基于AMEsim的礦用支架液壓元件的仿真研究

龐有利

（大同市同煤集團機電裝備公司中央機廠， 山西 大同 037000）

引言

根據已有的研究資料表明，在我國的能源結構中煤炭仍然占有最大比例，煤炭仍然是關系我國經濟民生的主要基礎能源。從煤炭的開采獲取方式來看，井下采煤作業仍然是獲取煤炭資源的重要方式。井下采煤作業主要依據復雜的綜采系統開展工作，其中液壓支架的功能是實現對頂板的有效支撐，以保障系統的正常安全運行，同時其也是維護井下工作人員生命安全的重要防護設備。由液壓支架的功能來定義，液壓支架由控制單元、液壓單元、結構單元這三大單元組成，單元間相互協調工作，使得液壓支架能夠在井下快速移動，實現對綜采面頂板的有效支撐和控制，確保采煤作業的安全順利進行。就目前而言，液壓支架的設計、使用均顯粗糙，其中有許多保守設計或使用的情況，究其原因主要是液壓系統的控制精度不夠，難以對出現的各種工況進行及時有效的反饋。

針對這個問題，文章基于AMEsim仿真軟件開展支架液壓系統中部分液壓元件（包括溢流閥、液控單向閥）的仿真研究，旨在分析影響這些元件工作性能的參數，并由此確定最佳工作性能的匹配參數系列，為今后在其他類似液壓元件的設計、選型、使用等場景下提供理論依據。

1 液壓支架類型及其參數確定

選取山西某煤礦工作面的條件作為分析基礎，其煤層厚度為2.1～7.7 m，煤層傾斜角度為3°～12°。底板比壓為1.1 MPa，所采煤層不存在斷層、褶皺等現象。因此根據地質條件與現有的液壓支架設計、選型原則，最終選擇ZY5000型液壓支架。仿真時主要考慮參數包括以下：調高范圍1.8～3.8 m、支架寬度1.43～1.6 m、支架中心距 1.5 m、工作阻力 5 000 kN、底板比壓1.55 MPa、夜泵壓力32 MPa、支架推移步距0.8 m。

2 支架液壓元件的仿真

目前我國一般采用多體動力學分析軟件如ADAMS等對大型機械設備進行開發，主要過程為分析設備各部件的運動規律、動態特性、分析部件強度、根據軟件分析結果進行設備各部件的參數調整、改進設計直至滿足要求為止。這樣的作法顯然忽略了部件間的耦合關系，使得整體分析變成了單個部件的動力學或力學分析，最終導致計算結果不夠精確、設備部件間的協調性及優化程度不夠。

為在液壓支架的設計選型時避免上述問題，文章基于AMEsim仿真軟件針對支架的選型結果進行建模仿真，通過液壓回路及液壓元件的建模仿真，可準確模擬支架的工作狀態并分析影響支架工作性能的結構或系統參數[1-2]。

2.1 溢流閥仿真模型的建立

在AMEsim軟件中，打開草圖編輯模式，調用軟件提供的機械標準庫、液壓元件標準庫、信號控制單元建立如下頁圖1所示的液壓支架溢流閥仿真模型。在此次仿真中針對閥孔與閥芯直徑、溢流閥彈簧剛度、活塞直徑等參數對溢流閥工作性能的影響進行分析，設置三組參數，參數設置如下頁表1所示。仿真時設置仿真時間為10 s，而時間間隔設置在0.01 s。

2.2 液控單向閥仿真模型的建立

同理建立液控單向閥的AMEsim仿真模型，如下頁圖2所示。

設置三組數據以分析各參數對液控單向閥工作性能的影響，參數設置如下頁表2所示。

圖1 溢流閥AMEsim仿真模型

表1 溢流閥參數設置

圖2 液控單向閥AMEsim仿真模型

表2 液控單向閥參數設置

3 支架液壓元件仿真結果的分析

3.1 溢流閥仿真結果的對比分析

針對溢流閥的仿真，需要關注的是受溢流閥工作性能影響的執行元件液壓缸的速度變化，因此將液壓缸速度變化作為評判溢流閥工作性能好壞的指標。下面根據溢流閥的仿真模型對表1中的三種組別進行仿真分析，仿真結果如圖3所示。

從圖3液壓缸速度變化曲線的對比中可以看出：將組別1與組別3的曲線進行對比分析，可以知道彈簧剛度對液壓缸的速度變化有直接影響。在起初工作階段，彈簧剛度大易造成液壓缸在初期運行時產生較大且長時間的不穩定振動，圖中表明當剛度為200 N/mm時，液壓缸的速度變化振蕩時間接近2 s，而當彈簧剛度為100 N/mm時，液壓缸速度變化震蕩時間不到1 s，兩相比較選擇彈簧剛度為100 N/mm；將組別1與組別2的曲線進行對比分析可知活塞直徑也影響著液壓缸的速度變化，具體表現為活塞直徑較大時，液壓缸速度變化震蕩幅度較小，持續時間相對較短。圖中表明活塞直徑為30 mm，液壓缸速度變化震蕩時間持續0.5 s，而當直徑為24 mm時，持續時間達到1 s。因此就液壓缸速度變化的角度應選擇組別2的數據是合理的。

圖3 液壓缸速度變化曲線

3.2 液控單向閥仿真結果對比分析

分析液控單向閥的仿真結果時，以立柱速度變化作為分析指標。下面根據液控單向閥的仿真模型對表2中的三種組別進行仿真分析，仿真曲線如下頁圖4所示。

圖4 立柱速度變化曲線

對比分析圖4中曲線結果可知：由組別1與組別2曲線可知，活塞桿直徑分別為5 mm、10 mm時液壓桿立柱的運行速度基本一樣，但5 mm直徑活塞桿的速度震蕩幅度是更小的，當二者速度相同為0.035 m/s時，直徑5 mm的速度振蕩最大值為0.043m/s，而直徑10 mm的活塞桿速度震蕩最大值在0.061 m/s；由組別1與組別3曲線可知，彈簧剛度分別為1 N/mm與5 N/mm時立柱運行速度大致相同，但剛度為1 N/mm時的速度振蕩幅度時遠小于剛度為5 N/mm時的。因此就從立柱運行速度的角度來看，選擇組別1的設計定型數據是合理的[3-5]。

4 結論

1）針對溢流閥，活塞桿直徑與彈簧剛度對其工作性能有直接影響，且活塞桿直徑越大、彈簧剛度越小時執行元件液壓桿的速度變化震蕩幅度越小，震蕩持續時間越短；

2）針對溢流閥，液控單向閥應選擇較小的彈簧剛度及活塞桿直徑。

3）該研究可直接用于液壓元件的設計、選型過程中，也為其他支架液壓元件的選用、設計提供了分析思路和借鑒，具有一定的現實指導意義。