基于AMESim軟件模擬的支架液壓工作原理及仿真

王 蕓

（湖北工程職業(yè)學(xué)院電氣電子學(xué)院，湖北 黃石 435000）

液壓支架作為大型戶外工程的重要設(shè)備，在隧道挖掘、跨海建橋、煤炭開采等工作中扮演重要作用。它主要用于支撐采場頂板，移動采運(yùn)設(shè)備，為施工人員創(chuàng)造安全的工作空間。安全性和技術(shù)性是評價(jià)液壓支架使用性能最重要指標(biāo)，當(dāng)前國內(nèi)外科研機(jī)構(gòu)加大對液壓支架的研發(fā)，特備是支架安全和檢測等方面，不斷推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步。大噸位的液壓支架，特別是千噸位量級，在工業(yè)生產(chǎn)中運(yùn)用日益廣泛，也是檢測平臺的核心部件。液壓缸的同步位移是調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，對移動梁的高度進(jìn)行高精度調(diào)節(jié)，從而達(dá)到對液壓支架產(chǎn)品可靠性的檢測。目前市場上液壓液壓支架的設(shè)計(jì)、使用還存在諸多問題，比如，液壓控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還不夠精準(zhǔn)，使用中經(jīng)常遇到各種技術(shù)故障。結(jié)合該現(xiàn)實(shí)問題，本文以AMEsim仿真軟件為基礎(chǔ)，開展基于不同研究參數(shù)設(shè)計(jì)的液壓支架仿真實(shí)驗(yàn)研究，旨在探究不同參數(shù)設(shè)置下，液壓支架工作的最佳性能，進(jìn)而為日后液壓元件的設(shè)計(jì)、使用條件、設(shè)備選型等，提供可靠的理論和實(shí)踐依據(jù)。

1 液壓支架試驗(yàn)臺主體結(jié)構(gòu)

圖1 為液壓支架試驗(yàn)臺主體結(jié)構(gòu)模型，其主要由：頂梁、門架梁、銷軸、移動梁、調(diào)高液壓缸，以及底座六部分組成。液壓支架試驗(yàn)臺的主體為框架型結(jié)構(gòu)，框架兩側(cè)分別設(shè)置有等距離的插孔，可以根據(jù)現(xiàn)場液壓支架的高低隨時(shí)調(diào)整移動梁的高度。

本實(shí)驗(yàn)過程中，利用液壓支架試驗(yàn)平臺主體結(jié)構(gòu)，通過液壓缸前段活塞桿端的耳軸結(jié)構(gòu)，然后與移動梁體的底部相連，實(shí)現(xiàn)承受梁體傳遞的重量。該結(jié)構(gòu)中的液壓缸的主要作用是對實(shí)驗(yàn)平臺的高度進(jìn)行調(diào)整。結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康男枰M(jìn)一步將試驗(yàn)平臺高度控制在2~5 m范圍內(nèi)，將實(shí)驗(yàn)主體框架搭建好后，將液壓缸布置在移動梁直角處。為確保結(jié)構(gòu)組件不被破壞，保證液壓支架平臺的穩(wěn)定性，其中的四組液壓缸必須同時(shí)進(jìn)行升降，且速度要保持一致，以此保證實(shí)驗(yàn)平臺的安全和可靠性。

圖1 液壓支架試驗(yàn)臺主體結(jié)構(gòu)

2 液壓系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)分析

液壓系統(tǒng)工作原理是通過改變壓強(qiáng)增大作用力。一個(gè)完整的液壓系統(tǒng)由五個(gè)部分組成，即動力元件、執(zhí)行元件、控制元件、輔助元件（附件）和液壓油。液壓系統(tǒng)分為液壓傳動系統(tǒng)和液壓控制系統(tǒng)兩大類。液壓傳動系統(tǒng)主要依靠動力傳遞持續(xù)工作。液壓系統(tǒng)一般指的是指液壓傳動系統(tǒng)，主要體現(xiàn)在動態(tài)性能方面，目的是為了滿足液壓系統(tǒng)輸出的特定需求。在液壓缸同步控制實(shí)驗(yàn)中，將多個(gè)液壓支架同步位移，以實(shí)現(xiàn)液壓回路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)當(dāng)各個(gè)液壓缸載荷相同時(shí)，運(yùn)用機(jī)械聯(lián)動實(shí)現(xiàn)各個(gè)液壓缸實(shí)現(xiàn)活塞桿運(yùn)動，進(jìn)而達(dá)到液壓缸的同步位移的目的（見下頁圖2）；當(dāng)液壓缸載荷有較大差別時(shí)，液壓傳動系統(tǒng)產(chǎn)生的偏差可能造成聯(lián)接部件的變形或者損壞，甚至出現(xiàn)液壓缸的活塞桿斷裂或者卡死。為了保證液壓缸位移的同步性，通常需要通過液壓同步控制回路來精確控制，比如流量同步、容積同步和伺服同步等。具體而言，通過伺服回路實(shí)現(xiàn)液壓缸流量同步，容積回路實(shí)現(xiàn)容積一致等，最終實(shí)現(xiàn)所有液壓缸同步移動。假若對精確性要求更高，則成本造價(jià)也隨之提高。流量同步回路通過對集流閥進(jìn)行分流可以實(shí)現(xiàn)同步移動，這種操作更加簡便、節(jié)約成本。

