液压支架试验台加载液压系统动态特性仿真研究.pdf

第 6期 总第 1 6 3 期 2 0 1 0年 l 2月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUT0MAT1 0N No．6 De c ． 文章编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 6 0 0 2 8 0 3 液压支架试验 台加载液压 系统动态特性仿真研究 王 静 ，李永 堂，刘志奇 太原科技大学 材 料科 学与工程学院 ，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 通过 AME S i m 和 MAT L AB的联合仿真，对液压支架试验 台液压 系统进行 动态特性仿真研究，得 出了 卸载过程 中立柱下腔合理 的局 部压力流量 曲线， 并对其进行分析 。 通过优化橡胶软 管直径参数 ， 可 以有效地 降 低卸载冲击压力。 关键词 液压支架试验 台；液压系统；A ME S i m；MA TL AB 中图分类号T D3 5 5 ． 4 T P 3 9 1 ． 9 文献标识码 A 0 引 言 液压支 架作为 煤矿综 合机械 化采煤 的关键 支护设 备 ，在 煤炭安 全生 产 中具 有非 常重要 的作用 ，因此在 支架出厂时有必要对它的各种性能进行检测。液压支 架试验台是矿用成套液压支架试验设备中非常重要的 设备之 一 ，是对 液 压支架 在 出厂前 或大修 后进行 检验 的试验设 备 。液压 支架试 验台是在 实验室 内模 拟井下 开采工作 面 的实际工 况 ，为液压支 架 的检 测检验 提供 一 个框架式的受力空间，它以内加载方式使支架承受 不同载荷的作用以检测支架的各项性能，看其是否能 够达到支架整架的技术要求 。 在卸 载过程 中液控 单 向阀会 出现液压 冲击 ，卸 载 冲击 压力值 是液 控单 向阀 的一项重要 指标 。 实践表 明 ， 卸 载冲击 压力值 太大不 仅会 引起 振 动和噪声 ，还会 影 响到系统密封装置、管道和液压元件 ，甚至使某些液 压元件产生误动作而发生事故 ，因此要求卸载冲击压 力值 不得 大于 公称 压力 的 1 1 5 ％。本文 通过 改 变软 管 直径参 数 ，得到软 管对 系统卸载 过程 的影 响情 况 ，经 过仿 真进行参 数优 化 以降低液压 冲击 现象 的发 生 。 1液压 系统 的工 作过程 及其特 点 图 1 为 液压控 制原理 图 ，对 液压支 架立柱 在试验 台内进 行 内加 载时 ， 液 压源为 压力3 1 ． 5 MP a 、流量 为 2 0 0 L ／ rai n 的水。 工作过程 1为初撑阶段 ， 电液换 向阀 5右位通电工作，大流量水经电液换 向阀 5和液控单 向阀 7 、 8快速进入立柱下腔， 使立柱下腔压力达到泵 站压力 。工作过 程 2为增 压阶段 ，电液换 向阀 5中位 工作 ，电液换 向阀 4右位工作 ，泵 站水经 电液换 向 阀 4进入增压缸 6低压腔 ，增压后的高压水经液控单 向 阀 8使立柱下腔压力达到所需要的压力值。工作过程 3为保压阶段， 电液换向阀 4和 5 都处于中位， 使立柱 下腔的压力保持所需要的压力值 。工作过程 4为卸载 阶段，电液换向阀 4和 5 都处于左位 ，立柱下腔高压 水 经液 控单 向阀 8 、液控 单 向阀 7和 电液换 向阀 5回 油箱，部分高压水经液控单 向阀 8进入增压缸高压腔 经 过 电液 换 向阀 4回油箱 。 l 1一油 箱 ；2泵 ；3一溢 流 阀 ；4 ，5一三 位 四 通 电 撤抉 向 ； 6 增 压缸 ；7 ，8 一液控单 向阀；9 立柱缸 图 1液压控 制原理 图 2 系统 模型 主 要 由 MATI A B ／ S i mu l i n k 中 的 S 函 数 将 AME S i m 和 MATI AB连接起 来 ，通过修 改 S函数 文 件 名和设 置系统 参数来 完成 液压 系统在联 合环 境下 的 仿 真 。 收稿 日期2 0 1 0 0 4 1 5 ；修 回 日期 2 0 1 0 - 0 7 2 O 作者简介 王静 1 9 8 2 一 ， 女 ． 河南南阳人， 在读硕士研究生， 主要从事液压系统仿真方面的研究 。 9 8 7 6 5 4 3 2 l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年 第 6期 王静 ，等 液压支架试 验台加栽 液压 系统动 态特性仿真研 究 2 9 根据液压控制原理图 ，可以将其分为液压系统模 型 和控制 系统模 型两 部分 ，其 中 液压 系统模 型在 AME S i m 环境 下完成 ，控制 系统模 型在 MAT L AB环 境下 完 成 。在 AME S i m 中建 模 时首 先 进入 草 图模式 S k e t c h mo d e ，从元件 库 中直接选 择液 压元件 模 型 ， A ME S i m软件库没有增压缸模型，可以利用 HC D 液 压元件设计 搭建增压缸模型，应用 I n t e r f a c e 创建控 制模 块 C o n t r o l l e r 。然 后 进入 子模 型模 式 S u b mo d e l s mo d e ，根据实际情况为每个元件选择合适的数学模 型 ，一 般情况 下为元 件选择 默认 的最简 子模型 。接下 来进 入参数模 式 P a r a me t e r s mo d e ， 根 据选择 的液压 元件型号设定元件参数。