梭车液压提升回路动态特性研究.pdf

2 0 1 1年 1 0月 第 3 9卷 第 2 0期 机床与液压 MACHI NE T0OL ＆ HYDRAUL I CS Oe t ． 2 01 1 V0 1 ． 3 9 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 1 ． 2 0 ． 0 2 9 梭 车液压提升回路动态特性研究 赵 国栋 ，王成宾 1 ．煤炭科学研 究总院太原研 究院，山西太原 0 3 0 0 0 6 ； 2 ．太原理工大学机 电所 ，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要对梭车液压提升回路进行理论分析，在此基础上建立二级油缸回路的通用模型，研究提升回路的动态特性对液 压系统的影响并通过了现场验证 ，为进一步的理论研究与工程应用提供参考。 关键词梭车；提升回路；动态分析 中图分类号T D 4 0 文献标识码B 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 1 2 00 7 9 2 Re s e a r c h o n Dy n a mi c Cha r a c t e r i s t i c o f El e v a t i n g Cy l i nd e r Ci r c u i t o f Sh ut t l e Ca r ZHA0 Gu o d o n g ． WANG Ch e n g bi n 1 ． T a i y u a n I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a ； 2 ． M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l I n s t i t u t e ，T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e e l e v a t i n g c y l i n d e r c i r c u i t o f s h u t t l e c a r w a s a n a l y z e d ．O n t h i s b a s i s ，a c o mmo n mo d e l o f s e c o n d a r y c y l i n d e r c i r c u l t wa s b u i l t ．T h e e f f e c t o f e l e v a t i n g c y l i n d e r c i r c u i t o n h y d r a u l i c s y s t e m w a s s t u d i e d b y d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s i mu l a t i o n a n d t h e s i re- u l a t i o n r e s u l t s w e r e v a l i d a t e d b y e x p e ri me n t ． T h e r e s e arc h wo r k p r o v i d e s r e f e r e n c e f o r e n g i n e e ri n g r e s e arc h a n d a p p l i c a t i o n ． Ke y wo r d s S h u t t l e C a r ；E l e v a t i n g c y l i n d e r c i r c u i t ；Dy n a mi c a n a l y s i s ‘ 梭车液压提升 回路主要用于煤料的卸载，它是 液压系统 的 主要 组 成 部 分，也 称 卸 料部 升 降 回 路⋯。卸料部升降回路用来控制梭车卸料部高低 ， 便于梭 车卸载。该 回路主要 由卸料部 升降控制 阀 组 、平衡阀、卸料部升降液压缸组成。卸料部升 降 控制阀组 由一个手动三位六通换向阀、安全阀和单 向阀组 成 。安 全 阀根 据 系 统 需 要 调 整 到规 定 压 力 ；平衡阀是一个预先设定好弹力 的插装阀，这个 阀的开启压力在采购时提供给供应方即可 ，使用时 不需调节 ；输送机升 降油缸 为单作用双伸缩 液压 缸 ，靠卸料部 自重复位 。 1 提升回路构成及其原理 1 ． 1 提 升 回路 的控制 原理 当卸料部需要提升时，把卸料部升降阀的手柄按 下，斜料部升降阀换向，高压液压油从卸料部升降阀 流 到平衡 阀 ，经过平衡 阀内单 向阀 ，流人油缸 ，提升 油缸活塞杆推动卸料部一块升起 ，控制原理 回路如 图 1 。