提升機過卷可變節(jié)流緩沖系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化

崔明軍

（廣西機電職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程學(xué)院，廣西 南寧 530007）

1 引言

提升機作為一種重要垂直運輸設(shè)備，廣泛應(yīng)用于碼頭、海上、煤礦等行業(yè)[1-3]。特別是對于長運距的煤礦豎井，為提高運輸效率、節(jié)省運輸時間、減小運輸成本，提升容器常處于重載高速運輸工況，提升容器接近終點時，若不及時減速停車，提升容器易超過其正常停車位置而發(fā)生過卷事故，損壞沿途輔助設(shè)備，導(dǎo)致提升系統(tǒng)癱瘓，產(chǎn)生不可預(yù)估經(jīng)濟(jì)損失，因此在煤礦豎井中，正常停車位置應(yīng)增設(shè)過卷緩沖裝置，吸收提升機過卷沖擊[4-6]。

針對提升機過卷沖擊，針對提升容器過卷沖擊，目前科研人員主要在正常停車位置增設(shè)了機械緩沖裝置和液壓緩沖裝置，并作出相關(guān)研究工作。機械緩沖制動方面：文獻(xiàn)[7-8]主張用鋼帶+硅橡膠+鋼帶的組合元件緩沖提升機過卷沖擊，鋼帶厚度一定，基于ANSYS分析了硅橡膠厚度及其位置對緩沖元件力學(xué)性能的影響規(guī)律；文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種適用特大型礦井立井提升系統(tǒng)防過卷緩沖裝置，對層框架梁開展有限元分析，基于分析結(jié)果優(yōu)化設(shè)計了緩沖裝置安裝梁。但機械式緩沖裝置存在緩沖能力不足，導(dǎo)致提升容器回落，回落會引發(fā)斷繩、翻斗等事故。

針對提升機過卷回落問題，文獻(xiàn)[10]在緩沖液壓缸大小腔均連接蓄能器，過卷緩沖過程，通過大腔連接的蓄能器同步補壓防止產(chǎn)生過卷回落，最大回落位移達(dá)0.3m/s；文獻(xiàn)[11]優(yōu)化了提升機過卷液壓緩沖系統(tǒng)，通過節(jié)流閥連通了緩沖液壓缸大小腔，消除了緩沖腔憋壓余震問題，但導(dǎo)致過卷回落位移增大；文獻(xiàn)[12]設(shè)計了提升機過卷液壓雙緩沖系統(tǒng)，通過在緩沖液壓缸大腔連接蓄能器和溢流閥吸收提升機過卷回落沖擊，但這樣設(shè)計導(dǎo)致緩沖時間變長。在過卷緩沖過程，緩沖腔若連接有蓄能器，蓄能器極易發(fā)生能量短時儲存[13]，從而導(dǎo)致提升容器回落，筆者認(rèn)為提升機過卷液壓系統(tǒng)設(shè)計不應(yīng)有蓄能器，應(yīng)主要使用節(jié)流閥。

基于提升機過卷緩沖回落問題，通過可變節(jié)流液壓緩沖技術(shù)解決，提出了提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)，分析了可變節(jié)流緩沖特性，研究了提升質(zhì)量和提升速度兩種緩沖工況下的系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性，仿真發(fā)現(xiàn)重載或高速工況，當(dāng)緩沖液壓缸位移達(dá)到最大時，緩沖腔壓力波動比較嚴(yán)重。在此基礎(chǔ)上，優(yōu)化了提升機可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)，通過緩沖腔連接定節(jié)流閥消除了緩沖后的壓力波動，在高速輕載工況和低速重載工況下，給出了優(yōu)化前后的系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性，為提升機可變節(jié)流系統(tǒng)實際應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

2 提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)

提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)，如圖1所示。緩沖液壓缸設(shè)置有位移傳感器接口，傳輸緩沖液壓缸活塞位移。

圖1 提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of the Variable Throttle Hydraulic Buffer System for the Hoist Overwinding

過卷緩沖前，根據(jù)實際工況調(diào)整過卷擋板位置：控制比例電磁換向閥6（1DT）得電，緩沖液壓缸7 活塞伸出，過卷擋板11 上行，控制控制比例電磁電換向閥6（2DT）得電，緩沖液壓缸7活塞縮回，過卷擋板11下行。

可變節(jié)流液壓緩沖原理：發(fā)生提升機過卷時，比例電磁換向閥6不工作，提升容器10以一定速度撞擊過卷擋板11，過卷擋板11帶動緩沖液壓缸7活塞伸出，位移傳感器9將活塞位移傳輸至控制處理器14中，控制處理器14將緩沖液壓缸7位移信號轉(zhuǎn)化為比例節(jié)流閥15開度信號輸入，實時調(diào)節(jié)閥口開度，使緩沖液壓缸緩沖腔產(chǎn)生節(jié)流阻尼壓力，阻礙過卷擋板11快速運動，緩沖吸收過卷沖擊。過卷緩沖過程，若緩沖腔節(jié)流阻尼過大，通過過載溢流閥8 限制最大壓力。緩沖初期階段，提升容器過卷沖擊最大，應(yīng)設(shè)置比例節(jié)流閥15開度值最大，防止阻尼力過大，產(chǎn)生逆向沖擊，為使過卷緩沖效果最佳，比例節(jié)流閥15開度值應(yīng)隨緩沖位移增大而減小，直至提升機完全緩沖制動，這樣避免緩沖腔短時存儲液壓能，使提升機過卷回落。