圖2 液壓系統(tǒng)原理

油液首先進(jìn)入集流閥進(jìn)行第一階段分流任務(wù)，將兩種流量均分成1∶1的回路，然后再進(jìn)入集流閥進(jìn)行第二階段分流任務(wù)，在之前兩路流量基礎(chǔ)上繼續(xù)均分，形成四路同等流量的液壓回路。液壓缸組1的同步精確度可高達(dá)1%~3%，極大的糾正了偏差，換向閥組2可以液壓缸組分別進(jìn)行控制，安全閥4對液壓系統(tǒng)產(chǎn)生的壓力能起到緩沖作用。

3 基于AMESim仿真的液壓系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)步驟

3.1 仿真平臺

目前我國一般采用多體動力學(xué)分析軟件如ADAMS等對大型機(jī)械設(shè)備進(jìn)行開發(fā)，根據(jù)設(shè)備工作狀態(tài)下各部件的參數(shù)，具體分析設(shè)備工作的運(yùn)動規(guī)律、動態(tài)性能、部件強(qiáng)度，不斷調(diào)整到直至滿足使用需求。但這種方法也存在弊端，一味強(qiáng)調(diào)各部件動力學(xué)或力學(xué)分析，忽視了整體與部件之間的契合關(guān)系，將導(dǎo)致最終計(jì)算結(jié)果存在偏差、影響設(shè)備整體與部件之間協(xié)調(diào)性。

AMESim被廣泛應(yīng)用于多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，用戶可以根據(jù)自身的需求在這個(gè)平臺上建立復(fù)雜的系統(tǒng)仿真模型，例如燃油噴射、制動系統(tǒng)、動力傳動、機(jī)電系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真計(jì)算和深入分析。航空航天、汽車等領(lǐng)域的一些客戶已經(jīng)搭建了各自系統(tǒng)的AMESim模型，并希望基于該模型進(jìn)行實(shí)時(shí)仿真測試，尤其是針對HIL（硬件在環(huán)）測試。在這方面，AMESim為Speedgoat實(shí)時(shí)仿真目標(biāo)機(jī)提供了實(shí)時(shí)仿真的接口，能夠讓客戶方便地利用已有的AMESim模型開展實(shí)時(shí)仿真。

3.2 仿真實(shí)驗(yàn)

結(jié)合實(shí)際工作需要，為避免液壓支架在運(yùn)行過程中出現(xiàn)非同步和卡殼等問題，因此在在液壓支架設(shè)計(jì)時(shí)，就應(yīng)該全方面考慮，同時(shí)前期需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，以確保設(shè)計(jì)方案可行可靠。本研究以AMEsim仿真軟件對液壓支架的選型結(jié)果進(jìn)行建模分析，主要利用液壓元件及液壓回路實(shí)現(xiàn)模擬仿真，以期更加真實(shí)的擬合液壓支架的實(shí)際工作情況，并對液壓支架的安全性和可靠性進(jìn)行測度。另外，在模型構(gòu)建和分析時(shí)，在對仿真結(jié)果無影響的前提下，對相關(guān)設(shè)備和元件進(jìn)行簡化，將仿真時(shí)間設(shè)置為十秒。另外，不考慮液壓支架管道長度，以及空氣助力等對結(jié)果的影響。具體各參數(shù)設(shè)置如下：芯質(zhì)量塊質(zhì)量選擇2 kg；閥芯固定節(jié)流孔直徑設(shè)定為6 mm，流通小孔的直徑設(shè)定為8 mm；彈簧剛度設(shè)定為2 N/mm；流量進(jìn)出口最大流量系數(shù)為1；活塞桿直徑選擇200 mm，液壓缸設(shè)計(jì)行程4 m，液壓泵轉(zhuǎn)速為1 200 r/min；液壓油動力豁度設(shè)定為30×10-3Pa·s-1等。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定依據(jù)液壓支架現(xiàn)實(shí)需要，從而保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

4 AMESim仿真結(jié)果分析

1）隨著負(fù)載壓力差的提高，分流集流閥的精確程度會逐漸降低。設(shè)定液壓支架四個(gè)同步缸質(zhì)量分別為400 kg、450 kg、500 kg、550 kg，表示四個(gè)同步液壓缸負(fù)載存在差異。再由公式（1）和（2）可計(jì)算模型絕對誤差和同步精度δ分別為0.001 1 L/min和4.1%。由此可見，仿真結(jié)果達(dá)到預(yù)期效果。即絕對誤差值在合理的誤差范圍內(nèi)，另外同步精度也控制在允許的區(qū)間內(nèi)。

式中：q1，q2分別為單位時(shí)間通過液壓缸分流集流閥A和B的油液流量。

2）重新設(shè)定四個(gè)同步缸的質(zhì)量分別為：500 kg、525 kg、550 kg、575 kg，這樣以來液壓缸的負(fù)載量也減少了。結(jié)果發(fā)現(xiàn)液壓缸負(fù)載量減少后油缸的流量差也變小了，但同步精度提高了，同樣利用公式（1）、（2）可得到同步精準(zhǔn)度高達(dá)2%。

5 結(jié)語

本文介紹了液壓支架系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)與工作原理，并基于AMESim軟件建模液壓系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，對不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的設(shè)備元件功能性進(jìn)行分析，得出結(jié)論，立柱控制閥、安全換向閥、分流閥、管道通路等是影響液壓支架升降效率的關(guān)鍵因素，為液壓支架設(shè)備元件的選取提供了可靠的依據(jù)，活塞直徑越大、彈簧剛度越小時(shí)執(zhí)行元件液壓桿的速度變化震蕩幅度越小。這些都為支架液壓元件的選用、設(shè)計(jì)提供了分析思路和借鑒，具有一定的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。