柱塞悬浮式单体液压支柱动态特性仿真研究.pdf

2 0 1 3年 7月 第4 l 卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 0 1 3 Vo 1 ． 41 No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 3 ． 0 3 9 柱塞悬浮式单体液压支柱动态特性仿真研究 刘志民 ，刘希高 ，张超 ，陈建海 1 ．中国矿业大学 北京机 电与信息工程学院 ，北京 1 0 0 0 8 3 ；2 ．河北工程大学机电学院， 河北邯郸 0 5 6 0 3 8 ； 3 ．河北天择重型机械有限公司，河北邯郸 0 5 6 2 0 0 ； 4 ．河北钢铁集团中关矿业有限公司，河北邯郸 0 5 6 0 0 0 摘要根据柱塞悬浮式单体液压支柱结构组成及工作原理，建立系统动态数学模型，运用 MA T L A B软件判定系统的稳 定性；同时改变支柱某些结构参数和工作参数 ，结合 S i mu l i n k仿真子模块对系统的动态特性进行仿真研究。通过分析动态 响应特性曲线的品质 ，找出影响破坏支柱的主要因素 ，为优化单体液压支柱综合性能提供理论依据和技术支持。 关键词单体液压支柱 ； 数学模型；动态特性；仿真研究 中图分类号T P 3 9 1 ． 9 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 31 3 9 3 S i mul a t i o n Re s e a r c h o n Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s o f Pl ung e r S u s pe n s i o n S i n g l e Hy dr a u l i c Pr o p L I U Z h i mi n ，L I U Xi g a o ，Z HA NG C h a o ，CHE N J i a n h a i 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E l e c t r o n i c a n d I n f o r m a t i o n E n g i n e e ri n g ，C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n gT e c h n o l o g y B e i j i n g ，B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ，C h i n a ；2 ． Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l C o l l e g e ，H e b e i U n i v e r s i t y o f E n g i n e e ri n g ， Ha n d a n He b e i 0 5 6 0 3 8，C h i n a ；3 ． He b e i T i a n z e He a v y Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ， Ha n d a n He b e i 0 5 6 2 0 0，C h i n a ； 4 ． Z h o n g g u a n Mi n i n g I n d u s t r y L i mi t e d C o m p a n y o f H e b e i I r o n a n d S t e e l G r o u p ，H a n d a n H e b e i 0 5 6 0 0 0，C h i n a Ab s t r a c t Ac c o r d i n g t o p l u n g e r s u s p e n s i o n s i n g l e h y d r a u l i c p r o p s t r u c t u r a l c o mp o s i t i o n a n d w o r k i n g p rin c i p l e ，a d y n a mi c mo d e l o f t h e s y s t e m w a s e s t a b l i s h e d ．T h e s t abi l i t y o f t h e s y s t e m w a s j u d g e d b y u s i n g M A T L A B s o f t w a r e ．A t t h e s a m e t i m e ，t h e d y n a m i c c h ara c t e r i s ti c o f t h e s y s t e m wa s s i mu l a t e d thr o u g h c h a n g i n g s o me s t ruc t u r al p ara me t e r s a n d w o r k i n g p a r a me t e r s o f a p i l l ar a n d e o mb i n i n g wi th S i muli n k s i mu l a t i o n mo d u l e ． T h e ma i n f a c t o r s d e s t r o y i n g p i