基于AMESim的高压泡沫涨裂装置动态特性分析

2020-10-16李志强刘送永顾聪聪

液压与气动 2020年10期

李志强，刘送永，顾聪聪

(中国矿业大学机电工程学院，江苏徐州 221116)

引言

“采掘比例失调”一直是限制我国煤炭开采的关键难题[1]，随着岩石井巷在我国巷道施工占比中的不断提高，以及我国煤矿开采深度不断增加，巷道岩石硬度不断上升[2]，“采掘失调”问题日趋严重。钻爆法是岩巷掘进的主要工法之一，在岩巷施工中占95%以上[3]，但岩巷钻爆法掘进水平常年维持在70～80 m/月[4]，且钻爆法施工中存在着无法实现连续掘进、机械化程度低、安全性差等问题。

为解决硬岩巷道掘进问题，相关学者做出了一些研究。王虹[5]分析了国内硬岩掘进机在截割技术、元部件可靠性、除尘系统、自动控制技术以及系统配套技术方面与国外相比存在的差距；李刚等[6]依据长平煤矿4306巷道实际工况，选用高效的钻装机组作为巷道快速掘进设备，数值模拟优化爆破施工参数，有效地提高了岩巷掘进效率；杜长龙等[7]提出了水射流辅助截齿破岩技术，研发一种根据截齿受力自动调节流量的自控水力截齿；江红祥等[8]提出了高压水射流冲击破岩的方法，利用光滑粒子流和有限元模拟了高压水射流冲击破岩过程；SEVDA D等[9-10]对脉冲射流冲击作用下岩石表面和亚表面的损伤进行研究，验证了脉冲射流的破岩能力，分析了冲击靶距和冲击频率对脉冲射流破岩能力的影响；刘送永等[11]提出了一种基于高压泡沫介质的钻涨凿岩一体机及方法，以减小掘进作业中不必要的工序，提高作业效率；W W D GRAAF等[12]对液压劈裂器在深部开采中的适用性进行了评估，通过试验总结了机械式劈裂器相较钻爆法的优势及施工难点;李洪盛等[13]提出了基于空孔辅助的液压劈裂器破岩方法，分析了空孔辅助破岩过程中裂纹形成和扩展机理，提出了最优布孔方式。

以上研究在一定程度上推进了硬岩巷道掘进技术的发展，但多关注于破岩机理、破岩工艺和破岩效果，鲜有关于破岩装置及其性能的研究。因此，本研究结合现有破岩装置的特点，提出了一种具有强破岩能力、短作业周期的高压泡沫涨裂装置，利用AMESim建立了装置及其液压控制系统仿真模型，得到了装置动态特性曲线，以期为研制高性能的硬岩掘进设备提供参考。

1 高压泡沫涨裂装置结构及工作原理

涨裂破岩利用了岩石抗拉强度约为岩石抗压强度1/10的特点[14]，相较冲击、磨削破岩技术，能以较小的单位比能耗实现岩石的有效破碎。现有涨裂破岩技术多采用机械式劈裂器和高压水力压裂设备。机械式劈裂器进行破岩作业时，会在产生噪声、粉尘的同时发生严重的设备磨损，影响设备使用寿命；高压水力压裂设备由于水不可压缩、黏度低的特点，导致设备压力高、密封性差，且作业后会在工作面产生积水。基于此，本研究采用泡沫代替水、脉冲射流代替连续射流，设计了一种新型的高压涨裂破岩设备。

1.1 装置结构

所设计的高压泡沫涨裂装置如图1所示，主要由封孔系统和冲压系统2部分组成。封孔系统主要包括中间体、推进缸、后端盖、封孔活塞、密封管、膨胀胶管、增厚端部等；冲压系统由蓄能器、前端盖、液压缸、活塞、中间体和泡沫腔管组成。

1.蓄能器 2.前端盖 3.液压缸 4.缓冲腔 5.中间体 6.推进缸 7.密封管 8.膨胀胶管 9.增厚端部 10.泡沫腔管 11.后端盖 12.封孔活塞 13.活塞 A.回油口 B.推进缸进油口 C.泡沫入口 D.液压缸有杆腔进油口 E.液压缸无杆腔进油口图1 高压泡沫涨裂装置结构

1.2 液压控制系统

针对高压泡沫涨裂装置高速、高压的特点，设计了如图2所示的能量供给及控制系统，包括主回路、封孔回路和泡沫输入回路，其中主回路实现装置的冲程和回程；封孔回路由液压油源及三位四通换向阀构成，完成岩石预设钻孔的密封；泡沫输入回路由泡沫源、截止阀和单向阀构成通过泡沫入口向岩石钻孔输入泡沫。

