液压支架液压系统建模及仿真分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 4年 第 O 2期 液压支架液压系统建模及仿真分析 王相 亭 安徽省矿业机 电装备有限责任公司， 安徽 淮北2 3 5 0 3 7 摘要 液压支架作为综采装备的关键设 备 ， 其液压系统的安全性 、 可靠性和生产效能对于煤矿开采有着重要的作用 。 该文提出一种用 A ME S i m液压系统仿 真建模软件对液压支架液压系统进行仿真建模 的方法 ．利用 A ME S i m液压 系统建模仿真软件对支架 的主要液压 回路进行建模 仿真 ， 分析其动态特性 ， 仿真结果有助于改善设计 、 可靠性 和可操作性 ， 从而显著降低了成本和设 计研 发时间。 关键词 液压支架 ； 液压 系统 ； A ME S i m 中图分类号 T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 4 0 2 0 0 5 8 0 3 M o d e l i ng a nd S i mu l a t i o n o f Hy d r a u h c S y s t e m f o r Hy d r a u h c S u p po r t WANG Xi a n g - t i n g A n h u i Mi n i n g E l e c t r i c E q u i p me n t C o ． ，L t d ． ， H u a i b e i 2 3 5 0 3 7 ， C h i n a Ab s t r a c t Hy d r a u l i c s u p p o rt a s a n i mp o r t a n t p a r t i n t h e mi n i n g e q u i p me n t ， i t s s e c u r i t y ， r e l i a b i l i t y a n d p r o d u c t i o n e f f i c i e n c y o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m o f h y d r a u l i c s u p p o rt p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e d u r i n g c o a l mi mn g ． T h i s p a p e r p r e s e n t s a s i mu l a t i o n mo d e l i n g wa y w h i c h u s e d b y s o f t wa r e AME S i m o f h y d r a u l i c s y s t e m f o r a h y d r a u l i c s u p p o ． T h e ma i n h y d r a u l i c c i r c u i t s i mu l a t i o n mo d e l o f h y d r a u l i c s u p p o i s e s t a b l i s h e d i n AME S i m， a n d t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s a r e c h e c k e d ． S i mu l a t i o n r e s u h s h e l p t o i mp r o v e t h e d e s i g n ， r e l i a b i l i t y a n d o p e r a b i l i t y ， t h e r e b y r e d u c i n g c o s t a n d t i me a s s o c i a t e d w i t h t h e d e s i g n s i g n i fi c a n t l y ． K e y wo r d s h y d r a u l i c s u p p o ； h y d r a u l i c s y s t e m ； AMES i m O 引言 在许多液压技术应用场合 ．如果设计人员在设计 阶段就考虑到液压系统 的动、 静态特性 ． 就可 以缩短液 压系统或元件的设计时间．避免重复试验 和加工带来 的损失 ．并且可以提前了解系统在动静态特性方面存 在的问题并加以改进 。 