提升机过卷液压缓冲系统优化设计与仿真研究

江 伟，包从望

(六盘水师范学院 矿业与土木工程学院，贵州 六盘水 553000)

提升机在立井煤矿运输系统发挥着重大作用，随立井煤矿井深提高，为提高运输效率，提升设备载重和速度越来越高，发生提升机过卷事故频率增加，严重破坏提升设备及沿途其他配套装备，影响煤矿正常生产，给煤矿带来巨大的经济损失和人员伤亡，因此提升机过卷保护一直受到很大重视和关注[1，2]。

提升机过卷保护设备发展较早，国内初期研发出很多型号的过卷缓冲装置，大多为机械式缓冲装置：防撞梁、托罐装置、BS型多盘摩擦式过卷缓冲装置、变力吸能器、钢带式过卷防护装置[3-5]。国内对机械式过卷缓冲装置的研究也不少，张国旺等[6]比较研究了BS+FHT和HZNZ型过卷缓冲装置，分析了钢带逆止缓冲装置的优越性；尹中会等[7]针对过卷时拉长钢带至断裂问题，提出用钢带+硅橡胶+钢带的组合缓冲过卷冲击；张丽珍[8]对HCJ(F)-D式防过卷缓冲装置进行了有限元分析，根据分析结果优化设计了缓冲装置结构。

但机械式过卷缓冲装置易变形、易破损、难恢复、缓冲时间短、缓冲行程受限、缓冲力无法调节，因此液压缓冲技术逐渐应用于提升机过卷保护装置中，目前有两种形式的过卷液压缓冲系统：溢流阀过卷液压系统和油孔式液压缓冲系统，前者油缸油液经溢流阀流入油箱，压力由溢流阀调定控制[9，10]；后者油缸油液经阻尼孔进入柱塞空腔，压力由阻尼孔决定[11，12]。刘同义[13，14]针对一般液压系统难以满足过卷制动初期缓冲器所需大流量要求，提出采用插装液压系统。程阳锐等[15]通过设置储能装置吸收过卷冲击，理论分析了液压过卷缓冲装置的制动过程，并做了实例验证。尹文军[16]完善了立井提升机过卷液压缓冲系统，研究了插装式溢流阀开启压力对系统性能的影响情况。然而现有的提升机液压缓冲系统存在缓冲油缸上腔压力波动、过卷箕斗频繁振动的问题，本文结合相关液压缓冲技术的研究[17]，通过增加节流阀，接通过卷液压缸有杆腔和无杆腔，改进了提升机过卷液压缓冲系统，介绍了系统工作原理，利用AMESIM搭建了系统仿真模型，对比研究了优化前后液压缸有杆腔压力、箕斗位移、箕斗速度的变化情况，最后仿真研究了节流阀通径对系统性能的影响，为提升机过卷缓冲技术的提升提供一定的参考。

1 提升机过卷液压缓冲系统优化原理

提升机过卷液压缓冲系统如图1所示，其中图1(a)为优化前的提升机过卷液压缓冲系统，图1(b)为优化后的提升机过卷液压缓冲系统。

提升过卷液压缓冲系统主要由：过卷液压缸、溢流阀、过卷补油阀组成，液压泵、电磁换向阀主要为调节过卷液压缸活塞设置，可作为解锁过卷事故的辅助液压系统。

优化前系统工作原理：发生过卷事故前，开启液压泵，控制电磁换向阀2DT得电，液压泵高压油进入油液缸有杆腔，活塞缩回到指定位置，电磁换向阀2DT失电，处于中位状态；发生过卷事故后，提升箕斗撞击过卷挡板，过卷挡板带动过卷液压缸活塞迅速伸出，过卷液压缸有杆腔油液瞬间被压缩，其油液压力急剧增大，待其压力达到溢流阀设定的开启压力时，有杆腔油液发生溢流，另外有杆腔压力作用于活塞有效面积上，产生阻尼制动力，形成一定的制动减速度，使活塞缓慢减速，从而缓冲吸收箕斗过卷产生的冲击。优化前的过卷缓冲系统存在一定不足：只有溢流阀开启时，有杆腔油液才能流出，导致无杆腔压力出现间断性增大和减小(后续仿真结果也验证了其缺陷)。