1、14.油箱 2.油泵 3.溢流阀 4.二位二通换向阀 5、19.单向阀 6、 11.截止阀 7.蓄能器 8.压力表 9、20.插装阀 10.高压泡沫涨裂装置 12.回油箱 13.三位四通换向阀 15.岩石 16.钻孔 17.泡沫源 18.气液泵图2 高压泡沫涨裂装置控制系统

1.3 工作原理

结合图1和图2，高压泡沫涨裂装置作业时包含如下工作过程：

1) 封孔过程

将高压泡沫涨裂装置泡沫腔管插入岩石预设钻孔后，启动封孔回路换向阀13，液压油从推进缸进油口进入推进缸，推动封孔活塞，带动外部密封管将膨胀胶管压入增厚端部外侧，使膨胀胶管直径增大，与岩石接触并压紧产生密封效果。

2) 回程过程

主回路二位二通换向阀4位于右位，开启截止阀6和11，此时插装阀9和20上腔均充满液压油，将控制阀芯关闭，液压油打开单向阀5进入蓄能器，打开单向阀19通过液压缸有杆腔进油口进入装置液压缸有杆腔内，推动活塞复位的同时将液压缸无杆腔内的液压油经回油口排到回油箱内；活塞复位过程中，装置泡沫入口开启，气液泵将泡沫注入到岩石预设钻孔内。

3) 冲压过程

活塞复位后，关闭截止阀11，二位二通换向阀4换向位于左位，单向阀5和19关闭，插装阀9和20上腔卸压，阀芯打开，形成了“蓄能器7→截止阀6→插装阀9→高压泡沫涨裂装置无杆腔，高压泡沫涨裂装置有杆腔→插装阀20→高压泡沫涨裂装置无杆腔”的差动回路，活塞在两端压差作用下快速压缩岩石钻孔内的泡沫，在钻孔内形成高压区域，当孔内压力达到岩石破碎强度时，岩石破碎。

2 高压泡沫涨裂装置运动分析

2.1 回程过程

此阶段，液压油通过液压缸进油口进入液压缸有杆腔内，推动活塞回程的同时将液压缸无杆腔内的液压油排出，活塞的受力如图3所示。

图3 回程阶段活塞受力图

其中，F1，F2分别为液压缸有杆腔和无杆腔内液压油作用在活塞上的压力，FP为活塞在液压油中运动所产生的黏性阻力，Ff为装置密封摩擦阻力，mg为活塞自身重力，活塞回程运动过程中的平衡方程为：

(1)

式中，x——活塞的位移

m——活塞的质量

p1——液压缸有杆腔压力

A1——活塞有杆端的面积

p2——液压缸无杆腔压力

A2——活塞无杆端的面积

KP——黏性阻力系数

由流体连续性方程可得：

(2)

式中，q1——液压缸有杆腔的流量

q2——液压缸无杆腔的流量

2.2 冲压过程

此阶段，二位二通换向阀4换向，插装阀卸压、阀芯打开，蓄能器压力通过截止阀作用于活塞无杆端，在蓄能器的作用下，活塞快速地压缩岩石钻孔内的泡沫，在孔内形成高压区域，与此同时，液压缸有杆腔和无杆腔通过插装阀20形成差动回路，保障蓄能器的压力，活塞的受力如图4所示。

图4 冲压阶段活塞受力图

活塞冲压过程的平衡方程为：

(3)

式中，p3——蓄能器压力

p4——钻孔内泡沫的压力

A3——活塞杆的面积

由流体连续性方程可得：

(4)

式中,q3——液压缸有杆腔流出的流量

q4——通过插装阀进入液压缸无杆腔的流量

q5——蓄能器流入液压缸无杆腔的流量

2.3 蓄能器压力状态方程

当高压泡沫涨裂装置处于冲压过程时，蓄能器内气体快速膨胀，活塞高速压缩钻孔内的泡沫，冲压过程持续时间很短，来不及同外界换能，因此蓄能器内气体在此阶段的状态可视为绝热过程[15]，即：

(5)

式中，p0——蓄能器初始气体压力

V0——蓄能器初始气体体积

pd——蓄能器工作压力

Vd——蓄能器气体体积

k——绝热系数，k=1.4

2.4 钻孔泡沫压力状态方程

高速活塞冲压泡沫在岩石钻孔产生高压，泡沫液相不可压缩，故此时泡沫压力变化主要由气相决定，因冲压过程持续时间很短，系统来不及和外界换能，钻孔内泡沫在冲压阶段变化状态同样可视为绝热过程，而泡沫气相多为空气、氮气、二氧化碳等双原子气体[16]，绝热系数k取1.4，即：

(6)

式中，pp——钻孔内泡沫初始压力

Vp——钻孔内泡沫初始体积

pc——钻孔内泡沫被活塞压缩后的压力

Vc——钻孔内泡沫被活塞压缩后的体积

k——绝热系数，k=1.4

3 AMESim仿真

3.1 仿真模型搭建

根据高压泡沫涨裂装置结构、工作原理及运动分析，在AMESim中建立了如图5所示的仿真模型，模拟装置回程及冲程过程，利用与钻孔内泡沫压力变化趋势相同的蓄能器模拟钻孔泡沫压力的变化。

