基于AMESim的支架液压系统仿真分析

高建红

（山西煤销集团 临汾矿业投资公司，山西 临汾 041000）

0 引言

随着采煤技术的发展，矿山充填技术得以在综采工作面广泛应用，而充填支架是整个充填采煤技术的核心支护设备。充填支架与一般支架的主要区别在于充填支架后端悬挂充填输送机或者充填物料管道，在采煤工作过程中，充填支架配合采煤机和刮板输送机完成采煤工作，同时，支架利用后端悬挂的充填输送机或者充填管道进行充填操作。采煤机完成一个截割步距后，充填支架即开始充填工作，物料充填工序结束利用夯实机构对充填物料进行夯实，然后进行推溜移架操作，继续进行采煤工作。充填开采工艺过程对充填支架液压系统稳定性提出了较高要求，本文通过对充填支架立柱液压系统的仿真，研究分析其液压系统响应的准确性和稳定性，以达到发挥支架支护效果、提高可靠性的目的。

1 支架液压系统建模

本文以ZC5600／17／28液压支架为研究对象，对其立柱液压系统进行动态仿真分析，根据仿真结果研究其响应的准确性和稳定性。ZC5600／17／28支架的液压系统如图1所示。

图1 支架液压系统

首先通过AMESim软件对支架液压系统进行建模。考虑到液压支架液压系统中的换向阀和单向阀开启关闭对液压系统稳定性有重要影响，因此在仿真建模中采用液压元件设计库设计换向阀和单向阀的子模型，以此更加精确地研究立柱工作过程中乳化液压力和立柱运动，并在AMESim中直接选择立柱和安全阀的模型组建液压系统整体仿真模型。

三位四通换向阀模型如图2所示。设置阀芯直径为Φ10mm，阀芯杆径为Φ5mm。

图2 三位四通换向阀仿真模型

液控单向阀仿真模型如图3所示，黏性摩擦系数设为0．015 5，阀芯直径为Φ26mm，阀芯杆径为Φ22mm。

图3 液控单向阀仿真模型

利用AMESim对液压支架液压系统进行整体仿真。仿真时，液控换向阀先导阀一端输入信号，由乳化液泵站来的高压油液经换向阀和液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔回液，支架升起接顶，操纵换向阀移到中位，液控单向阀关闭，立柱下腔液体被封闭。在这个过程中，立柱液压系统必须保持良好的性能和稳定性，以此保证切顶支护和充填的效果。立柱液压系统仿真模型如图4所示。

2 支架液压系统仿真

根据支架液压系统图建立仿真模型后，根据工程实际情况设置仿真分析所需的相关参数。设置立柱油缸内径为Φ230mm，活柱直径为Φ160mm，活柱长度为1 500mm，质量为100kg，安全阀的调定压力为33．7MPa；液压泵的输出流量Q＝150L／min。液控单向阀压降为3MPa，再设置仿真运行时间为0s～10 s，仿真步长为10－4s，仿真允许误差为10－3，采用标准解算器混合误差进行仿真分析，得到的立柱活塞杆速度曲线如图5所示，加速度曲线如图6所示，立柱下腔的压力变化曲线如图7和图8所示。

图4 立柱液压系统仿真模型

图5 活塞杆速度曲线

图6 活塞杆加速度曲线

根据输出结果分析可知，立柱升柱过程开启时，由于液压冲击影响，速度和加速度出现短时波动，速度瞬时增大到0．12m／s，立柱下腔压力升至0．7MPa，在安全阀作用下速度震荡后保持在0．06m／s稳定运行，加速度趋于零位，立柱下腔压力恢复平衡。之后系统恢复稳定运行，完成升柱过程，系统整体运行稳定。

3 结论

通过建模仿真结果分析可知，立柱升柱过程开启时系统出现波动，但活塞杆加速度和无杆腔乳化液压力波动幅度较小，在可控制范围内，对系统整体影响较小，之后立柱稳定运行直至完成升柱过程。仿真结果表明，支架液压系统整体性能稳定，运行良好，与实际工况相符，说明AMESim软件具有良好的动态仿真性能和仿真精度，从而验证了仿真建模方法的正确性。

图7 立柱下腔压力曲线

图8 开启阶段立柱下腔压力曲线

根据仿真结果对支架液压系统进行优化改进，系统设计时可以在输入端添加蓄能器，以充分吸收开启阶段液压冲击的能量，减小乳化液对支架液压系统整体的冲击作用；同时适当增大立柱封闭容腔体积，可以减小液压冲击对立柱的影响。另外，在满足使用条件下安全阀可以采用刚度较高弹簧以加快复位速度，增大换向阀阀芯质量以确保换向阀响应的稳定性，这样就能充分降低系统震荡，保证支架发挥支护的效果，提高设备可靠性。