为使系统接近实际情况，主 要参数设 定如 下 泵 流量 2 0 0 L ／ mi n ； 溢 流 阀调 定压力 3 1 ． 5 MP a ； 增 压缸低 压腔 活塞直 径q 2 7 7 mm， 高压腔 活塞直径 1 6 O mm， 增 压 比为 3 ， 最 大行 程 1 0 0 0 mm； 立柱缸 直径／ 4 2 0 mm， 固定冲程 长度 2 ． 2 m； 弹 性阻尼 负载做匀 速运 动 ， 弹性系数 为1 0 N／ m。 最后进 入运行 模式 Ru n mo d e ， 运行搭建好的仿真模型 ， 使控制模 块 C o n t r o l l e r 产 生相应 的链 接文 件 。液压控 制原 理 图 在 AME S i m环境下的仿真模型如图 2所示 。 在 MAT I AB ／ S i mu l i n k中完成控制系统模型， 通 过 S i mu l i n k中的s F u n c t i o n模块将 AME S i m 产生 的 S函数 加入 到 S i mu l i n k模型 中 ， 把 S i mu l i n k中 的控 制算法 连接到 A ME S i m 中的控制模块 内。 3仿真 结果分 析 图 3为软管直径 1 O mm 卸载 时立柱 下腔 局部压 力 曲线和 局部 流量 曲线 ，图 4为软 管直 径 1 6 mm卸 载时立柱 下腔局部 压力 曲线 和局部 流量 曲线 。 在图 3上可以看出整个卸载过程中压力的最大值 即卸载冲击压力值为1 0 8 ． 6 9 2 MP a ，其超压率 即冲击 压 力值 与稳 态压力 之 比为 1 1 0 ． 0 3 ，由计算 可 知卸载 冲击 压力值 满足要 求 。 1 0 8 1 0 7 1 0 6 1 0 5 单 向阀阀芯 的实际运动形式是开 口量变大一减 小 一再 变 大一再减 小 ， 直 到最后 阀芯开 口完全 打开 。 从 图 3和 图 4可 以看 出 ，卸 载开始 的时候 压力 曲线和 流 量曲线都有一个明显振荡过程 ，这时候阀芯开I I 量就 处于变 大 一减小 一再 变 大一再减 小 的状 态 ，当压力 曲 线 和 流量 曲线 开 始趋 于稳 定 时 阀 芯 开 口就 完 全 打 开 了 。 图 2 AMES i m 环 境 下 的 仿真 模 型 通 过对 比图 3和 图 4可 以看出 软 管直径 1 6 mm 的压力 曲线振荡情况不明显并且没有卸载冲击压力， 因此直径 1 6 mm的软管可以很好地吸收卸载冲击压 力 ； 软管 直径 1 6 mm的流量 曲线振荡 情况不 明显 ， 这 是 由于 在泄 流开始 时单 向阀 阀芯 就几乎 完全 打开 ，单 向阀 阀芯开 口量变 大一减 小 一再 变大 一再减 小 的情 况 不 明 显。 l - - ～ ⋯ ～ _ ～ _ ～ 、 _ ～ ～ ⋯ ～ ～ ～ 、 t ／ S t | S a 局部压力 曲线 b 局 部流量 曲线 图 3 软 管直径 1 O mm卸载时立柱下腔局部压力 曲线和流量 曲线 图 5是卸载时单 向阀 8开始泄流时反向人 口处压 这个比值远远大于节流气穴产 生的临界压力 比 3 ． 5 。 力曲线 1和反向出口处压力曲线 2 。图 6 是卸载时单 根据图 6可以计算出压力比大约为 l 1 ， 这个 比值也远 向阀 7开始泄流时反 向入 口处压力曲线 1和反 向出口 远大于节流气穴产生的临界压力比 3 ． 5 。单 向阀 8的 处压力曲线 2 。 根据图 5 可以计算出压力 比大约为 3 8 ， 压力 比要 比单向阀 7大，因此卸载时单向阀 8要承受 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 O 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年 第 6期 更大 的流量 ，更 容易 产生气 穴和气 蚀 。 4 结论 利 用 A ME S i m 软件 的强 大功 能对 支 架 试 验 台液 压系统建模和仿真，得出合理的立柱下腔压力、流量 曲线 ，通 过 曲线对 卸载 冲击压 力和单 向阀阀芯运 动进 口_ 、 、 础 蔓 n 1 O 5 l 0 O 9 5 9 O 8 5 7 ． 7 3 6 7 ． 7 3 8 行分 析 。比较 分析 了改变 软管直 径对 系统卸 载过程 的 影响情况，为优化液压系统参数提供依据。通过分析 卸载过 程 中单 向阀端 口压 力 曲线 ，得 出单 向阀很容易 产生气穴气蚀现象 ，并且单向阀 8更容易产生气穴气 蚀现象 。 O 2 0 0 40 0 - 6 0 0 80 0 1 00 0 7 ． 7 4 0 7 ． 7 4 2 7 ． 7 4 4 7 ． 7 3 0 7 ． 7 5 0 t ／ s 7 ． 7 7 0 7 ． 7 9 0 t ／ S f a 局 部压力曲线 b 蜀部流量 曲线 图 4 软管直径 l 6 mi l l 卸载 时立柱下腔局部压 力曲线和流量 曲线 7 ． 7 7 5 7 ． 7 8 0 7 ． 7 85 t ／S 1 O O 8O 司 6 0 鼍 4 0 2 O O 图 5 单 向 阀 8端 口压 力 曲 线 参 考 文献 [ 1 ] 杨扬， 龚国芳 ， 胡国 良． 等． 基于 AME S i m 和 MAT L AB的 盾构推 进液 压系 统仿 真 E J 3 ． 机床 与 液压 ， 2 0 0 6 6 6 8 ，L 3 J 1 19 12 O ． E 2 3 袁红兵 ， 岳大灵 ， 廉 自生． 