基于AMESim软件模拟的支架液压工作原理及仿真

王 芸

（湖北工程职业学院电气电子学院，湖北 黄石 435000）

液压支架作为大型户外工程的重要设备，在隧道挖掘、跨海建桥、煤炭开采等工作中扮演重要作用。它主要用于支撑采场顶板，移动采运设备，为施工人员创造安全的工作空间。安全性和技术性是评价液压支架使用性能最重要指标，当前国内外科研机构加大对液压支架的研发，特备是支架安全和检测等方面，不断推进技术进步。大吨位的液压支架，特别是千吨位量级，在工业生产中运用日益广泛，也是检测平台的核心部件。液压缸的同步位移是调节液压系统的核心技术之一，对移动梁的高度进行高精度调节，从而达到对液压支架产品可靠性的检测。目前市场上液压液压支架的设计、使用还存在诸多问题，比如，液压控制系统的设计还不够精准，使用中经常遇到各种技术故障。结合该现实问题，本文以AMEsim仿真软件为基础，开展基于不同研究参数设计的液压支架仿真实验研究，旨在探究不同参数设置下，液压支架工作的最佳性能，进而为日后液压元件的设计、使用条件、设备选型等，提供可靠的理论和实践依据。

1 液压支架试验台主体结构

图1 为液压支架试验台主体结构模型，其主要由：顶梁、门架梁、销轴、移动梁、调高液压缸，以及底座六部分组成。液压支架试验台的主体为框架型结构，框架两侧分别设置有等距离的插孔，可以根据现场液压支架的高低随时调整移动梁的高度。

本实验过程中，利用液压支架试验平台主体结构，通过液压缸前段活塞杆端的耳轴结构，然后与移动梁体的底部相连，实现承受梁体传递的重量。该结构中的液压缸的主要作用是对实验平台的高度进行调整。结合实验目的需要，进一步将试验平台高度控制在2~5 m范围内，将实验主体框架搭建好后，将液压缸布置在移动梁直角处。为确保结构组件不被破坏，保证液压支架平台的稳定性，其中的四组液压缸必须同时进行升降，且速度要保持一致，以此保证实验平台的安全和可靠性。

图1 液压支架试验台主体结构

2 液压系统的整体设计分析

液压系统工作原理是通过改变压强增大作用力。一个完整的液压系统由五个部分组成，即动力元件、执行元件、控制元件、辅助元件（附件）和液压油。液压系统分为液压传动系统和液压控制系统两大类。液压传动系统主要依靠动力传递持续工作。液压系统一般指的是指液压传动系统，主要体现在动态性能方面，目的是为了满足液压系统输出的特定需求。在液压缸同步控制实验中，将多个液压支架同步位移，以实现液压回路，进而实现当各个液压缸载荷相同时，运用机械联动实现各个液压缸实现活塞杆运动，进而达到液压缸的同步位移的目的（见下页图2）；当液压缸载荷有较大差别时，液压传动系统产生的偏差可能造成联接部件的变形或者损坏，甚至出现液压缸的活塞杆断裂或者卡死。为了保证液压缸位移的同步性，通常需要通过液压同步控制回路来精确控制，比如流量同步、容积同步和伺服同步等。具体而言，通过伺服回路实现液压缸流量同步，容积回路实现容积一致等，最终实现所有液压缸同步移动。假若对精确性要求更高，则成本造价也随之提高。流量同步回路通过对集流阀进行分流可以实现同步移动，这种操作更加简便、节约成本。

图2 液压系统原理

油液首先进入集流阀进行第一阶段分流任务，将两种流量均分成1∶1的回路，然后再进入集流阀进行第二阶段分流任务，在之前两路流量基础上继续均分，形成四路同等流量的液压回路。液压缸组1的同步精确度可高达1%~3%，极大的纠正了偏差，换向阀组2可以液压缸组分别进行控制，安全阀4对液压系统产生的压力能起到缓冲作用。

3 基于AMESim仿真的液压系统实验步骤

3.1 仿真平台

目前我国一般采用多体动力学分析软件如ADAMS等对大型机械设备进行开发，根据设备工作状态下各部件的参数，具体分析设备工作的运动规律、动态性能、部件强度，不断调整到直至满足使用需求。但这种方法也存在弊端，一味强调各部件动力学或力学分析，忽视了整体与部件之间的契合关系，将导致最终计算结果存在偏差、影响设备整体与部件之间协调性。

AMESim被广泛应用于多个学科领域，用户可以根据自身的需求在这个平台上建立复杂的系统仿真模型，例如燃油喷射、制动系统、动力传动、机电系统和冷却系统等，并在此基础上进行仿真计算和深入分析。航空航天、汽车等领域的一些客户已经搭建了各自系统的AMESim模型，并希望基于该模型进行实时仿真测试，尤其是针对HIL（硬件在环）测试。在这方面，AMESim为Speedgoat实时仿真目标机提供了实时仿真的接口，能够让客户方便地利用已有的AMESim模型开展实时仿真。

3.2 仿真实验

结合实际工作需要，为避免液压支架在运行过程中出现非同步和卡壳等问题，因此在在液压支架设计时，就应该全方面考虑，同时前期需要进行仿真实验，以确保设计方案可行可靠。本研究以AMEsim仿真软件对液压支架的选型结果进行建模分析，主要利用液压元件及液压回路实现模拟仿真，以期更加真实的拟合液压支架的实际工作情况，并对液压支架的安全性和可靠性进行测度。另外，在模型构建和分析时，在对仿真结果无影响的前提下，对相关设备和元件进行简化，将仿真时间设置为十秒。另外，不考虑液压支架管道长度，以及空气助力等对结果的影响。具体各参数设置如下：芯质量块质量选择2 kg；阀芯固定节流孔直径设定为6 mm，流通小孔的直径设定为8 mm；弹簧刚度设定为2 N/mm；流量进出口最大流量系数为1；活塞杆直径选择200 mm，液压缸设计行程4 m，液压泵转速为1 200 r/min；液压油动力豁度设定为30×10-3Pa·s-1等。实验参数设定依据液压支架现实需要，从而保证实验结果具有现实指导意义。

4 AMESim仿真结果分析

1）随着负载压力差的提高，分流集流阀的精确程度会逐渐降低。设定液压支架四个同步缸质量分别为400 kg、450 kg、500 kg、550 kg，表示四个同步液压缸负载存在差异。再由公式（1）和（2）可计算模型绝对误差和同步精度δ分别为0.001 1 L/min和4.1%。由此可见，仿真结果达到预期效果。即绝对误差值在合理的误差范围内，另外同步精度也控制在允许的区间内。

式中：q1，q2分别为单位时间通过液压缸分流集流阀A和B的油液流量。

2）重新设定四个同步缸的质量分别为：500 kg、525 kg、550 kg、575 kg，这样以来液压缸的负载量也减少了。结果发现液压缸负载量减少后油缸的流量差也变小了，但同步精度提高了，同样利用公式（1）、（2）可得到同步精准度高达2%。

5 结语

本文介绍了液压支架系统的组成结构与工作原理，并基于AMESim软件建模液压系统进行仿真实验，对不同结构参数的设备元件功能性进行分析，得出结论，立柱控制阀、安全换向阀、分流阀、管道通路等是影响液压支架升降效率的关键因素，为液压支架设备元件的选取提供了可靠的依据，活塞直径越大、弹簧刚度越小时执行元件液压杆的速度变化震荡幅度越小。这些都为支架液压元件的选用、设计提供了分析思路和借鉴，具有一定的现实指导意义。