基于AMESim的液壓支架降柱動態特性建模仿真

劉曉蓮 李 坤 趙雄鵬

（1.太原重工股份有限公司，山西太原030000；2.山西焦煤機電裝備電子商務有限公司，山西太原030000；3.廣州博創智能裝備有限公司，廣東廣州511450）

0 引言

在煤炭開采過程中，液壓支架是用來支撐采煤工作面礦壓的主要設備。液壓支架工作循環中，壓力和流量是隨著工況的變化而不斷變化的。對液壓支架立柱運動速度進行靜態計算時，因經驗公式的運用而存在一定的誤差，因此通過仿真手段對動態特性進行模擬十分必要[1]。

AMESim是最早由法國Imagine公司推出的“學科領域復雜系統建模仿真平臺”，技術人員可利用平臺建立復雜的多學科多領域的仿真系統模型，進行仿真計算和深入分析，研究元件或系統的靜態和動態性能。利用AMESim建立仿真模型，設定合理的仿真參數，通過對靜動態特性進行分析，實現產品設計的分析和優化，能避免繁瑣的數學計算，從而降低開發成本，縮短開發周期[2]。

本文對降柱速度進行靜態計算，利用AMESim建立液壓支架立柱回路系統的仿真模型，并對降柱工作過程動態特性進行仿真分析[3-4]。通過對比靜態計算結果和仿真結果來驗證仿真模型的正確性，并分析對比結果存在差異性的原因，可為液壓支架液壓系統仿真研究提供指導，為系統的進一步優化提供依據。

1 液壓支架機械結構

液壓支架機械部分主要由底座、四桿機構、掩護梁、頂梁、平衡缸和立柱組成。掩護式液壓支架機構圖如圖1所示。

圖1 掩護式液壓支架機構圖

2 降柱回路原理

因液壓支架的對稱性，可對系統進行簡化，只建立單立柱的機液模型，液壓支架單立柱系統工作原理圖如圖2所示。立柱下降時，高壓乳化液的流通路線為：高壓供液路P、反沖洗過濾器、主控制閥，進入立柱上腔；立柱下腔的乳化液經過液控單向閥、旁路閥、回液斷路閥、主回液管路。

圖2 液壓支架單立柱原理圖

3 降柱速度靜態計算

根據功率守恒公式得：

式中：P7為立柱進液壓力，伸出時為活塞腔壓力，縮回時為活塞桿腔壓力；Q7為立柱進液流量；P8為立柱回液壓力，伸出時為活塞桿腔壓力，縮回時為活塞腔壓力；Q8為立柱回液流量；ΔQ為油缸在運行時的內部泄漏，計算中忽略不計；F為立柱總負載，主要包括液壓支架的負載，液壓支架頂梁、掩護梁和立柱活塞桿自重；v為立柱運動速度。

故立柱運動速度計算公式為：

設定立柱下腔與上腔的面積比為k，當立柱縮回時：

故立柱的降柱速度計算公式為：

式中：K進為系統中液壓閥和管路的進液壓力損失系數；K回為系統中液壓閥和管路的回液壓力損失系數。

4 降柱回路AMESim建模

根據機械結構和液壓系統原理圖，搭建降柱回路AMESim仿真模型如圖3所示。

圖3 液壓支架降柱回路仿真模型

供液流量為恒流源500 L/min；對應的安全閥閥壓力為31.5 MPa（315 bar）；立柱有桿腔控制信號輸入0～2 s內為0，2～4 s輸入階躍信號40 null，持續時間為2 s；管路樣式模量1×105MPa（1×106bar），管徑65 mm。模擬立柱下降階段，立柱下降20 cm。

以液壓支架ZY12000/28/64型號為例，液壓參數如表1所示。進油控制信號前2 s為0，使得系統管路充滿液壓油，2～4 s給階躍信號40 null。

表1 液壓支架液壓參數

5 降柱動態特性仿真分析

降柱動態位移如圖4所示。立柱均勻下降，用時2 s下降14 cm，平均下降速度為70 mm/s，比理論下降值61.6 mm/s快12.5%。3～4 s速度穩定后下降6 mm，穩定后平均速度60 mm/s，比理論值小2.6%。

圖4 立柱下降位移圖

降柱時立柱有桿腔壓力動態如圖5所示，無桿腔壓力動態如圖6所示。降柱時有桿腔壓力保持在30 MPa（300 bar），無桿腔開始有壓力波動，最大壓力波動5.6 MPa（56 bar），最終壓力保持在4.1 MPa（41 bar）。

圖5 立柱有桿腔壓力

圖6 立柱無桿腔壓力

結合圖4、圖5和圖6，降柱時有桿腔壓力達到安全閥卸流壓力，降柱速度不再由進液流量決定，而由安全閥設定壓力和背壓大小決定。

6 結論

本文以掩護式液壓支架ZY12000/28/64型號為例，利用AMESim軟件，對液壓支架降柱工作過程進行動態特性建模仿真分析。降柱速度靜態計算和動態特性仿真結果對比基本吻合，證明了模型建立及仿真參數設置的正確性。但結果對比存在一定差異，產生差異的原因有：

（1）實際工作中，支架液壓系統的管路大部分是高壓軟管，高壓軟管有一定的容積效應，在立柱供液時，高壓膠管膨脹，使降柱速度變緩。

（2）靜態計算中，壓差流量公式P=kQρ為經驗公式，式中ρ是試驗統計分析數據，ρ≈2，與實際情況存在一定誤差。