基于AMESim的中心回转式清仓机液压系统动态特性研究

2019-04-22，，

液压与气动 2019年4期

，，

(1. 江苏师范大学机电工程学院, 江苏徐州 221116； 2. 中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 221008)

引言

煤仓安装于煤矿井下，是原煤采出后临时储藏和转运的重要装置。然而，由于受煤炭开采工艺的影响，原煤采出后自身会携带一定含量的水分，随着含水原煤对煤仓的不断输入与输出，会使得原煤在煤仓壁上形成一层粘结物，称之为粘煤。粘煤的积累会使煤仓壁表面粗糙不平，并使原煤在煤仓中的运输严重受限。这种缺陷制约了井下原煤的运输，使生产效率严重降低。为保证生产过程的不间断，需要经常性地对煤仓进行清理[1-2]。

由于机械化和自动化技术的不断发展，传统的人工清理煤仓方式显然难以满足大型煤矿的生产需要。

近年来，随着液压技术在煤矿产业中的运用，人们对于液压设备工作的可靠性也愈发认同。因此，本研究设计了一种中心回转式全液压清仓机，并对其液压系统进行了仿真分析与研究，旨在实现矿用清仓设备的智能化和自动化，为矿井安全建设的进一步发展奠定坚实基础。

1 中心回转式清仓机结构原理

本研究旨在解决直径为5 m、高度为40 m的立筒式煤仓积煤清理的问题。通过对井下设备布置情况、巷道设置情况的考察，发现煤仓口位置的空间较为局促，不利于大型设备的安装，因此拟采用结构相对紧凑的液压驱动作为动力源。

针对割煤的问题，本研究借鉴滚筒式煤机的割煤方法，使用截锥体形式的截割头进行铣削落煤。通过参照传统的滚筒式采煤机工作原理，拟在工作臂末端设置1个截割头，该截割头前端均匀布置了成45°角的3排切割头，以满足切煤要求；同时，本研究拟设计一回转机构，用于驱动工作臂沿煤仓轴向旋转，该回转力用于克服截割头回转割煤时的阻力；清仓机工作时，需要由一套提升设备下放至工作位置，为了尽量减少配套设备数量，拟采用液压绞车提升下放；液压泵站则放置在煤仓仓口，供工人操作。

图1为所设计的中心回转式液压清仓机具体结构。

1.工作臂 2.支撑臂 3.悬吊机构 4.回转机构 5.主机架 6.配重装置图1 中心回转式液压清仓机

(1) 工作臂，工作臂作为清仓机重要的执行机构，承担着最主要的切割煤任务；2个工作臂对称布置，并由回转机构驱动；在割煤过程中，工作油缸缓慢进给，在保证割煤效率的同时，避免由于进给量过大，造成清仓机超负荷工作的情况；工作臂回转环绕式的割煤方式，不存在工作死角，运行稳定、效率高；

(2) 支撑臂，本研究所设计的支撑臂并不需要提供足以撑起整个清仓机的摩擦力，因为承重的任务主要由钢丝绳承担，支撑机构只是防止因整机重心偏离而产生的倾覆现象；其主要工作机构为3个沿煤仓径向均布的支撑油缸；摩擦力由支撑油缸与煤仓壁接触表面提供；

(3) 回转机构，回转机构可绕煤仓轴向转动，回转机构安装有液压马达，为了达到合理的转速，同时避免马达承受径向力和轴向力，故采用一对开式齿轮进行传动；

(4) 主机架，主机架由上下两层安装盘所组成，为保证主机架的强度，主机架上多处设有筋板；安装盘上设置可供起吊使用的吊环盘，与液压绞车的钢丝绳相连接；

(5) 配重装置，由于液压马达处于整机单侧，为与之相平衡，故设有配重装置，避免因重心偏移导致整机倾覆。

2 液压系统的工作原理

本研究设计的清仓机采用单泵开式循环系统，满足截割参数、回转参数、支撑参数和提升参数的要求，其中单泵的结构形式为定量泵，供油工作油缸、支撑油缸、回转马达和液压绞车4个执行机构。这4个机构分别实现割煤、旋转、支撑、提升的功能，调速方式为进油节流调速，图2为具体液压原理图。

1.液压泵站 2.调速装置 3.三位四通换向阀 4.液压绞车 5.回转马达 6.液压锁 7.工作油缸8.支撑油缸 9.分流集流阀图2 中心回转式清仓机液压系统原理图

(1) 液压泵站，该泵站安装在煤仓口位置，包含有矿用防爆电机、定量泵、溢流阀、二位二通手动换向阀、过滤器和油箱。

其中，定量泵的结构形式为齿轮泵，具有抗污染能力强，故障率低的特点，适于井下使用；液压泵站的定量泵出口压力的稳定由溢流阀控制。

(2) 调速装置，其中工作油缸和支撑油缸速度的控制是由单向节流阀来调节的，它由1个节流阀和单向阀组成；另外2个马达的回转速度，是通过调速阀进行调节的。

(3) 手动换向阀，本研究所使用的是三位四通换向阀，4个换向阀具有2个中位机能：O形和M形。其中，O形中位机能的特点是换向阀在中位时具备保压功能，M形中位机能的特点是当换向阀处于中位时，系统可以直接卸载。

(4) 液压绞车，内含1组制动装置，当换向阀处于右位时，制动油缸内的弹簧推出活塞杆将液压绞车制动；当换向阀处于左位时，梭阀选取两侧油路中的高压，推动活塞杆缩回，液压绞车开始工作；当换向阀处于中位时，系统直接卸载，马达不工作。

