EBZ318 掘進機截割升降液壓回路的仿真分析

拜文魁

（山西霍寶干河煤礦， 山西 臨汾 041600）

引言

掘進機是煤礦生產必不可少的裝備，其主要任務是完成巷道的掘進任務。目前，掘進工作面應用最為廣泛的掘進機為懸臂式掘進機，該型號掘進機是集合截割、運輸以及噴霧降塵功能于一體的大型機電設備。掘進機在實際掘進過程中由于其截割頭所承受的外部載荷復雜多變，為了提升設備的自適應能力，將負載敏感技術引入解決機液壓控制系統中。所謂負載敏感技術指的是設備能夠根據外界載荷、流量、功率等信號及時、實時地調整油泵的運行狀態，以達到負載、流量自適應控制的目的[1]。EBZ318為功率較大的掘進機，在掘進過程中截割頭由于巖壁不均勻導致其產生振動，進而導致截割升降油缸中用于平衡溢流閥組密封件頻繁損壞，嚴重制約著掘進效率。因此，本文針對EBZ318 掘進機為研究對象分析其截割升降液壓回路的特性，為其液壓系統的優化設計奠定基礎。

1 EBZ318 掘進機的概述

1.1 懸臂式掘進機結構

EBZ318 懸臂式掘進機的結構組成如圖1 所示。

圖1 EBZ318 懸臂式掘進機的結構組成

1.2 掘進機負載敏感系統

為了解決掘進機在掘進工作面掘進工作時散熱條件差的問題，實現節能生產的目的，將負載敏感技術引入掘進機液壓控制系統中。所謂負載敏感系統指的是油泵根據實時工況對油泵的輸出壓力、流量進行調節，在一定程度上減小了掘進機液壓系統管路中的壓力損失[2]。目前，應用于實際生產中的負載敏感系統分為開中心負載敏感系統和閉中心敏感系統。

1.3 掘進機液壓系統

掘進機液壓系統主要由閥控系統完成。其中，掘進機截割頭的升降、回轉、鏟板的升降以及后支撐升降動作均是由液壓系統的液壓缸的直線往復運動實現的；而掘進機的前進和后退是由高速柱塞馬達+減速器配合完成的。為確保掘進機的穩定運行，要求液壓系統滿足如下要求：

1）為了適應不規則、隨機性的工況，要求掘進機液壓系統能夠根據負載變化實時調整系統的工作壓力和流量；

2）為了確保掘進機液壓系統各個執行機構的協調運行，對其截割部和裝載運動采用雙聯泵的控制方式；

3）要求掘進機液壓系統采用先導閥控制的方式[3]。

2 掘進機截割升降液壓回路的仿真分析

掘進機液壓系統中平衡閥主要作用是防止掘進機截割部由于其自重而出現下路的現象，進而導致事故的發生。為準確把握掘進機液壓系統中平衡溢流閥組密封元件頻繁損壞的原因，本節將基于AMESim 軟件建立掘進機截割升降液壓回路的仿真模型對其液壓回路的動態特性進行分析。

2.1 掘進機截割升降液壓回路仿真模型的搭建

為了能夠精確獲得平衡閥密封組件頻繁損壞的原因，要求截割部升降液壓回路仿真模型要盡可能地與實際系統相符合。故，對掘進機截割升降液壓回路中的變量泵、換向閥、平衡閥等關鍵元器件的模型分析[4]。鑒于篇幅原因，本節僅列出換向閥和平衡閥的AMESim 的仿真模型如圖2 所示。

圖2 AMESim 液壓回路仿真模型

上述仿真模型根據部件規格尺寸建立模型后，還需對截割升降液壓回路模型中的升降油缸、平衡溢流閥的相關參數進行設置。參數設置結果如表1所示。

表1 液壓回路其他元器件參數設置

2.2 仿真結果的分析

設定仿真時長為10 s，仿真步長為0.05 s。仿真結果分析如下：

2.2.1 中位等待工況仿真結果

中位等待工況仿真結果如圖3 所示。

圖3 中位等待工況仿真結果

變量泵啟動瞬間，油泵的出口壓力瞬間上升至40 bar，并且在0.7 s 左右油泵出口壓力趨于穩定，壓力值最終穩定于24 bar。通過仿真可知，當處于中位等待工況時，變量泵的最終穩定輸出壓力為24 bar，與模型中設定的25 bar 非常接近。經中位等待工況的仿真驗證模型的正確性和可靠性。

2.2.2 截割部上升工況仿真

仿真設置：仿真時刻為5 s 時，給液壓回路系統中多路換向閥的30 bar 的壓力信號，并一直到仿真結束。截割上升工況仿真結果如圖4 所示。

圖4 截割部上升工況仿真結果

如圖4 所示，系統受到多路換向閥30 bar 的壓力信號后，截割部液壓油缸內的壓力在5.8 s 的時刻上升到200 bar；之后截割部液壓油缸以最大速度伸出，期間由于截割頭不斷截割巖層受到多變的負載，使得液壓油缸內的壓力呈現出振蕩現象，并且在170～220 bar 的范圍內浮動。當液壓油缸完全伸出后，在外部載荷及慣性力的共同作用下，油缸內的壓力瞬間上升至506 bar，并在3 s 后由于變量泵的保護功能降至250 bar。

經查閱資料可知，平衡閥、溢流閥所能承受的最大壓力為350 bar，506 bar 已經遠遠超過其許用壓力[5]。故，可考慮當油缸完全伸出后油缸壓力瞬間上升至506 bar 是導致密封組件失效的原因。

2.2.3 截割部下降工況仿真結果

仿真設置：仿真時刻為5 s 時，給液壓回路系統中多路換向閥的30 bar 的壓力信號，并一直到仿真結束。截割下降工況仿真結果如圖5 所示。

圖5 截割部下降工況仿真結果

如圖5 所示，當系統未接收到壓力信號之前，截割升降油缸有桿腔壓力和LS 反饋壓力均為0，只有變量泵的出口壓力維持在25 bar。當收到壓力信號后直到19.3 s，由于外部載荷的多變性，截割升降油缸有桿腔內的壓力在90 bar 的上下振蕩；從19.3 s開始截割部油缸運行到極限位置，此時有桿腔內的壓力維持在變量泵的切斷壓力250 bar 左右。

3 結論

通過對掘進機截割升降液壓回路中位等待、截割部上升、截割部下降工況下液壓油缸壓力變化情況的仿真分析，得出截割升降液壓回路平衡閥密封組件失效的根本原因為截割部上升工況時油缸完成伸出后壓力瞬間上升至506 bar 遠大于密封組件的失效壓力350 bar，為改進掘進機液壓回路中的平衡閥提供了理論指導。