EBZ318 掘进机截割升降液压回路的仿真分析

拜文魁

（山西霍宝干河煤矿， 山西 临汾 041600）

引言

掘进机是煤矿生产必不可少的装备，其主要任务是完成巷道的掘进任务。目前，掘进工作面应用最为广泛的掘进机为悬臂式掘进机，该型号掘进机是集合截割、运输以及喷雾降尘功能于一体的大型机电设备。掘进机在实际掘进过程中由于其截割头所承受的外部载荷复杂多变，为了提升设备的自适应能力，将负载敏感技术引入解决机液压控制系统中。所谓负载敏感技术指的是设备能够根据外界载荷、流量、功率等信号及时、实时地调整油泵的运行状态，以达到负载、流量自适应控制的目的[1]。EBZ318为功率较大的掘进机，在掘进过程中截割头由于岩壁不均匀导致其产生振动，进而导致截割升降油缸中用于平衡溢流阀组密封件频繁损坏，严重制约着掘进效率。因此，本文针对EBZ318 掘进机为研究对象分析其截割升降液压回路的特性，为其液压系统的优化设计奠定基础。

1 EBZ318 掘进机的概述

1.1 悬臂式掘进机结构

EBZ318 悬臂式掘进机的结构组成如图1 所示。

图1 EBZ318 悬臂式掘进机的结构组成

1.2 掘进机负载敏感系统

为了解决掘进机在掘进工作面掘进工作时散热条件差的问题，实现节能生产的目的，将负载敏感技术引入掘进机液压控制系统中。所谓负载敏感系统指的是油泵根据实时工况对油泵的输出压力、流量进行调节，在一定程度上减小了掘进机液压系统管路中的压力损失[2]。目前，应用于实际生产中的负载敏感系统分为开中心负载敏感系统和闭中心敏感系统。

1.3 掘进机液压系统

掘进机液压系统主要由阀控系统完成。其中，掘进机截割头的升降、回转、铲板的升降以及后支撑升降动作均是由液压系统的液压缸的直线往复运动实现的；而掘进机的前进和后退是由高速柱塞马达+减速器配合完成的。为确保掘进机的稳定运行，要求液压系统满足如下要求：

1）为了适应不规则、随机性的工况，要求掘进机液压系统能够根据负载变化实时调整系统的工作压力和流量；

2）为了确保掘进机液压系统各个执行机构的协调运行，对其截割部和装载运动采用双联泵的控制方式；

3）要求掘进机液压系统采用先导阀控制的方式[3]。

2 掘进机截割升降液压回路的仿真分析

掘进机液压系统中平衡阀主要作用是防止掘进机截割部由于其自重而出现下路的现象，进而导致事故的发生。为准确把握掘进机液压系统中平衡溢流阀组密封元件频繁损坏的原因，本节将基于AMESim 软件建立掘进机截割升降液压回路的仿真模型对其液压回路的动态特性进行分析。

2.1 掘进机截割升降液压回路仿真模型的搭建

为了能够精确获得平衡阀密封组件频繁损坏的原因，要求截割部升降液压回路仿真模型要尽可能地与实际系统相符合。故，对掘进机截割升降液压回路中的变量泵、换向阀、平衡阀等关键元器件的模型分析[4]。鉴于篇幅原因，本节仅列出换向阀和平衡阀的AMESim 的仿真模型如图2 所示。

图2 AMESim 液压回路仿真模型

上述仿真模型根据部件规格尺寸建立模型后，还需对截割升降液压回路模型中的升降油缸、平衡溢流阀的相关参数进行设置。参数设置结果如表1所示。

表1 液压回路其他元器件参数设置

2.2 仿真结果的分析

设定仿真时长为10 s，仿真步长为0.05 s。仿真结果分析如下：

2.2.1 中位等待工况仿真结果

中位等待工况仿真结果如图3 所示。

图3 中位等待工况仿真结果

变量泵启动瞬间，油泵的出口压力瞬间上升至40 bar，并且在0.7 s 左右油泵出口压力趋于稳定，压力值最终稳定于24 bar。通过仿真可知，当处于中位等待工况时，变量泵的最终稳定输出压力为24 bar，与模型中设定的25 bar 非常接近。经中位等待工况的仿真验证模型的正确性和可靠性。

2.2.2 截割部上升工况仿真

仿真设置：仿真时刻为5 s 时，给液压回路系统中多路换向阀的30 bar 的压力信号，并一直到仿真结束。截割上升工况仿真结果如图4 所示。

图4 截割部上升工况仿真结果

如图4 所示，系统受到多路换向阀30 bar 的压力信号后，截割部液压油缸内的压力在5.8 s 的时刻上升到200 bar；之后截割部液压油缸以最大速度伸出，期间由于截割头不断截割岩层受到多变的负载，使得液压油缸内的压力呈现出振荡现象，并且在170～220 bar 的范围内浮动。当液压油缸完全伸出后，在外部载荷及惯性力的共同作用下，油缸内的压力瞬间上升至506 bar，并在3 s 后由于变量泵的保护功能降至250 bar。

经查阅资料可知，平衡阀、溢流阀所能承受的最大压力为350 bar，506 bar 已经远远超过其许用压力[5]。故，可考虑当油缸完全伸出后油缸压力瞬间上升至506 bar 是导致密封组件失效的原因。

2.2.3 截割部下降工况仿真结果

仿真设置：仿真时刻为5 s 时，给液压回路系统中多路换向阀的30 bar 的压力信号，并一直到仿真结束。截割下降工况仿真结果如图5 所示。

图5 截割部下降工况仿真结果

如图5 所示，当系统未接收到压力信号之前，截割升降油缸有杆腔压力和LS 反馈压力均为0，只有变量泵的出口压力维持在25 bar。当收到压力信号后直到19.3 s，由于外部载荷的多变性，截割升降油缸有杆腔内的压力在90 bar 的上下振荡；从19.3 s开始截割部油缸运行到极限位置，此时有杆腔内的压力维持在变量泵的切断压力250 bar 左右。

3 结论

通过对掘进机截割升降液压回路中位等待、截割部上升、截割部下降工况下液压油缸压力变化情况的仿真分析，得出截割升降液压回路平衡阀密封组件失效的根本原因为截割部上升工况时油缸完成伸出后压力瞬间上升至506 bar 远大于密封组件的失效压力350 bar，为改进掘进机液压回路中的平衡阀提供了理论指导。