而这些可通过对系统的动 、 静态 特性进行预测来实现 计算机仿真技术不仅可以在设 计中预测系统性能 ． 减少设计时间 ． 还可以通过仿真对 所设计 的系统进行整体分析和评估 ．从而达到优化系 统 、 缩短设计周期和提高系统稳定性的 目的。 为了对本文所设计 的液压 系统进行 总体评估 ． 利 收稿 日期 2 0 1 3 0 7 0 2 作者简介 王相亭 1 9 7 4 一 ， 男 ， 安徽淮北人 ， 工程师 ， 学士， 从事液压支架及 液压支架用阀的设计研究 。 用 A ME S i m液压系统建模和仿真软件对该支架液压系 统进行建模仿真 。验证该系统设计是否合理 ．是否需 要进一步优化。A ME S i m建模仿 真软件一般分为 四个 步骤 ①草图模式 ； ②子模型模式 ； ③参数模式 ； ④仿 真模式 1 A ME S i m系统建模和仿真 A ME S i m是 法 国 I Ma g i n e公 司于 1 9 9 5年推 出 的基 于键合图的液压一 机械系统建模、 仿真及动力学分析软 件。该软件具有以下特点 1 多学科的建模仿真平台 A ME S i m在统一 的平台上实现了多学科领域 的系 统工程的建模 和仿真 机械 、 液压 、 气动 、 热、 电和磁等 物理学领域 2 图形化物理建模方式 参考文 献 [ 1 ]1 史佩 栋． S MW 工 法的地下连续墙[ J 】 ． 施工技术 ， 1 9 9 5 ， 2 ． [ 2 ] 信春雷． 浅析 S MW 工法 的优 化及其经济 和社会 价值[ J ] ． 山西 建筑 ， 2 0 1 0 ， 3 ． [ 3 】 杨培元 ， 朱福元 ． 液压 系统设 计简 明手 册【 M】 ． 北京 机械 工业 出版社 ． 2 0 0 6 ． 5 8 1 煤 炭工业部 ， 煤炭科学 研究院上 海研究所 ． 液压 传动设 计手 册[ MI ． 上海 上海科学技术 出版社 ． 1 9 8 1 ． 『 5 1 黄强 ， 杨斌 ， 李荣强 ， 等． 建筑基坑支护技术规程应用手册『 M1 ． 北京 中国建筑 工业 出版社 ． 1 9 9 9 ． 『 6 1 雷天觉． 新编液压工程手册眦1 ． 北京 北京理工大学 出版社2 0 0 6 ． f 7 1 于全训 ， 林 明喜 ， 薛成山． 力学概论『 M ] ．北京 科 学出版社20 O O ． Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ， NO ．O 2 ． 2 01 4 A ME S i m采用工程技术语言进行建模 ， 并且仿真模 型的建立、 扩充或改变都是通过 图形界面 G U I 来进行 的． 使用者不用编制任何程序代码 。 3 鲁棒性极强的智能求解器 A ME s i m的智 能求解器能够根据 用户所建立 的模 型的数学特性 自动选择最佳的积分算法 ．并根据在不 同的仿真时刻 的系统特点动态地切换积分算法和调整 积分步长来缩短仿真时间和提高仿真精度 。 4 齐 全 的分 析工 具 A ME S i m提供 了一个齐全 的分析工具以方便用 户 分析和优化 自己的系统 线性化分析工具 、 模态分析工 具 、 频谱分析工具 以及模型简化工具。 2 液压支架液压系统仿真分析 液压支架与乳化液泵站、 装载机 、 刮板输送机和滚 筒采煤机等配套使用 ．成为煤矿综采工作面的主要机 械设 备。液压支架一般有架体 、 工作机构、 液控系统及 附件四大部分组成 。根据液压支架的工作原理 ． 以及立 柱控制系统和千斤顶系统 回路 的选择 ．拟定本文所设 计的液压支架液压系统原理 图如图 1 所示。 2 ． 1 主 供液 系统建模 主供液系统 主要 由乳化液泵站、 主供液管路 、 主 回 液管路 、 支路供液管路 、 支路 回液管路组成。其 中乳化 液泵站是液压能装置 ．是液压支架液压系统最重要 的 部件 主供 液系统是通过乳化液泵站 向系统 中输送高 压工作 液来保证液 压支架所有 液压执 行机构 的功能 的 ． 而供液及 回液管路主要是作为传输乳化液 的桥梁。 主供液系统的 A ME S i m模型如图 2所示 图 2主 供 液 系统 AMESi m 模 型 主供液系统装置 了 2台乳化液泵 ．当乳化液泵 向 系统供液时 。 2台同时工作 当液压支架停止用液或其 他原 因使供液压力超过 自动卸载阀的调定压力时 ． 卸 载阀 自动卸载 ．将泵排 出的乳化液直接卸载回乳化液 箱 ．使乳化液泵在空载下运行 。