利用灰箱建模法对支架液压系统升柱阶段的仿真分析.pdf

第 5期 总第 1 8 0期 2 0 1 3年 l O月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEE RI NG AUT MATI N NO．5 Oc t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 3 0 5 0 0 4 8 0 2 利用灰箱建模法对支架液压系统升柱阶段的仿真分析 李晋昱 ，张文斌 同煤集 团 中央机厂 ，山西 大同0 3 7 0 0 1 摘要 以支架液压 系统为研究对象 ，介绍 了它的工作原理 、结构形 式等，并利用灰箱建模 法建 立了支 架液压 系统的数学模型，设置 了仿真模拟 的初始条件 ，利 用 MAT L AB等模 拟软件 对其升柱 阶段进行 了仿真分 析， 并提 出优化意见。 关键词 灰箱建模；支架液压 系统 ；仿真优化 中国分类号 T D3 5 5 ． 4 T P 3 9 1 ． 7 文献标识码 A 0 引言 现代化矿下采煤离不开液压支架， 而液压支架 的 核心则 是 立柱控 制 回路 ， 它 的 工作 流 畅 性 和稳 定 性 直 接影 响 到整个采 煤工程 的可靠 性及 安全性 。 支架液压系统主要由立柱控制升降、 护帮板伸缩、 移架和抬底、 顶梁升降、 喷雾等几部分液压回路组成。 本 文 首先 建立理 论模 型 ， 然 后运 用 模 拟 仿 真软 件 对 支 架液压系统进行探究[ 1 ] ， 根据得到的液压系统 的初始 条件方程 ， 选取了其升柱阶段进行研究和分析， 对于提 高支架移架速度以及优化阀结构具有实际意义。 1 支架 液压 系统工 作原理 液压支架工作顺序组成遵循着液压系统的工作循 环流 程 。单 台液 压 支架 相 对独 立 ， 通 过 各 类 动力 油 缸 的伸 缩运 动 ， 液压支 架重复 进行着 升降 、 行进 以及推 移 等一系列流程 ， 液压支架协同着工作面的推进 ， 互相支 撑、 相互调整 ， 从而实现了现代化井下采煤作业。支架 工作的程序可以浓缩为 先 降再移然后升 。液压支架 工作 原理 图见 图 1 。 1 降柱 将阀 8 操纵至降柱点后 ， 打开阀 9 ， 两面 压力差导致液体从主供液管 l 1 压 出， 经阀 8 、 9流入 主 回液管 1 2 ； 液体积聚 以后 ， 又经过立柱的活塞杆腔流 人到管控 回路中， 当液体携带的压力逐渐增 加至液控 单向阀 7的开启压力后 ， 乳化液泵 1 O内的油液从油管 流至底座 4 ， 最终流入主回液管 1 2中， 完成降柱过程。 2 移架和推移运输机 移架必须在降柱完成之 后才能进行 ， 利用推移千斤顶 5将高压液体通入推移 液压缸 的活塞杆腔， 活塞腔回液， 以输送机为支点来使 缸体前移 ， 产生的巨大推力使得移架过程顺利完成 。 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 2 8 ；修回 日期2 0 1 3 0 6 3 0 作 者简介 ；李晋昱 1 9 7 0 一 ，男 ，山西朔州人 ，本科 。 3 升柱 打开 阀 8 ， 与降柱 流程 相 反 ， 此 时要从 降 柱处移到升柱处 。依然是液体携带压力 使得液体 回 流 ， 参 与部 位依 次为 阀 8 、 阀 7 。 1 一 顶 梁 ； 2一立 柱 } 3 一输 送 机 ； 4 一 底 座 ； 5 一 推 移 千 斤顶 ； 6 一安全 阀； 7 一液控单向阀； 8 ， 9 一操纵阀 ； 1 O --乳化 液泵 ； 1 1 一主供液管 ； 1 2 一主回液管 图 l液压支架工作原理图 2 灰 箱 法 ] 建模有很多种途径和方法 。研究液压支架的升降 推移过程 ， 不仅需要分析 ， 还需要实验 ， 这种 特性正符 合 了灰箱建模法的核心特征。根据每一个液压元件的 功能及其作用 ， 选择相应的液压模型， 建立液压元件的 子模型。使用此种建模法建立数学模 型时 ， 为了不 至 于使系统精确度过高导致系统崩溃 ， 提出以下几个前 提 条件 ] ① 忽 略影 响细 微 的部 分 ， 重 点 研 究 核 心 部 位 ； ② 忽略 液 压管道 中液流 的惯性 以及 压力损 失 ； ③动 态变 量常 量化 ， 如密 度 、 弹性模 量等 。 由此抽象出拓扑结构， 并且依照此结构将零件组 装成一个完整的系统。 3 升 柱过 程模 型的 建立 从液压系统分析抽 象出具 有所有元件 的拓扑结 构 ， 如图 2 所示。