1.恒压源 2.信号源 3.插装阀模块 4.单向阀 5.蓄能器 6.液压油介质模块 7.高压泡沫涨裂装置 8.泡沫压力模块 9.回油箱图5 高压泡沫涨裂装置及其液压回路仿真模型

3.2 仿真参数设置

仿真模型中主要参数的设置[17]参见表1。

表1 高压泡沫涨裂装置主要参数仿真值表

3.3 仿真结果与分析

1) 运动特性分析

设置仿真参数，运行仿真模型，获取高压泡沫涨裂装置活塞运动参数、蓄能器压力及钻孔内泡沫压力的变化，仿真结果如图6所示。

图6 装置特性曲线

如图6a所示，高压泡沫涨裂装置在454 ms的时间经历了3个运动周期：第一个运动周期总时长为208 ms，其中回程阶段145 ms，冲程阶段为63 ms；第二、三个运动周期总时长为123 ms，其中回程阶段60 ms，冲程阶段为63 ms；在任一个周期内活塞经15 ms 完成 0.4 m的回程位移，经63 ms行完0.4 m的冲压行程。

结合图6a、图6b分析可知，装置第一次作业的回程阶段：恒压油源高速推动活塞回程的同时，蓄能器在恒压油源的作用下蓄能增压，因恒压油源的压力高、压力作用面积大、活塞行程短，活塞只需15 ms就行完0.4 m的回程位移，此时蓄能器仍在恒压油源作用下增压蓄能，经145 ms蓄能器完成蓄能，压力达到3.5 MPa回程阶段结束。装置第一次作业冲压阶段：活塞在蓄能器高压作用下压缩钻孔内泡沫产生高压，钻孔内泡沫压力最大可达到17 MPa，此阶段由于活塞受到钻孔内高压泡沫的阻力，运动速度较回程阶段大幅减小，活塞经63 ms完成冲压过程，同时，由于液压缸有杆腔内的液压油经插装阀进入液压缸无杆腔，蓄能器只需向液压缸无杆腔内补充0.28 L的液压油，蓄能器能够始终维持3 MPa以上压力。装置第一次作业后：恒压源在以后的回程阶段只需向蓄能器补充0.28 L的液压油，回程阶段持续时间由145 ms减小为60 ms，冲压阶段持续时间仍为63 ms，装置作业周期恒定为123 ms。

2) 泡沫初始压力

其余参数值保持不变，将钻孔泡沫初始压力设置为0.3 MPa，获取此时高压泡沫涨裂装置活塞运动参数、蓄能器压力及钻孔内泡沫压力的变化趋势如图7所示。

图7 泡沫初始压力0.3 MPa时装置特性曲线

对比图6和图7可知，钻孔内泡沫初始压力主要对装置冲压过程及钻孔内泡沫的最大压力产生影响：当泡沫初始压力由0.2 MPa增加到0.3 MPa时，装置冲压阶段持续时间由63 ms增加到65.3 ms，孔内泡沫最大压力由17 MPa增加到23 MPa。

因泡沫初始压力的增加，孔内泡沫在被活塞压缩相同体积后的压力也相应的增大，活塞所受阻力随着泡沫压力的增大而增大，导致活塞冲压阶段的速度减小，但因冲压行程较短、活塞速度高，冲压过程持续时间只随着泡沫初始压力小幅度的上升。

3) 蓄能器体积

其余参数值保持不变，将蓄能器体积设置为4 L，获取此时高压泡沫涨裂装置活塞运动、蓄能器压力及钻孔内泡沫压力的变化趋势如图8所示。

图8 蓄能器体积4 L时装置特性曲线

对比图6和图8可知，蓄能器体积主要对装置回程阶段持续时间产生影响：当蓄能器体积由6.3 L减小到4 L时，装置第一次作业回程阶段持续由间由145 ms 减小到70 ms，装置固定周期作业时回程阶段持续时间由60 ms减小到50 ms。

由图6～图8可知，影响装置回程持续时间的主要因素为蓄能器蓄能时间。对比图6和图8,当恒压源和蓄能器预充气体的压差保持恒定时，减小蓄能器体积可显著降低从恒压源输入到蓄能器的液压油量，故装置第一次作业回程阶段的持续时间显著降低；装置恒周期作业时，恒压源向蓄能器补充的液压油量相同，蓄能器体积越小、恒压源和蓄能器的压差越高、蓄能器蓄能时间越短，而装置“差动回路”的设计使得蓄能器所需补充的液压油量小，故装置恒周期作业时活塞回程阶段持续时间只小幅度降低。