基于AMESim 液壓支架的動態特性仿真分析

馬 帥

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司， 山西 鄉寧 042100）

0 引言

液壓支架作為煤礦綜采工作面生產的支護設備，其性能對于保障綜采工作面的安全生產具有重要意義。我國所研發的液壓支架在實際應用存在諸多的問題，可以歸結如下：由于液壓支架的頂梁過短導致其不能夠對頂板進行及時支護，從而導致冒頂、片幫等故障的發生；液壓支架液壓系統的安全閥卸載流量過小，導致設備由于阻力過大而出現液壓缸爆裂故障。總之，液壓支架性能的不足對煤礦安全生產帶來了極大的安全隱患。基于此將結合液壓支架機械結構和液壓系統對其動態性能進行仿真分析，為今后優化液壓支架的機械和液壓系統提供理論支撐。

1 液壓支架概述

液壓支架作為綜采工作面安全生產關鍵支護設備，其主要結構包括有頂梁、立柱、掩護梁、底座以及液壓控制系統等。在實際生產中，液壓支架根據生產要求和工況完成升架、降架、移架以及推溜等基本動作。本文所研究液壓支架為掩護式支架，具體型號為2×2860，該型液壓支架的具體參數如表1 所示。

表1 液壓支架主要技術參數

雖然，國內學者已經對液壓支架的動態特性展開系列研究[1-2]；但是，其僅僅是針對液壓支架的機械結構完成的。本文將從液壓支架液壓系統層面出發對其動態特性展開仿真研究。

2 液壓支架立柱液壓系統仿真模型的構建與驗證

本文將基于AMESim 軟件建立液壓支架液壓系統的仿真模型，液壓支架的液壓系統組成如圖1 所示。

圖1 液壓支架液壓系統組成

如圖1 所示，從元件的功能不同可將液壓支架液壓系統的組成部分分為動力元件、執行元件、控制元件以及輔助元件等[3-4]。其中，動力元件主要指的是液壓油泵；執行元件主要包括液壓油缸、液壓馬達等執行部件；控制元件主要指的是對流量、方向以及壓力等控制的相關閥等；輔助元件包括有液壓管路、儲能器、過濾器等。

2.1 液壓支架立柱液壓系統仿真模型構建

根據液壓支架的組成部分，立柱為其承受載荷的主要部件，本文重點對液壓支架立柱的動態性能展開研究。基于AMESim 軟件對立柱的關鍵液壓部件進行建模，包括立柱本體、大流量安全閥、液控單向閥、控制閥以及泵站等，基于AMESim 軟件所建立的液壓支架立柱液壓系統仿真模型如圖2 所示。

圖2 液壓支架立柱液壓系統仿真模型

2.2 液壓支架立柱仿真模型的驗證

為了后續對液壓支架液壓系統動態特性分析能夠獲得真實的數據，可真正意義上指導液壓支架實踐生產應用。本小節對上述所構建的液壓支架立柱的仿真模型的準確性進行驗證。驗證思路：根據實際工況對模型中的參數進行設置，并添加相應的約束條件，對液壓支架立柱的升柱過程進行仿真，并對仿真結果與實際情況對比，從而驗證模型的準確性，立柱升柱階段仿真結果如圖3 所示。

圖3 液壓支架立柱升柱階段仿真結果

如圖3 所示，液壓支架立柱在10.5 s 時刻升至3 m，即實現了液壓支架與工作面頂板的接觸，此時對應的液壓支架下腔壓力為27.5 MPa；隨著液壓支架進入初撐階段，液壓支架下腔壓力不斷升高，并在15 s達到額定初撐力31.5 MPa，即實現了液壓支架對頂板的初撐操作。與實踐生產工況對比，仿真結果對立柱工況的模擬基本符合實際升柱操作，即所構建的液壓系統仿真模型可用于下一階段動態特性仿真結果的分析。

3 液壓支架動態特性仿真分析

本文將采用ADAMS 和AMESim 軟件對液壓支架動態特性進行仿真分析。將所建立的聯合仿真模型導入AMESim 軟件中，完成參數設置后開始整個聯合仿真，所構建的聯合仿真模型如圖4 所示。

圖4 液壓支架動態特性聯合仿真模型

液壓支架液壓系統中的液壓泵、單向閥以及安全閥均為其關鍵部件。以液壓泵為例，本節將在上述所構建的聯合仿真模型的基礎上對液壓泵的動態特性進行研究。

3.1 不同泵排量下液壓支架的動態特性

此種情形下的仿真條件設置如下：液壓馬達的轉速為1 000 r/min，溢流閥的額定壓力為31.5 MPa（315 bar）。從理論上講，液壓泵排量的大小將直接決定液壓支架立柱的升柱或者降柱的速度。本小節對液壓泵排量分別為150L/min、250L/min 和350L/min 液壓支架立柱完成升柱的速度進行對比，對比結果如表2 所示。

表2 液壓泵排量對立柱升柱速度的影響

由表2 可知，隨著液壓泵排量的增加，對應液壓支架升柱的時間縮短，即升柱速度提升。但是，當液壓泵排量過大時，液壓支架立柱的位移曲線波動嚴重，即對液壓系統和機械元器件本身造成沖擊。

3.2 不同溢流閥壓力下液壓支架的動態特性

此種情形下的仿真條件設置如下：液壓馬達的轉速為1 000 r/min，液壓泵的排量為250 L/min，分別對溢流閥的額定壓力24 MPa、28 MPa 以及31.5 MPa 下對液壓支架立柱的影響開展研究。

通過仿真分析可知：在液壓泵排量的條件下，溢流閥設定的額定壓力越低，升柱完成所需的時間越短；反之，所需時間越長。但是，當溢流閥額定壓力設定過低時容易導致液壓支架初撐力不足而不能夠對工作面頂板進行有效支護。

3.3 液控單向閥卸載仿真結果分析

液控單向閥作為一個可以實現雙向流通的閥體，在液壓支架降柱過程中，需要打開單向閥完成卸荷操作。本小節對液控單向閥卸載過程中，液控口等效直徑為3 mm 和2 mm 時進行分析，仿真結果如圖5 所示。

由圖5 可以看出，在同種工況下，當液控單向閥閥口等效直徑較小時，在降柱過程中液控單向閥的閥芯位移振動相對距離，從而導致其中的流量出現振蕩，進而對設備造成沖擊。

4 結語

液壓支架為綜采工作面的關鍵支護設備，液壓支架液壓系統各零部件的動態特性對于保證整機設備實現高效的支護，保證設備整機的使用具有重要意義。其中，液壓支架泵在為立柱升降的動力源，排量越大越能夠實現對頂板的快速支護；但是，排量過大時容易對液壓系統元器件造成沖擊。對于液控單向閥而言，在降柱過程中，閥口等效直徑過小極易導致閥芯位移出現嚴重的振蕩，從而對設備造成沖擊。因此，需結合支護效率和避免設備沖擊兩個方面的因素對液壓支架元器件參數進行優化設計。