基于AEMSim的掘进机液压系统参数优化分析

杨文林，闫炳雷，王忠宾

(1.中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州221116;2.三一重型装备有限公司，辽宁沈阳110027)

掘进机是集巷道破岩、运输、喷雾除尘为一体的井下作业装备，其主要作业装备为安装在截割部末端的截割头，通过截割升降油缸实现截割部的升降运动，从而完成对井下断面的截割。截割升降油缸的速度由多路阀控制，每一个油缸都装配有平衡阀。平衡阀可以防止油管爆裂时截割部自动下落。在正常的工作状态下，多路阀输出的先导压力使平衡阀开启，从而实现截割部正常的升降运动。

平衡阀的选型与参数设置是影响截割升降平稳性的重要因素。目前截割功率超过250 kW 的大型号硬岩掘进机，由于截割部质量大，就曾经出现过截割部在下降过程中发生抖动现象，严重影响了液压系统稳定性以及设备的正常作业。

LMS 公司的Imagine.Lab AMESim 软件是当今工业界功能最全面、最为普及的机电液智能系统仿真分析平台，是了解和改善产品动态特性、提升产品性能、分析和解决产品故障的有效手段。

以掘进机截割部液压回路为研究对象，利用AMESim 建立其系统仿真模型，研究液压系统平衡阀参数对截割部运动的影响。利用AMESim 优化分析工具，对液压系统参数进行优化分析，将液压系统的参数设置与截割部几何参数进行优化匹配，使系统运动平稳、高效，以提高液压系统性能。

1 截割升降液压系统建模

掘进机液压系统采用负载敏感变量系统，升降油缸的速度由负载敏感比例多路阀控制，截割升降油缸与比例多路阀之间安装有平衡阀。系统液压原理如图1所示。

参照液压原理图，利用AMESim 建立掘进机截割部升降控制液压回路仿真模型，仿真模型包括负载敏感变量泵、比例多路阀、平衡阀、液压缸以及截割部等关键系统部件。截割部采用AMESim 的平面机构库模型(PLM)建模，模型中包含了连接绞点、支撑点、质量、总长度等相关信息。

图1 截割升降回路液压原理

负载敏感变量泵是液压系统的动力源，其输出的压力和液压系统的负载压力相关，即主油泵的输出压力等于LS 反馈压力与待命压力之和。液压泵建模采用PID 闭环控制算法，设定主油泵的响应时间、比例增益和待命压力，即得到主油泵仿真模型如图2所示。

图2 负载敏感变量泵仿真模型

掘进机执行机构的速度通过比例多路阀控制。多路阀由比例流量阀和压力补偿器组合而成，压力补偿器保证多路阀的流量只与主阀芯的开度相关，与负载压力无关，即流量由控制信号决定。比例多路阀的主要参数包括公称流量和压力损失，其仿真模型如图3所示。

图3 比例多路阀仿真模型

截割部升降运动控制油缸直接安装在油缸缸体上面，可以防止油管爆裂时截割部自动下落，提供负载保持和平稳的运动控制。平衡阀通常成对使用，进油时通过单向阀通道进油，回油通过由进油压力打开的节流口回油。平衡阀的主要参数包括公称流量、压降、导压比以及开启压力。平衡阀仿真模型如图4所示。

图4 平衡阀仿真模型

截割部的升降运动的轨迹在同一个平面内，因此截割部机械结构建模采用AMESim 的平面机构库模块。截割部采用一个3 节点的PLMBOD 模块表示，其中一个节点与plmpivot 模块连接，表示和回转台连接的铰接点。另一个节点与plmjack 模块连接，表示油缸铰接点。第3 个节点为自由节点，其位置在截割部末端。机械机构模型如图5所示。

图5 截割部机械结构仿真模型

根据截割部几何尺寸，设定平面机构模块绞点坐标、油缸作用位置、升降回转绞点位置等几何信息，即可进入截割部平面机构仿真装配图，如图6所示。

图6 截割部平面机构仿真装配图

2 截割升降运动仿真

截割部升降液压回路仿真模型如图7所示。

通过设置比例多路阀的控制信号，使液压缸处于下降运动状态。设定平衡阀的开启压力为28 MPa、仿真时间为5 秒，仿真结束后得到油缸速度曲线如图8所示。

由仿真曲线可知:在截割部下降过程中，油缸始终处于抖动状态，速度与压力不平稳。将平衡阀的开启压力设定为14 MPa，则仿真曲线如图9所示。

图7 截割部升降液压回路仿真模型

图8 开启压力为28 MPa时油缸速度曲线

根据以上曲线可知:在该参数状态下，油缸速度和压力在经过短暂抖动后迅速达到平稳状态，此时截割部可以平稳下降。

3 液压系统参数优化

由截割部下降运动仿真可知:平衡阀开启压力参数设置是影响截割部运动平稳性的重要因素。利用AMESim 的设计开发与优化模块，可以合理设置参数，使系统运动处于最佳状态。对平衡阀开启压力进行设置，使系统各项性能满足要求，该过程为系统优化设计。开展系统优化设计，首先需要定义一个或几个优化过程中需要处理的目标量，另外根据优化目标设定目标量的限制条件。

将平衡阀开启压力定义成所要加运算规则的输入量，默认值设定为21 MPa，下限值设定为14 MPa，上限值设定为28 MPa。

优化仿真的限制条件包括:为避免截割部在下降过程中由于重力作用导致下降速度过快，使液压缸的流量超出液压回路所能有效提供的流量;在下降过程中液压缸最大输入流量与液压回路公称流量之差不超过10 L/min;截割部在下降过程过不会出现向上的抖动;在稳态阶段截割部平稳下降，截割部速度变化幅度最高不得超过0.02 m/s。优化规则选择NLPQL，该规则对初始值是敏感的。经过优化过程的多次运算后，给出了最优的解决方案，即得到了最优液压系统参数设置。采用最优参数得到的仿真曲线如图10所示。

图10 参数优化后的油缸速度曲线

4 结论

采用AMESim 液压系统的基础液压元件模型和控制元件模型，建立了截割部升降运动控制液压回路负载敏感泵、比例多路阀、平衡阀等元件的仿真模型。采用AMESim 的平面机构库建立了截割部升降运动机构仿真模型。利用仿真模型准确地模拟了在截割部下降过程中平衡阀开启压力对截割部运动平稳性、压力冲击、流量稳定性的影响。

采用AMESim 参数优化工具，将平衡阀开启压力作为输入参数，将与截割部运动相关的液压缸运动速度和流量作为输出参数，定义最小速度、稳态速度波动、流量误差为复合输出参数。通过设计优化方法得到了最佳平衡阀开启压力设定值。

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