基于流体动力学的BHS快速换绳装置行走机构的设计与模拟

张延军，张俊，寇子明

(1.太原理工大学机械工程学院，山西太原030024;2.山西省矿山流体工程技术研究中心，山西太原030024)

根据我国《煤矿安全规程》第403 条规定，摩擦轮式提升钢丝绳的使用期限应不超过两年。对主、副井均采用摩擦轮提升的煤矿而言，平均每年都需要更换一次提升钢丝绳，众所周知，更换提升钢丝绳难度大、技术性强而且危险程度极高。随着科学技术的日益发展，煤矿生产自动化程度也越来越高，在国外已经有利用挂绳专用摩擦绞车、“依万诺夫”型绞车等专用设备进行换绳，国内也有集机电液自动控制于一体的BHS 快速换绳装置。BHS 快速换绳装置利用液压驱动平行四边形锁紧机构，以达到锁绳的目的，不同于国外的连续换绳装置，BHS 快速换绳装置是利用步进油缸带动锁住钢丝绳的锁紧装置来回运动以达到下放新绳的目的［1］。换绳的速度和换绳过程的平稳性是取决于步进油缸的运动特性，为了达到安全换绳尤其是防止摽绳事故的发生，在文中着重对换绳装置的步进送绳的动力部分进行仿真研究。

1 送绳机构简介

BHS 换绳装置的送绳机构包括移动小车、平行四边形锁紧装置、锁紧油缸、双联油缸底座和步进油缸组等［2］，送绳机构如图1所示。

图1 送绳机构结构图

现有煤矿采用四绳提升占有相当大的比例，下面以四绳换绳为例进行详尽的说明。锁紧油缸固定在平行四边形锁紧装置的两端，平行四边形锁紧装置又固定在移动小车上，双联油缸底座是固定在地基上的，步进油缸一端固定在双联油缸底座上，另一端固定在移动小车上，因此锁紧油缸、平行四边形锁紧装置和移动小车构成了一个整体。新绳和旧绳的绳头通过绳卡卡在一起，当新绳被锁紧后，通过连接在移动小车上的步进油缸的伸缩使新绳来回运动，送绳机构的动作要求如表1所示。

表1 送绳机构的动作要求表

2 送绳机构的液压原理

由上述的分析可知，步进油缸与锁紧油缸的动作是顺序进行的，两者之间互不干扰，因此可简化送绳模型，其液压原理如图2所示。

图2 送绳机构液压原理

由表1 可知，当锁紧装置锁住钢丝绳后，步进油缸的动作是一致的，要么同时打开，要么同时收回。两步进油缸不可能同时送绳，即有一组油缸是空行程复位。结合图2 进一步分析，无杆腔进油时，油缸是差动连接的;换向阀处于左位时油缸的速度是连续可调的，由于渐变节流式缓冲装置能使缓冲过程较平稳［5］，因此需着重对油缸的无杆腔缓冲节流进行研究。

3 缓冲油缸的设计

3.1 油缸设计要求

油缸行程s=1 000 mm，缸径D =100 mm，杆径d=70 mm，油缸缩回时间t≤10 s，为了防止产生过大的冲击，油缸在缓冲终了时的速度应不大于0.05 m/s。

3.2 缓冲结构原理

文中所研究的缓冲油缸为缸体固定活塞杆运动，其缓冲结构为抛物线型，缓冲结构示意图如图3所示。缓冲柱塞由抛物线型渐变节流缓冲结构和圆柱型缝隙节流结构组成。

图3 缓冲结构示意图

当缓冲柱塞3 未进入缓冲腔4 时，无杆腔的液压油经固定节流孔5 和回油道7 流回油箱，此时主要的能量损失为局部节流损失。

当缓冲柱塞3 开始进入缓冲腔4 时，随着油缸的运动，缓冲柱塞3 与缓冲腔4 之间形成的通流面积逐渐减小，由连续性方程和伯努利方程可知，缓冲腔4形成的背压将逐渐增大，随着通流面积的减小，背压越来越大，在活塞2 上的作用力也随之增大，动能逐渐被吸收转变为压力能，从而使活塞2 的运动速度随油缸的位移而减小。

油缸结束渐变节流缓冲后将进入圆柱环状缝隙节流缓冲，此时缓冲腔4 的背压将快速升高到一固定值，进一步对活塞2 进行减速以减小冲击。由于圆柱环状缝隙的通流面积不变，缝隙的流量与缝隙两端的压差成正比，压差越大，缝隙流量越大，活塞2 的运动速度波动将越大。圆柱环状缝隙较小，由连续性方程和伯努利方程可知，在缓冲腔4 内将形成较高的背压。为了提高系统运行的平稳性，要尽量延长渐变节流缓冲的时间，将运动件的速度减小至不高于0.05 m/s，同时要缩短环状缝隙节流缓冲的时间，避免不必要的波动。

3.3 缓冲油缸动态特性的数学描述

3.3.1 缓冲油缸的力平衡方程

活塞两边的力平衡方程:

在此例计算中活塞的质量m 远远小于负载的质量M，因此将力平衡方程简化为

式中:p1、p2分别为无杆腔和有杆腔的压力;