3 過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)建模

基于AMESIM搭建提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真建模，如圖2所示。圖中左側(cè)部分為過卷緩沖過程仿真模型，右側(cè)泵源主要調(diào)節(jié)緩沖液壓缸過卷初始位移值，節(jié)流閥最大過流面積暫取78.5mm2，即最大通徑為10mm。

圖2 過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation Model of the Variable Throttle Hydraulic Buffer System

仿真參數(shù)設(shè)置，如表1所示。仿真步長設(shè)置0.001s。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 System Simulation Parameters

4 過卷可變節(jié)流液壓緩沖性能分析

4.1 系統(tǒng)可變節(jié)流液壓緩沖特性研究

設(shè)置比例節(jié)流閥實時過流面積A（x）隨緩沖液壓缸活塞位移x（成線性減小變化規(guī)律，可令A(yù)（x）=78.5×10-6（1000-x），即緩沖液壓缸位移為1.0m時，比例節(jié)流閥處于完全關(guān)閉狀態(tài)。

仿真進(jìn)行0.5s，得到提升機過卷緩沖過程液壓缸位移速度動態(tài)變化曲線，如圖3所示。液壓缸緩沖腔（小腔）壓力流量動態(tài)變化曲線，如圖4所示。比例節(jié)流閥過流面積隨液壓缸位移變化曲線，如圖5所示。由圖3～圖5可得：過卷緩沖結(jié)束時間為0.174s，液壓缸活塞位移為0.83 m，此時比例節(jié)流閥仍有13mm2過流面積（處于未關(guān)閉狀態(tài)）；在0.174s以后，液壓缸緩沖腔有輕微壓力波動，且峰值逐漸遞減，緩沖過程緩沖腔最大壓力為30MPa，最大阻尼由過載溢流閥限制。

圖3 液壓缸位移速度動態(tài)變化曲線Fig.3 Hydraulic Cylinder Displacement and Velocity Curves

圖4 液壓缸緩沖腔（小腔）壓力流量動態(tài)變化曲線Fig.4 Pressure and Flow Curves in Buffer Chamber of Hydraulic Cylinder

圖5 比例節(jié)流閥過流面積隨液壓缸位移變化曲線Fig.5 Proportional Throttle Valve Flow Area Curve Changing with Hydraulic Cylinder Displacement

從仿真曲線看出緩沖過程基本平穩(wěn)，緩沖結(jié)束后無較大壓力波動，其主要原因是比例節(jié)流閥未完全關(guān)閉，緩沖過程比例節(jié)流閥起到消波減振作用。為驗證該結(jié)論，下面進(jìn)行不同提升質(zhì)量工況和不同提升速度工況下的可變節(jié)流緩沖特性研究。

4.2 提升質(zhì)量對系統(tǒng)液壓緩沖特性影響

其他參數(shù)保持不變，在提升速度為9.8m/s時，設(shè)置提升質(zhì)量分別為3000kg、5000kg、7000kg、9000kg 進(jìn)行系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性仿真，得到提升質(zhì)量對系統(tǒng)可變節(jié)流液壓緩沖特性的影響，如圖6所示。

圖6 提升質(zhì)量對可變節(jié)流緩沖特性影響曲線Fig.6 Lifting Quality Influence Curve on the System Variable Throttling Buffer Characteristics

由圖6可得：當(dāng)提升質(zhì)量由3000kg增大至9000kg時，過卷緩沖液壓缸活塞位移由0.54m增大至1.32m；提升質(zhì)量為7000kg和9000kg 時，液壓缸緩沖位移分別為1.1m 和1.32m，均大于1.0m，即過卷緩沖未結(jié)束前，比例節(jié)流閥完全關(guān)閉（開度為0），溢流閥起主要緩沖作用。比例節(jié)流閥完全關(guān)閉后，緩沖液壓缸緩沖腔有持續(xù)壓力波動，該工況下過卷緩沖過程存儲較多液壓能，導(dǎo)致緩沖效果較差。