这样不但可以节能省 图 1 液压支架液压原理图 59 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 4年 第 0 2期 电， 而且还可 以延长乳化液泵 的使用寿命 ； 交替阀可通 过对高压 液体进行 隔离来对 处于备用状 态 的乳 化液 泵 、 卸载阀等液压元件进行检修 ； 截止阀主要用在维修 单节支架或支架液控系统 出现泄漏时 溢流 阀是为 了 防止当乳化液泵站 的卸载阀失灵 时．系统的压力升高 而造成泵 的过载 回液断路阀是为 了防止支架在降柱 时影响其他支架立柱 的支撑状态 2 - 2主要 回路 系统 建模 按 照支架的工作过程和动作元件 ．可将支架液压 系统分 为立柱控制 系统 、推移控制 系统和千斤顶控制 系统。立柱 、 推移和千斤顶控制 回路包括支柱、 千斤顶 活塞腔的锁紧 、限压 回路和打开支柱与千斤顶活塞腔 液路的控制 回路 。液压支架的千斤顶包括前梁 、 平衡 、 护帮 、 提座、 侧推 、 仲缩、 尾梁和底调千斤顶等。这类 千 斤顶的控制系统一般 由油缸加上一些必要的液压阀组 成 这而主要介绍支架液压系统的主要 回路系统及其 建 模 。 对于大采高支架来说 ．快速移架是保证正常工作 的关 键问题 ． 因此 。 本文就支架 的快速移架 回路进行 了仿真建模 ．液压支架快速移架 回路系统模 型如 图 3 所 示 图 3液压 支 架 快 速 移 架 回路 系统 模 型 上 图所示主要包括立柱 、推移油缸和抬底千斤顶 在 内的液压系统模型 回路 ．通过对其进行仿真来评估 系统整体性能 。这里 只对快速移架回路 中的立柱系统 回路进行仿真。 2 ． 3仿真 结果 分 析 为进一步改善系统设计 ． 在仿真过程 中． 改变系统 中各液压元件 的相关参数来观察其工作状态 ．仿真结 果如图 4 ～ 图 8所示 图4 ～ 图 8是立柱 回路系统正常工作状态和不正常 工作状态时的各种现象 ．通过分析其液压系统工作原 6 0 理， 根据液压系统可靠性工程分析方法 ， 利用 F M E A 故 障模式影 响分析可靠性系统分析方法对立柱 回路进 行可靠性分析 ．以便提 出改进措施进一步优化该系统 回路。 3 2 2 蔷 31 2 图 4主供液路工作压力 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 0 0 5 o 0 5 o o 5 0 0 t } s 图 5主供液路流量变化 5 0 0 5 0 0 6 5 0 0 5 0 0 4 5 0 0 5 0 0 2 ；5 0 0 5 0 0 0 5 0 04 9 9 8 5 0 04 9 9 6 5 0 0 4 9 9 4 图 6立柱工作压力 图 7立柱工作流量变化 6 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 O 图 8立 柱 卡 死 时 溢 流 阀 溢 流 量 变 化 3结 论 本章主要利用 AM E S i m液压 系统仿真建模软件对 该支架的快速移架 回路进行 了液压系统建模 ．并对其 中的立柱 回路系统进行了仿真分析 。得到了其 正常情 况下正常工作 的一些动态特性 图为了对液压 系统进 一 步 的可靠性分析 ．在 已建好 的仿真模型的基 础上进 行 。 设置不正常工作的一些 因素 ， 观察期工作状态 ， 得 到了相关的动态特性图。 参考文献 『 1 1 张笑 ， 胡元 ， 秦 家升 ， 等． 基 于 A ME S i m 的液压千 斤顶优化 仿 真探究【 J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 2 ， 3 3 1 1 4 9 5 0 ． 『 2 1 王 巍 ， 武 守彦． 基 于 A ME S i m 的液压 支架快速 移架速度 分析 [ J 】 ． 煤矿机械 ， 2 0 1 2 ， 3 3 6 1 1 3 1 1 5 ． 『 3 ] 方 彦凯． A M E S i m软件 在液压支架立柱 系统建模及仿 真 中的 应用[ J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 7 5 7 5 8 ． 1 舒凤祥 ， 闫海峰 ， 张幸福． 液压支架立柱 试验 台液压系统 的设 计与及仿真【 J ] ． 煤 矿机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 1 2 2 9 3 1 ． [ 5 ] 胡敏． Z Y 8 8 0 ／ 1 7 ／ 3 5 D型液压支架液压 系统设计 [ J ] ． 煤矿 机械 ， 2 0 0 9 ， 3 0 9 1 5 7 - 1 5 9 ．