A1、A2分别为无杆腔和有杆腔的有效作用面积;

m、M 分别为活塞和负载的质量;

L 为油缸的位移。

3.3.2 缓冲油缸输入油液的连续性方程

式中:λ 为缓冲油缸的泄漏系数;

V 为缓冲腔油液体积;

K 为液压油的体积弹性模量。

3.3.3 缓冲第一阶段

缓冲第一阶段仅有固定节流孔缓冲节流，薄壁孔口流量方程为:

式中:cq为流量系数，查表取cq=0.75;

Δp 为节流孔两侧的压力差，由于节流孔的出口连接油箱，近似认为Δp 为一常值;

A 为缓冲腔的通流面积;

ρ 为液压油的密度。

3.3.4 缓冲第二阶段

根据设计要求，在渐变节流缓冲过程中活塞的运动速度将逐渐地、平稳地下降，由抛物线节流缓冲特性，当缓冲柱塞进入缓冲腔时，活塞将做匀减速运动:

式中:v0为缓冲柱塞进入缓冲腔前的速度;

vx为缓冲过程中活塞的速度;

x 为缓冲柱塞进入缓冲腔的长度;

a 为缓冲过程的减速度。

缓冲柱塞与缓冲腔间的通流面积:

由于缓冲腔的内径远大于缓冲柱塞与缓冲腔的间隙δx，在工程计算中，将通流面积近似地看作是一个随缓冲柱塞与缓冲腔间隙变化而变化的线性变量，式(6)可简化为:

式中:Ax为缓冲柱塞进入缓冲腔距离为x 时的通流面积;

δx为缓冲柱塞进入缓冲腔距离为x 时缓冲柱塞与缓冲腔的间隙;

d0为缓冲腔的内径。

当缓冲柱塞进入缓冲腔后无杆腔的有效面积为:

由于δx远小于d0，将式(8)改写为:

由式(3)、(4)、(5)、(9)可求得缓冲柱塞进入缓冲腔后的运动速度为:

将式(10)代入式(5)整理得

y2=F(C－x)

缓冲柱塞的长度为:

3.3.5 缓冲第三阶段

第三阶段为同心圆柱环形缝隙节流，同心圆柱环状缝隙的流量计算公式为:

式中:d0为缓冲柱塞的直径;

δ0为同心圆柱环的单边缝隙;

μ 为液压油的动黏度;

l0为缓冲柱塞的长度;

4 基于AMESim 对送绳机构进行液压建模

基于AMESim 对送绳机构进行液压建模，相关液压元件参数如表2所示。

表2 相关液压元件参数表

送绳机构的液压模型如图4所示。

图4 送绳机构的液压模型

5 仿真结果

根据设计要求，对缓冲油缸完全伸出需要的时间、油缸的行程与缓冲腔的背压和油缸的运行速度之间的关系进行描述。油缸的位移与其运动特性的关系如图5所示。

图5 油缸的位移与其运动特性

图5(a)表示油缸的位移与时间关系，油缸在不到8 s 的时间内就达到了行程终了位置，满足设计要求。图5(b)、(c)、(d)分别表示油缸的的速度、加速度和缓冲腔背压与油缸位移之间的关系。在固定节流缓冲过程中，油缸快速稳定在0.19 m/s。进入无杆腔的液压油流量大，油缸加速时间短，造成加速度较大，同时在缓冲腔内也将快速形成背压，由于液压传动吸收振动的特性，油缸将在这一速度快速稳定。

当柱塞头进入缓冲腔后，在渐变节流缓冲的作用下，通流面积与行程间呈抛物线性减小，由连续性方程、伯努利方程和薄壁孔节流特性可知通过渐变节流孔的流速将随着行程的增大抛物线性减小，而加速度将随之抛物线性增大，同时缓冲腔的背压也将增大。

考虑到油缸的加工工艺性，缓冲柱塞不可能完全是抛物线性，而且抛物线性缓冲柱塞与缓冲腔的通流面积的变化率是越来越小的，到后来抛物线性缓冲特性将趋向于平稳，这对缓冲是没有意义的。实际情况下在渐变节流缓冲后还有一段缝隙节流，当缓冲柱塞进入缝隙节流时，活塞运动速度将快速下降到某一特定值后趋于稳定，反应在缓冲腔背压的情况是背压快速增高，只要节流缓冲的几何形状变化不太激烈，油缸的运动特性将不会有大的变化。渐变节流缓冲到缝隙节流缓冲转缓的临界位置，活塞的速度下降到0.046 m/s 后稳定，冲击减速度从0.06 m/s2减小到0，同理背压也有类似的变化，如图5(b)、(c)、(d)所示。

6 结论

在多学科系统建模与仿真平台AMESim 的作用下，对BHS 换绳装置送绳机构的液压控制系统模拟仿真，仿真结论表明:

(1)基于计算流体动力学理论对抛物线性渐变节流缓冲油缸的运动特性进行研究，建立了抛物线性渐变节流缓冲油缸缓冲过程中的流体动力学方程;

(2)应用多学科系统建模和仿真平台AMESim进行仿真分析，为实际设计提供了理论依据，为机、液一体化奠定了基础。

【1】吴娟.多绳摩擦提升机快速换绳系统的研究［D］.太原:太原理工大学，2004.

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