当油缸完全升出或卸料部有特殊情况卡死时，油 压达到卸料部升降阀组内安全阀设定的压力值时，安 全阀打开，高压油通过卸料部升降阀组内的安全阀把 油卸掉，对系统起到保护作用。卸料部完全升起后， 通过平衡阀内的单 向阀起到 自锁作用。在 自锁作用 下 ，卸料部不需要动力就可 以实现卸料部停 留在任何 一 个高度。升起的卸料部如果受到意外的冲击时，平 衡阀内的安全阀打开，对油缸起到保护作用，冲击结 束继续保持原有的状态，也实现了对现场人员的安全 保护 。 卸 料 部 缸 图 1 提升回路控制原理 1 ． 2降低回路的控制原理 当卸料部需要降低时，把卸料部升降阀的手柄拉 出，卸料部升降阀换向，高压油从卸料部升降阀通过 节流阀流到回油箱，同时从卸料部升降阀流出的这股 高压油也作为平衡阀的先导液压油。平衡阀的先导高 压油把平衡 阀组 内安全 阀打开 ，油缸 内的油通过安全 阀流回油箱 ，油缸通 过卸料 部 自重把油缸 活塞 压 回 ， 实 现卸料 部降落。 收稿 日期’ 2 0 1 0 0 9 2 7 作者简介赵国栋 1 9 6 6 一 ，男，本科，高级工程师，主要从事煤机研发与检修工作。Em a i l t y z g d 6 6 0 3 1 2 6 ． c o rn。 8 0 机床与液压 第3 9卷 2提升回路的建模 以 A M E S i m软件为平 台 ，建立 提升 回路模 型并进 行动态分析 。首先建立二级油缸和平衡 阀的元件模型。 2 ． 1 二 级 油缸 建模 二级提升油缸只有一个进油 口，其回落是通过卸 料部 自身的重力来实现 的。具体结构如 图 2 。 图 2 二级油缸结构 图 由结构 图可知 缸筒 、一 级 和二级 活 塞杆 之 间有 相对运动 。二级 活塞杆 内部有部分油腔死 区，具体模 型参数如下 一级活塞直径 1 6 0 m m，伸出长度 1 4 5 m m；二 级活塞直 径 1 2 0 m m，伸 出长度 1 3 5 m m。一 级活塞杆 的质量为 5 2 ，二级活塞杆 的质量为 1 9 k g ，油缸死 区为 9 9 3 e l T I ，其他参数这里不做叙述， 具体模型见图 3 。 图3 二级油缸的子模型 2 ． 2 平衡 阀建模 在 A ME S i m 软 件 液 压 元 件 库 中， 平衡阀由一个单向阀和模型库中 H V 0 1 子模型 的并联而 成 ，见 图 4 。 H V 0 1 压力 阀由 5个端 口组成 ，根 ‘ 据平衡 阀的实体模型及其使用情况 ， 现在把 1 、2口连接起来与单向阀的进 油 口组成 高压输入 油 口，3 、4油 口连 图4 平衡阀 子模型 接单 向阀的输 出口与油缸 的油 口连接 ，5端 口与节流 阀连接 ，通 过 调 节 节 流 阀 的 口径 大 小 实 现 压 力 阀 H V 0 1的开启 。具 体设置动力学关系为 S 4P 4 S 5P5～ S 2 P 2一P k v ■～ 式中 P 为 i 口对应 的压力 ； 为 i 口对应 的截 面积 ； p 为弹簧的预紧力； 为 阀芯的开 口量 ； P 为 阀完 全开启 的先导压力。 由上面的函数关系建立平衡阀的力学关系，对平 衡 阀进行设置 。 3提升回路动态特性研究 液压提 升 回路 主 要 由平 衡 阀 、二 级 油缸 、节 流 阀 、手动换 向阀组成 。在 回路 中已经建立 了平 衡 阀 、 二 级油缸 的子模型 。由上述的液压原理 图，可 以建立 如 图 5的动态模 型 。 图 5 提升 回路液压模型 换 向阀 和负 载输 人 的初始信号如 图 6 。其 中负载模拟特殊工况下 大于 自重 3～4倍 的冲 击 ，冲 击 时 间 大 约 是 1 S 。系统安全 阀的压力 为 1 5 MP a ，液 压泵 的排量 4 0 ． 4 m l Mr ，电机 的转 速 图6 初始输入信号 为 1 4 5 0 r ／ m i n ，其他参数这里不做叙述 。 从 图 6中阀芯的开 口量 可 以得到 0～ 8 s 液压 回路 处于 提升状 态 ，8～1 2 s 液 压缸处于保压状 态 ，1 2～ 2 0 s 液压缸开始靠 自重收回。 在输入信号中，油缸保压状 态时受到一个 自重 3 倍的冲 击 ，冲击 时 间为 1 S 。在动 图7 二级油缸位移 态分析过程 中，油缸在受到液压 冲击的 时候 ，油缸 中 的第二级只有几毫米 的下 降，这样可 以对 附近 的工作 人员进行保护 ，在冲击完毕 以后 ，油缸 继续保持 在另 一 个位置 。由图 7可以看到冲击前后油缸位移的变化 。 