l l a r s c o u l d b e f o u n d t h r o u g h a n aly z i n g t h e q u a l i t y o f d y n a mi c r e - s p o n s e c h a r a c t e ris t i c c u e s ． I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s a n d t e c h n i c al s u p p o r t f o r o p t i mi z i n g t h e c o mp r e h e n s i v e p e r f o r man c e o f s i n g l e h y d r a u l i c p r o p ． Ke y wo r d s S i n g l e h y d r a u l i c p r o p； Ma t h e ma t i c a l mo d e l ； Dy n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ； S i mula t i o n r e s e a r c h 柱塞悬浮式单体液压支柱是一种新型外部供液的 1 ． 1 活柱力平衡方程 恒阻式支柱 ，是高档机械化普采工作面的配套设备， ． d z ，d y 也是综采工作面的端头支护设备，由于它具有承载能 A l P l 一， mI - ml g 力大 、抗偏载能力强、工作行程大、重量轻、可靠性 式中F为外载荷 ； 嚣 蓥 嘉 A 1 为 活 柱 断 面 面 积 ， A t 詈 。 ； 好 的 作 用 ， 具 有 较 大 的 推 广 价 值 和 广 阔 的 应 用 前 景 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯⋯ 4 ” 近年来，通过工作面大量的矿压观测 ，当支柱受到突 p 。 为支柱下腔液压力； 变载荷作用下 ，会发生 冒顶事故 的主要原因除泄漏 m 为活柱组件的总质量； 外，另一重要原因就是腔内峰值压力过大。作者为减 Y为活柱组件的位移； 小支柱腔内压力峰值，通过建立系统数学模型，在 为黏性阻尼系数。 M A T L A B环境下分析影响、破坏支柱的主要因素。 1 ． 2 支柱流量连续方程 1 建立系统数学模型 ．d 如， 现已缸径为 1 0 0 m m，最 大高度 H 。 2 ． 0 m，最 一 。 出～ 低高度 H m i 1 ． 2 I n ，额定工作阻力 P 3 0 0 k N的支 式中 为支柱压力腔的总容积 ； 柱为例建立系统数学仿真模型。 为工作液体的有效体积弹性模数； 收稿 日期 2 0 1 2 0 61 4 基金项目邯郸市科学技术研究与发展计划项目 1 1 2 8 1 0 2 0 6 3- 2 作者简介刘志民 1 9 7 5 一 ，男，博士研究生。E ma i l l i u z h i m i n h d 1 2 6 ． c o m。 2 - 1 4 0 机床与液压 第4 1 卷 铆 柱内、外总泄漏系数 ，因支柱为胶圈密 式中A 为安全阀阀前孑 L 断面面积，A , I T d ． 2 。 0 封，忽略泄漏 ，c ； 。 斗 ‘ Q 。 为支柱的流量。 1 ． 3安全 阀流 量方程 安全阀结构较复杂 ，考虑其工作情况，通过的流 量可用锥阀来近似 r一 Q 2 c ,tr d x s im p √ 吾 p 1 一 P 2 c “ √ 3 式 中 Q 为安全阀的流量 ； C 为流量系数； d 为 阀 座 锥 面 的 平 均 直 径， d 生 ； 为阀口开度； 为阀针半锥角； P 为安全阀出13 压力； P为工作液体的密度。 Q ， P 。 为一非线性方程，作线性化处理后 则得流量线性化方程 Q 2K q XK c P l 式 中 K q 为 流 量 增 益 ， K q 警 l C q,ff d sin √ m ； K c 为 流 量 压 力 系 数 ， K o 丢 厂 一 c 0 s √ 赢； p 。 为稳态压力 ，取安全阀调定值； ‰ 为阀口稳态开度。 Q 1 一K q K o p lA dx d 4 2 ． 4簧 全 阀 力 平 衡 方 程 m 髻 鲁 。 F F A 5 式中m 为阀芯组件运动部分的折算质量 ； 为阀芯组件运动部分的黏性阻尼系数 ； K 为弹簧刚度系数 ； 为弹簧预压缩量； A 。 为 安 全 阀 阀 芯 的 折 算 承 压 面 积 ， A ， 孚 子 ； ， 为稳 态液 动力 ，F C C 丌 d s i n 2 。 C。 C wds i n 2 pl ‰ ； F d 为瞬态液动力 ，F d L C 叮 T d s i n ∽ n √ ； C 为流速系数 ； 为阻尼长度 。 令R 1 C q C 竹 d s i n 2 l0 ； R 2 L C q ,tr d s i m p ／ 2 p l。 p 安全阀力平衡方程 为 m d 2 x 鲁 K s R R 2 警 A 3p l 6 以F为系统输入量 ，P 为输 出量，对式 1 、 2 、 4 、 6 进行拉氏变换，将各传递函数方框 图按信号的传递、变换过程连接起来 ，得系统的传递 函数方框 图如 图 1 所示 。 图 1 系统传递函数方框图 设置系统各项参数活柱组件总质量 m 等于接 0 ． 0 0 1 k g 和六角导 向套 0 ． 0 6 k g ，合计 0 ． 