由于立柱控制系统的两个立柱缸是同 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 3年 第 5期 李晋 昱 ． 等 利用灰箱建模 法对 支架液压 系统升柱阶段 的仿 真分析 4 9 时升降 ， 这里选择其 中一个立柱缸作为代表进行研究。 03 D一 油 泵 I G1 、 G2一立 柱 缸 l G3 一推 移 干 斤 顶 ； S1 ， S 7 一 电 } 葭换 向 阀 ； S 2 ， S 5 一液控单 向阀； S 3 ， S 6 ， S 9 一安全阀f S 4 一溢流阀 ； S 8 一单 向锁 图 2 立柱液压系统的拓扑结构 图 升柱 过 程是 由升柱 阶段 以及 初撑 阶段 组成 的 。从 阀门开启到立柱上升至顶的过程 ， 称为液压支架 的升 柱。立柱液压系统在升柱时， 油泵中的高压油经过 电 液换 向阀 S l以及液控单向阀 S 2 进入立柱缸后， 立柱上 升。初撑阶段与升柱阶段不同， 此阶段的立柱与底板之 间要考虑到弹性变形 ， 其余基本和升柱过程相同。 根据 流 量连续 性 方 程 和活 塞 运 动 方 程 ， 可 以建 立 出升 柱 阶段 的数学 模 型为 1厂 -- G p l 一 户 。 一 1 Gj 户 l ～ 。 。 J m l l 一 A 一 p2 A 1 一 C 1 一 1 g R1 。 I厂 Al l 一 V l p 2 一G6 2 一 1 。 』 厂 A 立- p 。 一G1 户 。 一p 。 。 』 、 其 中 q o为油泵 的理论流量 ； G为油泵 的液 导； 户 、 p z 为油泵的进 口、 出 口油压 ； 。 、 为安全 阀的进 、 出 口 油压； V为油泵容积 ； K 为油液的弹性模量 ； G 为换向 阀综合液导 ； 为立柱 系统 的质 量； z 为 活塞 的位 移 ； AI 、 分别为液压缸内有杆腔和无杆腔的面积 ； C为 综合流量系数； R 为各种阻力之和； 、 分别 为油缸 进油腔、 排油腔的液体容积； G 6 为溢流阀综合液导。 同理 ， 可建立 初 撑阶段 的数 学模 型 为 1 ， q o --G p1 一 o 一 一G1 户l ～户3 。 ■ 、 1 1 3 A 一 2 Al C l --k x 1 一 m 1 g R 1 。 1，， A 王l V l 。 G 户 l 一 。 。 』 T， Al三l 十- iv 1 p 2 一G8 户 2 一夕1 。 』 其 中 走为等效弹性刚度； F a为油缸负载力 。 4 升 柱 阶段 的仿 真及 分析 液压 系统模型建立好 以后 ， 使用 MA TL AB软件 进行仿真模拟 ， 设置系统的有关仿真参数如下 1 根据面积公式 ， 得 到油缸无杆腔 和有杆腔的 面积 为 A 一 孚 T 4 2 0 1 0 ． 3 2 rn 2 ．O ． 1 3 8 5 In z ， A 一 { 4 2 4 O o z m 2 0 ． 0 l 2 9 m z 。 其中 D、 d分别为活塞及活塞杆的直径 ， D一4 2 0 mm， 一 4 00 m m 。 2 根据体积公式， 得到油缸无杆腔和有杆腔的体 积为 V 一A z ， V1 一A1 一 X 1 。 其中 为立柱最大行程， 3 ． 4 7 m。 3 仿真所设置的初始参数如表 l所示。 表 1 设置 的初始参数 参数 数值 参数 数值 质量 m1 黏性阻力 C 8 7 0 0 5 9 8 8 k g N s ／ m 高压油液弹性模量 E 换向阀综合液导 G 3 ． 3 1 0 9 9 ． 7 1 2 1 00 P a m ／ s P a 油泵 的液导 G 6 ． 6 1 4 1 01 2 溢流阀综合液导 G s 1 ． 6 6 7X 1 0一g m。 ／ s P a m0 ／ s P a 4 初始条件设置如下 初始时间 0 s ， 总计 l O S 完 成 。 5 模拟仿真结果见图 3和图 4 。从 图 3可以看 出 ， 立柱 在 7 ． 3 S内上 升了 3 ． 4 7 m。从 图 4可 以看 出 ， 立柱控制系统从升柱阶段进入初撑阶段后 ， 柱压从 2 6 MP a上升 到 3 7 ． 5 MP a 。 目 ＼ j 土 i 譬 ＼ t ／ s t ／ s 图 4 腔内压力变化 曲线 分析图 4 ， 开始阶段压力上下波动， 这是因为进入 阀门内的液体流量不太稳定 ， 时大时小， 表现出来是压 力曲线的变化波动。这从侧面印证了灰箱法所建立模型 符合实际情况， 具有一定的合理性， 仿真结果让人满意。 