可以設定更大的重錘質量范圍和下落高度范圍來進一步研究液壓支架立柱的沖擊響應性能。