基于 AME S i m 的液控单 向阀卸 z ／ s 图 6 单 向阀 7端 口压 力 曲线 载动态特性 仿真 研究 E J ] ． 煤 炭科 学技术 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 69 7 1 ． 窦真兰 ， 张 同庄 ， 李 素英 ． 液压 支架千吨试验 台监控系统 的设计与实现E J 3 ． 矿山机 械， 2 0 0 6 ， 3 4 5 3 2 3 4 ． Dy n a mi c S i mu l a t i o n o f Lo a d i n g S y s t e m o f Hy dr a u l i c S u p po r t Te s t be d W ANG J i n g ， LI Yo n g t a n g， LI U Zh i q i S c ho o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d En g i n e e r i n g，Ta i y ua n Un i v e r s i t y o f Sc i e n c e a n d Te c h n o l o g y． Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4， Ch i n a ， Ab s t r a c t Ba s e d o n AM ESi m a n d M ATLAB， t he d yna m i c s i mul a t i o n of t he hy dr a ul i c s y s t e m o f hy dr a ul i c s u ppo r t t e s t be d i s c a r r i e d o ut ， an d t he f a i r p r e s s ur e c u r v e a n d f l o w c ur ve of c o l umn c y l i n de r d ur i ng un l o a di ng pr o c e s s a r e ga i ne d a nd a n a l y s e d． Thr ou gh opt i mi z i ng di a me t e r p a r a me t e r of r ubb e r ho s e， t he u nl oa d i n g i mpa c t p r e s s ur e c ou l d be d e c r e a s e d e f f e c t i v el y． Ke y wor dshy dr a ul i c s u pp or t t es t - be d； hy dr a ul i c s ys t e m ；AM ESi m ； M ATLAB 上接 第 2 7页 M o d a l An a l y s i s o f H y d r o s t a t i c Tr a ns m i s s i o n S he l l LI U J i n h u a Co l l e g e o f Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g．S o u t h we s t J ia o t o n g Uni v e r s i t y，Ch e n g d u 6 l 0 0 3 1 -Chi n a Ab s t r a c t Hy d r o s t a t i c t r a n s mi s s i o n HS Ti s a c l o s e d c i r c u i t s y s t e m wh i c h i s c o m p o s e d o f p u mp a n d mo t o r ． HS T h a s a wi d e a pp l i c a t i on i n t h e f i e l d of me c ha ni c a l e ngi n e e r i ng．Thi s a r t i c l e a na l y z e d t h e ma i n ex c i t a t i o n f r e q ue n cy of a n HST ， a n d e s t a bl i s h e d t h e t hr ee d i me n s i on a l mo de l of t h e HST s he l 1 ． Ac c o r di ng t O t h e na t ur al f r e que nc y a nd v i b r at i on mod e， t he a r t i c l e p r o pos e d a me t h o d t O i mpr ov e t he s t r u c t u r e of t he HST s he l 1 ．a nd go t a s a t i s f i e d e f f e c t ． Ke y wor d s h yd r o s t a t i c t r a ns mi s s i ons；na t ur a l f r e qu en c y； mo de；s he l l 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m