4.3 提升速度對系統(tǒng)液壓緩沖特性影響

其他參數(shù)保持不變，在提升質(zhì)量為5000kg時，設(shè)置提升速度分別為6m/s、9m/s、12m/s、15m/s 進(jìn)行系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性仿真，得到提升速度對系統(tǒng)可變節(jié)流液壓緩沖特性影響曲線，如圖7所示。由圖7看出：當(dāng)提升速度由6m/s增大至15m/s時，過卷緩沖液壓缸活塞位移由0.3m 增大至1.95m；在提升速度為12m/s 和15m/s時，液壓缸緩沖位移分別為1.25m和1.95m，均大于1.0m，即過卷緩沖未結(jié)束前，比例節(jié)流閥均完全關(guān)閉（開度為0），溢流閥起主要緩沖作用。

圖7 提升速度對系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性影響曲線Fig.7 Lifting Speed Influence Curve on the System Variable Throttling Buffer Characteristics

同樣看出：比例節(jié)流閥完全關(guān)閉后，緩沖液壓缸緩沖腔有持續(xù)壓力波動，活塞速度也持續(xù)波動，即該工況下，過卷緩沖液壓缸會存儲較大液壓能，導(dǎo)致緩沖效果較差。顯然，通過兩種工況仿真看出：過卷緩沖過程，比例節(jié)流閥完全關(guān)閉后，緩沖液壓缸緩沖腔會存儲較多液壓能，導(dǎo)致過卷緩沖效果變差。因此，在緩沖液壓缸上腔并聯(lián)小通徑節(jié)流閥，過卷緩沖過程，緩沖腔常通油箱，減小能量儲存，避免緩沖腔壓力波動，減小活塞速度波動。

5 過卷可變節(jié)流液壓緩沖性能優(yōu)化

提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖性能優(yōu)化設(shè)計原理圖，如圖8所示。在緩沖液壓缸7上腔并聯(lián)定節(jié)流閥16，節(jié)流閥通徑為2mm，這樣在緩沖過程，緩沖腔可常通油箱。并建立的優(yōu)化系統(tǒng)仿真驗證模型，如圖9所示。給定兩種過卷緩沖工況，進(jìn)行驗證對比。

圖8 提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖性能優(yōu)化原理Fig.8 Optimization Principle about the Variable Throttling Hydraulic Buffer Performance

圖9 提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)優(yōu)化模型Fig.9 Optimization Model on the Variable Throttle Overwinding Hydraulic Buffer System for the Winder

5.1 低速重載工況優(yōu)化對比

在提升速度為9.8m/s、提升質(zhì)量為9000kg的工況下進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化特性仿真對比，得到的低速重載工況的系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性對比，如圖10所示。

圖10 低速重載工況系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性對比Fig.10 Comparison about the Variable Throttling and Buffering Charac?teristics on the Low Speed and the Heavy Load Systems

由圖10看出：優(yōu)化的緩沖腔壓力波動成逐漸衰減趨勢，壓力峰值在0.45s時逐漸衰減至2MPa。

5.2 高速輕載工況優(yōu)化對比

在提升速度為15m/s、提升質(zhì)量為5000kg的過卷緩沖工況下進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化特性仿真對比，得到的高速輕載工況的系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性對比，如圖11所示。由圖11看出：優(yōu)化的緩沖腔壓力波動成逐漸衰減趨勢，壓力峰值在0.43s時衰減至2MPa。

圖11 高速輕載工況系統(tǒng)可變節(jié)流緩沖特性對比Fig.11 The Variable Throttling Buffering Characteristics Comparison of the High Speed and the Light Load Systems

通過兩種工況下的對比仿真，驗證了提升機過卷可變節(jié)流緩沖系統(tǒng)優(yōu)化的可行性，優(yōu)化后的系統(tǒng)緩沖性能得到提高。

6 結(jié)論

基于提升機過卷緩沖回落問題，檢索了國內(nèi)提升機過卷緩沖研究現(xiàn)狀，結(jié)合液壓緩沖優(yōu)勢，提出了提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)，基于AMESIM搭建了提升機過卷可變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型，設(shè)置比例節(jié)流閥過流面積隨活塞位移線性遞減，研究了提升機過卷可變節(jié)流緩沖特性，總結(jié)了提升速度和提升質(zhì)量改變工況下的系統(tǒng)緩沖特性變化規(guī)律，最后通過在液壓缸緩沖腔并聯(lián)定節(jié)流閥，對提升機過卷可變節(jié)流緩沖系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，在低速重載和高速輕載工況下進(jìn)行了仿真驗證，為提升機過卷緩沖應(yīng)用研究提供理論參考，主要得出以下結(jié)論：

（1）增大提升速度或增大提升質(zhì)量，液壓缸活塞位移增大，緩沖腔壓力和活塞速度出現(xiàn)持續(xù)波動。

（2）過卷緩沖過程，在比例節(jié)流閥完全關(guān)閉后，緩沖液壓缸緩沖腔會儲存部分液壓能，引起緩沖腔壓力波動，導(dǎo)致活塞速度持續(xù)波動。

（3）液壓缸緩沖腔并聯(lián)小通徑節(jié)流閥，使其常通油箱，可避免儲存液壓能，使過卷緩沖特性得到改善。