下转第 5 2页 3 3 2 2 1 1 O O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 2 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 3年第 5期 2 轮齿接触面热流密度大小取决于啮合面的接 触压力 、 摩擦因数、 相对滑动速度 ， 其中在相对滑动速度 较高和接触应力较大的齿根和齿顶相应的温度也较高。 图 6 主动齿轮轮齿 温度 场分 布 3 轮齿温度在靠近节 圆附近的齿根和齿顶分别 存在两个峰值 ， 最大温度出现在齿根 ； 实际齿轮胶合失 效形貌为在齿轮齿根和齿顶 存在较深的凹坑、 划痕及 灼烧现象， 该形貌与有限元分析结果相似 ， 验证了分析 方 法 的正确 性 。 参考文献 [ 1 ] B l o c k H． C o n t i n u o u s a s a g a i n s t i n t e r mi t t e n t f l i n g - o f f c o o l i n g o f g e a r t e e t h [ J ] ．Tr a n s a c t i o n o f t h e A S ME J o u r n a l o f Lu b r i c a t i o n Te c h n o l o g y ， 1 9 7 4 ，9 6 4 5 2 9 5 38 ． [ 2 ] T o b e T，K a t o M．A s t u d y o n f l a s h t e mp e r a t u r e o n s p u r g e a r t e e t h [ J ] ．J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g f o r I n d u s t r y ，1 9 7 4 2 1 1 6 1 2 5 ． [ 3 ] Wa n g K L，C h e n g H S ．T h e r ma l e l a s t i c h y d r o d y n a mi c l u b r i c a t i o n o f s p u r g e a r s [ J ] ．N AS A， 1 9 8 0 ， 2 1 3 7 1 3 9 ． [ 4 ] 龙慧 ， 张光辉 ， 罗文 军． 旋转 齿轮 瞬时 接触应 力和温 度 的 分析模拟[ J ] ． 机械工程学报 ． 2 0 0 4 ， 4 0 8 2 4 2 9 ． [ 5 ] R o b e r t F Ha n d s c h u h ．T h e r ma l b e h a v i o r o f s p i r a l b e v e l g e a r s [ D ] ．C l e v e l a n d C a s e We s t e r n R e s e r v e Un i v e r s i t y ， 1 99 3 65 6 9． [ 6 3 苏青 ， 张彩英． 基 于 ANS Y S的重载 齿轮温度 场分析 [ J ] ． 煤矿机械 ． 2 0 1 1 8 9 4 9 6 ． Co nt a c t S t r e s s a n d Te mp e r a t u r e Fi e l d Ana l y s i s o f Ge a r YU Ha n W u x i I n s t i t u t e o f Ar t s a n d Te c h n o l o g y，W UX i 2 1 4 2 0 2．Ch i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t O o b t a i n t h e d i s t r i b u t i o n o f c o n t a c t s t r e s s a n d t e mp e r a t u r e f i e l d o f g e a r 。t h e mo d e l s o f g e a r c o n t a c t s t r e s s a n d t e mp e r a t u r e f i e l d we r e e s t a b l i s h e d，t h e d i s t r i b u t i o n o f c o n t a c t s t r e s s o f g e a r wa s a n a l y z e d u s i n g t h e c o n t a c t t h e o r y o f He r z ．