(5) 回转马达，回转马达内设有双向溢流阀，以减少在启动和制动时产生的冲击，实现对液压系统的保护。

(6) 液压锁，液压锁由2个液控单向阀组成，当换向阀位于中间时，实现支撑回路、变幅回路中油路锁紧进行保压的功能。

(7) 工作油缸，推送截割头到煤仓积煤位置，进行回转割煤的工作。

(8) 支撑油缸，主要为了防止清仓机重量分布不均而产生的倾覆，中部法兰连接安装支撑头，以加大与煤仓壁的摩擦系数。

(9) 分流集流阀，目的是保证在回路的工作过程中，支撑油缸中3个油缸速度一致，以及工作油缸中2个油缸的速度一致，进而使清仓机处于煤仓中心位置，提高工作效率。

3 仿真分析

3.1 回转回路

回转回路是清仓机液压系统中重要的工作回路，它需要提供给工作机构回转割煤时所需的压力和流量，满足其转速和输出扭矩的要求[3-5]。本研究所设计的回转回路是典型的定量泵-定量马达系统，采用进油节流调速的方式对回转马达进行转速调节。通过对该回路进行动态分析，可较为直观地得出回转马达的转速、压力、流量等参数的变化[6-8]。

通过液压元件子模型库可构建出回转回路进油节流调速仿真模型，如图3所示。表1是仿真回路中各元件参数的设置。

图3 回转回路仿真模型

液压元件子模型参数设置参数值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵额定转速/r·min-11480马达MO001马达排量/mL·r-1664马达额定转速/r·min-1600负载转矩FR1R000库仑摩擦转矩/N·m1200转动惯量RL02转动惯量/kg·m21.25溢流阀RV00安全阀开启压力/MPa16

具体仿真工况设置为：其中节流阀通径规格为10 mm，仿真时间设置为15 s，仿真结果如图4～图6所示。前5 s，换向阀处于中位，回转马达静止，此时负载转矩设定为0；后10 s，换向阀处改变到右位，回转马达开始转动，负载转矩设定为1200 N·m。最终可得到以下仿真结果。

图4 回转马达压力变化曲线

图5 回转马达流量变化曲线

图6 回转马达转速变化曲线

由仿真结果可以看出，在仿真过程中，负载转矩呈现出一种阶跃性的变化，用于模拟截割头与积煤接触瞬间的负载变化；由图4可以看出，回转马达的输入压力为11.4 MPa；从图5中可以看出，通过设定节流阀合理的开口量，使得回转马达在换向瞬间，输入流量提升至26.6 L/min，而后趋于稳定；由图6可知，马达最终的稳定转速为40 r/min。以上结果符合设计要求。

图7 支撑回路仿真模型

3.2 支撑回路

中心回转式清仓机在开始工作时，为使其处于在煤仓中间，必须确保支撑回路中的3个支撑油缸的工作状态一致。图7为搭建支撑回路仿真模型，支撑回路中各元件仿真参数的设置如表2所示。

表2 支撑回路仿真模型参数设置

具体仿真工况设置为：设置仿真时间为60 s，设置控制安全阀的压力为16 MPa。煤仓内部的直径会因积煤而经常发生变化，且本研究针对支撑回路的仿真主要是为了校验其同步性能，因此0～60 s负载转矩设定为0不变，使油缸自由运动至其极限位置。图8、图9为3个支撑油缸的进口压力变化曲线及流量变化曲线。

图8 支撑油缸压力变化曲线

图9 支撑油缸流量变化曲线

分析图8和图9知，3个油缸的压力、流量曲线数据保持一致，说明中心回转式清仓机的支撑油缸在工作时同步率较高，能够符合中心回转式清仓对支撑油缸同步性的要求。

3.3 工作油缸回路

通过液压元件子模型库构建的工作油缸回路仿真模型如图10所示。工作油缸回路中各元件仿真参数的设置如表3所示。

图10 工作油缸回路仿真模型

液压元件子模型参数设置参数值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵额定转速/r·min-11480油缸HJ020活塞直径/mm90活塞杆直径/mm63活塞行程/m1.08液控阀CV005单向阀开启压力/MPa0.3节流阀OR0000-1节流口直径/mm3溢流阀RV00安全阀开启压力/MPa16

具体仿真工况设置为：其中节流阀通径规格为10 mm，将仿真时间设置为20 s。0～15 s间，换向阀处于右位，负载设置为0，模拟工作油缸自由伸出，未接触到煤仓积煤的工况；15～20 s间，换向阀保持右位不变，模拟工作油缸末端的工作头接触到煤仓积煤，并继续进给捣松积煤时的工况，负载设定为60 kN。通过合理设置节流阀的开口量，使进入两工作油缸的流量符合设计要求，仿真结果如图11～图13所示。

图11 工作油缸压力变化曲线

图12 工作油缸流量变化曲线

图13 工作油缸速度变化曲线

从仿真结果可以看出，由于两工作油缸的负载相同，因此输入压力均为9.5 MPa，符合设计要求；从图12中可以看出，通过进油节流调速，最终进入两工作油缸的流量均为9.97 L/min，在工作油缸末端的截割头接触到积煤的瞬间，流量曲线出现短时间振荡，但最后趋于平稳，仿真结果合理；分析图13，可知工作油缸回路中这2个工作油缸的活塞运动速度为-0.025 m/s。之所以会出现负值，是因为与系统默认方向相反，活塞实际运动速度为0.025 m/s，仿真结果亦符合预期设计要求。