1—油源；2—液压泵；3—电磁换向阀；4—过卷液压缸；5—提升箕斗；6—过卷挡板；7—提升机卷筒；8—提升钢丝绳；9—溢流阀；10—过卷补油阀；11—节流阀

优化后系统仅仅通过设置一个节流阀，使过卷液压缸无杆腔和有杆腔处于常通状态，发生过卷时，在有杆腔压力未达到溢流阀设定压力前，有杆腔油液即可流回到无杆腔，不仅为无杆腔补充一定油液，还消除了压力冲击和压力波动。

2 提升机过卷液压缓冲系统仿真模型搭建

优化前后的提升机过卷液压缓冲系统仿真模型如图2所示，其中图2(a)为优化前的系统模型，图2(b)为优化的系统模型。

1—油源；2—液压泵；3—电机；4—电磁换向阀；5—换向阀信号源；6—过卷液压缸；7—提升箕斗；8—液压油；9—重力加速度；10—溢流阀；11—过卷补油阀；12—节流阀

仿真参数设置见表1。

表1 过卷缓冲系统仿真参数

3 提升机过卷液压缓冲系统仿真分析

将仿真参数分别输入到优化前后的提升机过卷液压缓冲系统仿真模型中，得到优化前后液压杆有杆腔压力对比曲线如图3所示、箕斗位移对比曲线如图4所示、箕斗速度对比曲线如图5所示、过卷装置冲击力对比曲线如图6所示。

图3 优化前后液压杆有杆腔压力曲线

图4 优化前后箕斗位移曲线

图5 优化前后箕斗速度曲线

图6 优化前后过卷装置冲击力曲线

由图3—6得：在过卷缓冲过程中，通过增加节流阀使过卷液压缸无杆腔和有杆腔连通后，消除了过卷液压缸有杆腔油液压力波动和箕斗速度波动，减小了过卷装置最大冲击力；优化后的过卷液压缓冲系统能实现过卷液压缸活塞复位；显然，在过卷缓冲阶段，节流阀发挥了较好的消波减振作用。

为研究节流阀通径对优化后的提升机过卷液压缓冲系统的影响，设置节流阀通径分别为3mm、5mm、7mm、9mm、11mm进行仿真分析，得到节流阀通径对箕斗位移和箕斗速度的影响规律如图7—9所示。

由图7—9可得：节流阀通径对过卷液压缸活塞伸出没有影响，对过卷液压缸活塞复位具有一定的影响，随节流阀通径增大，箕斗复位时间缩短，速度波动程度先减小后增大，过卷装置前期最大冲击力逐渐降低，后期波动程度先减小后增大。当节流阀通径为9mm时，过卷液压缸活塞复位过程中，速度较均匀减小，此时具有较好的缓冲特性，缓冲过程中过卷装置最大冲击力为1.3106N，缓冲时间为2s，活塞复位时间为1.8s。

图7 节流阀通径对箕斗位移的影响曲线

图8 节流阀通径对箕斗速度的影响曲线

图9 节流阀通径对过卷装置冲击力的影响曲线

4 结 论

通过增加节流阀，接通过卷液压杆有杆腔和无杆腔，优化了提升机过卷液压缓冲系统的缓冲性能，本文介绍了优化前后提升机过卷液压缓冲系统的工作原理，搭建了优化前系统仿真模型，对比研究了系统缓冲性能，分析了节流阀通径对优化后的系统性能的影响规律，对提高提升机过卷液压缓冲系统性能提供一定的参考，主要得到以下结论：

1)节流阀对消除过卷液压缸有杆腔压力波动具有较好的缓冲吸收特性，能实现活塞缓慢复位。

2)节流阀通径过卷液压缸活塞复位具有一定的影响，对其活塞伸出基本无影响；增大节流阀通径，箕斗复位时间缩短，箕斗复位速度波动程度先减小后增大。

3)当节流阀通径为9mm时，优化后的提升机过卷液压缓冲系统性能较好。