基于AMESim液压支架立柱控制回路仿真分析

2018-06-28贾建强

山西焦煤科技 2018年3期

贾建强

(山西煤炭进出口集团蒲县豹子沟煤业有限公司，山西临汾 041204)

立柱在液压支架中起着调节高度与承载重量的作用，在煤矿井下使用支架时，顶梁将围岩带来的巨大压力传递给立柱，使得立柱长期处于高压状态，故其性能参数决定支架的正常工作。本文在已有液压系统的研究基础上，搭建了适用于本支架的立柱液压控制系统，通过计算得到设计参数，通过假定的一种外载工况，仿真分析立柱的动态特性，对于深入研究实际工作环境中立柱的工作状况以及提高煤矿生产安全性具有一定意义。

1 液压支架立柱参数计算

1.1 立柱缸径计算

设计常数包括：

1) 双伸缩立柱的工作阻力6 000 kN.

2) 安全阀的调定压力47.8 MPa.

3) 外缸筒的内径D1：

(1)

式中：

D1—立柱外缸筒内径，mm；

F—立柱工作阻力，kN，取6 000；

Pa—立柱安全阀调定开启压力，MPa，取47.8.

将D1圆整并取标准值，则D1=400 mm.

(2)

式中：

D2—立柱中缸筒内径，mm；

Pb—立柱中缸活塞腔额定压力，MPa；

Pa—立柱安全阀调定开启压力，MPa.

经计算得出，中缸内径D2=280 mm.

1.2 立柱缸筒壁厚的确定

1.2.1外缸筒壁厚的确定

(3)

所以，δ1≥[δ1]，缸筒的选择合适。

1.2.2中缸筒壁厚的确定

(4)

所以，δ2≥[δ2]，缸筒的选择合适。

1.3 立柱初撑力和工作阻力的计算

立柱的初撑力计算公式：

(5)

立柱工作阻力计算公式：

(6)

2 立柱控制回路模型建立及仿真结果分析

本文研究的支架为两柱双伸缩式，立柱外缸内径较大，为400 mm，调节高度≥1.7 m，为缩短升柱时间，需大流量进液，而两立柱动作又须保持同步进行，故两立柱控制回路设置为并联方式，并且每个立柱进液油路上均设有液控单向阀和安全阀，用于立柱增阻和降柱。在实际工作中，为获得额定的初撑力，要控制中缸和活柱的伸出顺序。根据双伸缩立柱的承载原理，在液压支架接触顶板时，只要保证中缸的行程没有结束，即活柱先伸出，中缸后伸出就可以使支架在接触顶板时符合设计要求，达到额定初撑力。

本文利用假设的一种外力工况来仿真立柱的动态效应，本液压系统设计中，活塞伸出的主要作用是满足支架调节高度的要求，在承载力方面只要满足强度要求即可，故在仿真立柱承载顶板来压的过程中，为获得设计的额定初撑力，即在活塞伸出过程结束后，中缸伸出过程中接触顶板，故仿真系统图可简化成见图1，此系统忽略活塞行程，仅仿真中缸伸出受力过程。根据以上要求设计立柱控制回路见图1.

图1 立柱控制回路图

由于支架的两立柱为并联设计，故在分析中只分析其中一个立柱，仅将泵站提供的流量减少一半即可。利用AMESim仿真软件设计立柱控制回路见图2.

图2 立柱控制回路仿真图

根据立柱参数计算结果，设定本模型泵站流量200 L/min，泵站安全阀的调定压力为31.5 MPa，立柱内径400 mm，杆径380 mm，立柱安全阀的调定压力为47.7 MPa.设定支架的外载压力为：0～12 s空载运行阶段，压力为100 kN；12～15 s立柱初撑阶段，压力为100～3 900 kN；15～18 s初撑恒阻阶段，压力为3 900 kN，此阶段将电磁换向阀调到中位；18～21 s增阻阶段，压力为3 900～5 600 kN；21～24 s为恒阻阶段，压力为5 600 kN；24～25 s为顶板来压阶段，压力为5 600～6 000 kN；25～30 s为顶板来压稳定阶段，压力为6 000 kN；剩余时间为支架放煤卸载状态，压力为5 000 kN. 仿真起始时间为0，停止时间为30 s，仿真步距为0.01 s，采用标准解算器混合误差进行仿真。立柱仿真结果见图3，4，5，6.

图3 立柱位移曲线图

由仿真曲线3～6可知，当顶板外载压力超过立柱安全阀的设定压力时，安全阀将打开卸压，保证立柱工作的安全性。由图3可看出，在25 s后由于外载压力的增大，支架位移出现明显的下降趋势，此时无杆腔压力在安全阀的调定作用下保持恒定，而流量通过安全阀卸出，并出现了剧烈波动；30 s由于放煤等动作，支架承载压力减小，当外载压力小于安全阀调定压力后，支架位移将保持不变。由图4，5，6可看出，立柱的速度、无杆腔压力以及无杆腔流量在30 s后，因外载压力的突变，均出现剧烈波动，但波动幅度呈递减趋势，并最终稳定于一个定值处。

图4 立柱速度曲线图

3 结论

仿真结果验证了立柱在设定工况下出现的动态效应，即支架在初撑和增阻阶段时，立柱没有明显的动作，在外载压力超过安全阀调定压力以及压力突然减小低于安全阀调定压力时，支架将会在一个数值附近出现明显的有规律性的波动状态，并最终稳定于此数值处，仿真结果对支架实际应用具有一定的指导意义，在设计使用支架时应尽量避免出现外载压力变大或变小等突变状况，以维护煤矿生产安全。