a n d t h e d i s t r i b u t i o n o f t e mp e r a t u r e wa s a n a l y z e d b y t h e f i n i t e e l e me n t me t h o d ．Th e r e l a t i v e s l i d i n g v e l o c i t y a n d f r i c t i o n f a c t o r b e t we e n g e a r s a n d h e a t f l u x we r e c a l c u l a t e d ． Ke y wo r d s g e a r ；c o n t a c t s t r e s s ；t e mp e r a t u r e f i e l d 上接 第 4 9页 5 结论 1 灰 箱法 建 立 数 学 模 型 是 有 三 个假 设 条 件 的， 这样避免了系统过于复杂从而失真。 2 立 柱上 升到 3 ． 4 7 I n需 要 7 ． 3 s ， 完 成 了 升柱 阶段。立柱控制系统从升柱 阶段进入初撑阶段后 ， 柱 压 从 2 6 MP a 上升 到 3 7 ． 5 MP a 。 3 仿 真过 程 设 立 的 多 种 参数 比较 合 理 ， 对 企 业 有一定 的参 考价值 。 参考文献 E 1 ] 何衍庆． 控 制系统 分析 、 设 计和应 用 MAT L AB语 言 的应用[ M] ． 北京 化学 工业 出版社 ． 2 0 0 3 ． [ 2 ] 刘能宏 ， 田树军． 液 压系统动态 特性数字 仿真[ M] ． 大连 大连理工大学出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 3 ] 张宏升 ， 廉 自生 。 熊小燕 。 等． 基于 系统 的高水基先 导阀压 力流量特性建模与仿真[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 ． 2 9 1 ， 3 7 4 0 ． Us i n g Gr e y Bo x M o d e l i ng M e t h o d t o S i m u l a t e Li f t i n g Pr o c e s s o f Po we r e d S u p p o r t ’ S Le g LI J i n - y u，Z HANG We n - b i n Ce nt r a l M a c h i n e r y P l a n t o f Da t o n g M i n i n g I n d u s t r i a l Gr o up ，Da t o n g 0 3 7 0 01 ，Chi n a Ab s t r a c t Ta k i n g t h e s u p p o r t h y d r a u l i c s y s t e m a s t h e r e s e a r c h o b j e c t ，t h i s p a p e r i n t r o d u c e d i t s wo r k i n g p r i n c i p l e a n d s t r u c t u r e f o r m， a n d e s t a b l i s h e d t h e ma t h e ma t i c a l mo d e l o f h y d r a u l i c s u p p o r t b y u s e o f g r e y b o x mo d e l i n g me t h o d ．B y s e t t i n g t h e i n i t i a l c o n d i t i o n ，t h e p r o c e s s o f l i f t i n g l e g o f p o we r e d s u p p o r t wa s s i m u l a t e d u s i n g M ATI AB s o f t wa r e ． a n d t h e s u g g e s t io n f o r o p t i mi z a t i o n wa s p u t f o r wa r d ． Ke y wo r d s g r e y b o x mo d e l i n g；h y d r a u l i c s u p p o r t s y s t e m ；s i mu l a t i o n o p t i mi z a t i o n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m