0 7 2 头柱筒 、活柱筒、柱头和弹簧上挂钩之和，共计 2 2 k g ；弹簧刚度系数在设计阀时给出，K 4 2 0 N ／ m m； k g ，比例系数 K 2 3 3 6 N s ／ m，活柱断面半径为 流量增益 2 ；安全阀阀芯的折算承压面积 A D 2 9 9 ． 4 m m，计算得活柱断面面积 A 。 7 ． 7 6 X 1 0 3 ． 1 4 X 1 0 m 。 I n ，当支柱升到顶部，此时支柱压力腔的总容积为 3 系统稳定性判定 7 ． 7 6 X 1 0 。m ；阀芯组件运动部分的折算质量 根据系统传递函数框图建立系统特征方程 m 2 包括弹簧座 0 ． 0 1 k g 、阀针 0 ． 0 0 1 k g 、阀座 D s s 2 8 8 3 ． 9 5 9 s 6 ． 6 3 5 X 1 0 s 第 1 3期 刘志民 等柱塞悬浮式单体液压支柱动态特性仿真研究 1 4 1 53 ． 9 3 9 1 0 。 s7．4 6 2 1 0 0 运用 M A T L A B中 R o o t 命令求解系统特征方程的 根 ，程序运行如下 P [ 1 2 8 8 3 ． 9 5 9 6 ． 6 3 5 e 6 5 3 ． 9 3 9 e 6 7 ． 4 6 2 e 9 ] r o o t s p arts 一 1 ． 4 3 8 12 ．1 3 1 6 i 一 1 ． 4 3 8 12 ． 1 31 6 i 一 0 ． 0 03 80 ． 0 3 3 4i 一 0 ． o 0 3 80 ． 0 3 3 4i 由于系统特征方程的根全部位于s 平面的左半部 分 ，很容易判定支柱系统是稳定的。 3动态仿真分析 单击 MA T L A B C o m m a n d窗口工具条上的S i m u l i n k 图标 ，或者在 M A T L A B命令窗口输入 S i m u l i n k ，进入 模块库窗 口界面 S i n u l i n k L i b r a r y B r o w s e r ；在模块 库窗口界面中选择 【 F il e N e w M o d e l 】菜单项， 建立新模型窗口；将所需的模块方框图拖入模型窗 口，同时进行模 块参数设置；模型编辑好后 ，单击 “ S T A R T ” 按 钮 ，运 行 S I MU L A T I O N＼S T A R T 。通 过 改变初撑力、活柱体组件质量 、支柱压力容腔体积等 结构和工作参量 ，分析柱塞悬浮式单体液压支柱在不 同情况下的瞬态响应变化规律。仿真结果表明当外 载荷以突变形式作用于系统时，在支柱初撑力很低的 情况下 ，柱腔内瞬间将产生较大的峰值压力 ，这是导 致支柱缸体胀裂破坏的重要原因，初撑力为0 阶跃 输入力 3 0 0 k N时，压力超调量最大，但这仅是一 种特殊工况，实际液压支柱正常工作时，均有一定 的 初撑力，其阶跃输入量的幅值要小得多，而且压力超 调量随着初撑力的增大而显著减小 见表 1中 1 ，2 ， 3 及 图4 a ；当减小活柱体组件的总质量或增大 支柱压力腔的总容积，均可降低峰值压力 ，可有效地 改善系统的动态性能，提高液压支柱工作寿命 见 表 1中 1 、4～ 7 及 图 4 b 、4 c 。 表 1 不同参量的仿真结果 4 ． 5 4 3 ． 5 3 2 ． 5 2 1 ． 5 l 0 ． 5 0 t ／ s a 不同初撑力压力动 态特性仿真曲线 t ／ s b 不同活柱体组件质量压 力动态特性仿真曲线 t ／ s c 不同容腔体积压力动态特性仿真 曲线 图2 压力动态仿真特性曲线 4 结束语 运用 MA T L A B软件可方便地分析支柱系统 的稳 定性及柱腔内峰值压力变化情况。除了改变初撑力 、 活柱体组件质量、支柱压力腔容积等参量外，还可以 改变活柱阻尼系数 、泄漏系数、安全阀有效断面积、 安全阀阻尼系数、安全阀弹簧刚度等结构参量 ，从而 尽可能地降低柱腔内峰值压力。此方法提高了支柱工 作可靠性和有效寿命 ，对预防冒顶事故 、保障煤矿安 全生产具有重要意义；同时为进一步优化设计柱塞悬 浮式单体液压支柱综合性 能提供 理论依据和技术 支持 。 参考文献 【 1 】 李炳文 ， 冬梅， 刘刚华 ， 等． 柱塞悬浮式液压支柱密封方 式的研究[ J ] ． 煤炭学报 ， 2 0 0 4 ， 2 9 3 3 6 7 3 7 0 ． 【 2 】 陈世其． D W X型单体液压支柱动态特性的研究[ D ] ． 西 安 西安理工大学， 2 0 0 4 ． 【 3 】 王正林， 王胜开， 陈国顺 ， 等． M A T L A B ／ S i m u l i n k 与控制 系统仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 5 ． 【 4 】李炳文， 朱冬梅， 赵莉 ， 等． 单体液压支柱改进与特点 [ J ] ． 矿山机械， 2 0 0 3 ， 3 1 8 7 8 ． 【 5 】 谢锡纯． 矿山机械与设备[ M] ． 徐州 中国矿业大学出版 社 ， 2 0 0 5 1 4 6 ． 【 6 】李炳文， 朱冬梅 ， 马显通． 单体液压支柱的现状及存在的 问题[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 3 ， 3 1 4 5 45 7 ． 【 7 】张富肇， 刘 刚华 ， 李炳文 ， 等． D W X 型单体液压支 柱 S I MU L I N仿真[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 0 4， 3 2 6 5 9 60．