压力冲击时，此时系统受到一个尖峰压力，把平衡阀 下转第 8 3页 第 2 O期 王毅强数控液压辊式板材矫正机结构及原理研究 8 3 于设备维修调整时，防止压坏设备；1 0为高压溢流 阀，设定值 为 1 6 M P a ，正常 工作 时 ，Y V 7通 电 ，油 路压力 由此 阀调 定 ；1 1和 1 2为截 止 阀，正 常工 作 时 ，1 1 打开 ，1 2关 闭 ，维修 蓄能器 时关 阀 1 1 ，再打 开 1 2 ，将管路高压油释放到油箱 ，1 3为蓄能器安全 阀；1 6为压力开关 ，设定值 为 7 M P a ，正 常工作模式 下 ，油路压力低于此值时 ，设备报警停机 。 l 一温度开关 2 一油位开关 3 一外控限压式变量泵 4 一冷却器 5 一油泵 6 一 冷 却器7 一 带堵 塞保 护 出油过滤 器8 一 带堵塞 保护 回油 过滤器 9 一低 压溢流 阀l O 一 高压溢 流 阀l l 一截 止 阀 l 2 一 截止 阀l 卜 安全 阀 1 4 一蓄能器 l 5 一单向阀 l 6 一压力开关 l 7 一压力传感器 图 3 数控液压辊式板材矫正机液压系统原理图 电液伺服阀安装在靠近液压缸的位置，这样有利 于提高液压缸 一负载环节的固有频率；出油过滤器安 装在 蓄能器 之前 ，以 防止 电液伺 服 阀液 流 快速 变 化 时，带出过滤器中的脏物 ，降低过滤效果 ，同时考虑 对高频流量 的响应 。 2 ． 2 ． 2 液 压系统的工作 原理 如 图 3 ，当主油泵 3工作 时 ，输 出的油经 管道和 阀进入 4个 主油缸 和 蓄能 器 ，多余 的油 从溢 流 阀 1 0 排 回油箱 ，油路压力 由溢流 阀 1 O调 定 。矫 直过 程 中 带负载或空载 ，进入 4个主油缸的油液极少，带 负载矫直时，仅仅为了补偿挠度变形需要很少高压油 液 ，油泵 3输出的高压 油绝 大部分 通过 溢流 阀 l 0排 回油箱。为了降低这种无功功率，设计上采用外反馈 限压式变量 叶 片泵加 蓄能 器 的方式 蓄 能器 是为 了 提高快速响应能力 ，压力越高，油泵 3输出的流量 越小 。矫直单元4个角点的上下工作辊辊缝的调定和 保持恒定是通过电液伺服阀来实现的，这时，Y v 1 一 Y V 8的所有 电磁 换 向 阀均得 电，油 缸 中的 油通 过 电 液伺服阀进入。当设备出现过载 包括压力过载和 主传动电机扭矩过载，压力过载由压力传感器 l 7检 测及其他异常时，Y V 1 一Y V 8的所有电磁换向阀均 失电，蓄能器 1 4中的高压油液通过 Y v 4 一Y v 6的进 油 口进 入 油 缸 上腔 ，油 缸 下腔 油 液 通 过 Y v 4 一Y v 6 的回油 口回油箱 ，实现活 动横梁 的快 速抬升 ，Y V 1 一 Y V 3失电的同时，其单向阀防止活动横梁下落。 3结 语 与传统的机械式相 比 ，液压式具有无 可 比拟 的优 越性 ，是 目前及今 后较 长时 间 的理 想机 型。表现 在 矫正质量无懈可击 ，校平精度可稳定达到 0 ． 5 m m ／ m 以下 ，而机械式 校平精 度 只能达到 1 ． 0 m m ／ m 2以下 ； 同样 的辊 径 和辊数 下 ，可 校板材 厚度 范 围要 宽很 多 ； 具有完善可靠的过载保护，确保设备能长期稳定工作； 可方便实现与输送辊道、上下料装置等的联动控制。 上接 第 8 0页 ’ 打开，缸内的部分油液流出，缸内压力降低 ，平衡阀 又复位。在受到冲击前后，当冲击为系统负载 3 倍多 的时候 ，缸内压力却只升高原来的 3 0 ％左右。完全 满足系统的实际需要 ，从而达到保护工作人员和自身 液压 系统 的 目的。实 际工况 中的冲击要 比现在设 置的 小得多 。通过动态分析 ，完全可 以得 到液压 提升回路 的各个过程动态特性 。 4结 论 ‘ 液压提升回路要求安全系数 比较高，其应用场合 比较复杂 ，如果提升 回路发生故 障 ，突然 降落就会 砸 坏机器 的其他 元件 ，甚 至会 对工 作人 员 造成 人 身 事 故。为了降低故障提高生产效率 ，很有必要掌握提升 回路的动态特性。文 中通 过提 升液压 回路 理论研 究 ， 进 行动态特性分析 ，全面 认识 了提升 回路 中换 向阀 、 平衡 阀和油缸的位移等参数的相互影响 ，也为工程实 际应用 和新 机型的设计提供理论基础。 参考文献 【 1 】李春英 ， 樊运平． 一种新型短壁开采设备 T Y 9 F B型梭 车[ J ] ． 机械工程与自动化 ， 2 0 0 5 1 5 l 一 5 6 ． 【 2 】孙俊 ， 寇子明． 矿用安全型梭车的研究[ J ] ． 机械管理开 发 ， 2 0 0 9 6 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