乳化液泵站液压系统设计及基于AMESim系统建模仿真分析.pdf

Hv d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 3 ． 2 0 1 2 乳化液泵站液压系统设计及 基于 A M E S i m 系统建模仿真分析 宋 磊 车 鹏 张 力 吴少非 1 ． 中国矿业大学 北京 机电与信息工程学院机械系 ， 北京1 0 0 0 8 3 ； 2 ． 北京中冶设备研究设计总院有限公司， 北京 1 0 0 0 2 9 摘要 介绍了一种 自行设计的乳化液泵站液压系统 。 对系统的工作原理 以及流量 自动卸载子 系统进行了阐述 。 并运用 A ME S i m系统仿 真软件 ， 对本液压系统进行建模仿真 ， 对仿真结果进行了分析 ， 得 出了影响乳化液泵站液压系统稳定运行的关键 因素。 关键词 乳化液泵站 ； 液压系统 ； 自动卸载系统 ； 蓄能器 ； 仿真 中图分类号 T H1 3 7 ． 9 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 2 0 3 - 0 0 3 9 0 3 Mo d e li n g a n d S i mu l a t i o n A n a l y s i s o f E mu l s i o n P u mp H y d r a u li c S y s t e m De s i g n a n d S y s t e m Ba s e d o n AM ES i m S O N G L e i C HE P e Z H A NG L i WU S h a o - f e i 2 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 I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t y o f Mi n i n g T 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 ． B e i j i n g Me t a l l u r g i c a l E q u i p m e n t R e s e a r c h D e s i g n I n s t i t u t e C o ． ， L t d ． ， B e i j i n g 1 0 0 0 2 9 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e p a p e r i n t r o d u c e a s e lf d e s i g n e d h y d r a u l i c s y s t e m u s e d f o r e mu l s i o n p u mp s t a t i o n a n d d i s c r i b e t h e h y d r a u l i c s y s t e m w o k s a n d fl o w a u t o ma t i c a l l y u n l o a d s u b s y s t e m， a n d u s e o f AME S i m s y s t e m s i mu l a t i o n s o f t wa r e ， mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m， a n d a n aly s i s e d t h e t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s ， a n d o b t a i n e d t h e t h e k e y f a c t o r o f t h e e mu l s i o n p u mp h y d r a u l i c s y s t e m for s t a b l e o p e r a t i o n ． Ke y W o r d s e mu l s i o n p u mp s t a t i o n ； h y d r a u l i c s y s t e m； a u t o ma t i c a l l y u n l o a d s u b s y s t e m；a c c u mu l a t o r ； s i mu l a t i o n 0 引言 我国是以煤炭为主要能源的国家 ．煤炭在国民经 济发展中占主要地位。液压支架作为综合机械化采煤 工作的主要配套设备 ，占到综采装备总资金的 7 0 ％以 上 ， 是综采工作面能否实现高产高效的关键设备。乳化 液泵站是支护设备的动力源泉 ，其额定流量和供液压 力直接影响到液压支架的移架速度 ，而其工作状态好 坏直接影响到全矿井的生产。因此 。 从降低制造成本和 使用费用 ，以及提高乳化液泵站工作效率和稳定性来 讲 ， 对乳化液泵站的研究有着极其重要的意义。 1 乳化液泵站 的液压系统 1 ． 1 液压系统的组成 泵站的液压系统原理如图 1 所示， 本乳化液泵站液 压系统包括 乳化液泵两 台 一台工作 、 一 台备用 、 油 收稿 日期 2 0 1 1 - 0 9 2 2 作者 简介 宋磊 1 9 8 7 一 ， 男 ， 山西人 ， 中国矿业大学 北京 硕士研究生 ， 主要研究方 向为流体传动与控制 。 箱 、 回液断路器 、 吸液断路 器 、 自动卸载 阀 、 压力表开 关 、 胶囊蓄能器 、 交替双进阀、 过滤器。 1 一 吸液断路 器2 一 泵3 一 手动截 止阀4 一 主阀节流孔 5 一 单向阀6 一 去支架街头7 一 胶囊蓄能器 8 一 交替双进液 阀9 ～ 压力表开关1 0 一 主阀 l l 一 先导阀 l 2 一回油断路器 1 3 一 网式过滤器 1 4 一 磁性过滤器 l 5 一 支架 回油接头 图 1 乳化液泵站原理图 泵作为泵站系统的核心设备 ，为整个 系统提供乳 化液 ， 以满足系统所需要 的压力和流量 ； 油箱的主要功 能是存储油液 、 散热 、 分离气体及沉淀污物等 自动卸 39 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 2年 第 3期 载阀的作用是保证泵站能够在工作需要时满足供液要 求 ， 不需要乳化液时泵能 自动卸载 ， 当工作面再次需要 乳化液时， 能 自动恢复供液。 1 ． 2 泵 站液压 系统 的工作 原理 乳化液经过吸液断路器进入乳化液泵 的吸液腔 ， 打开手动卸载阀 ， 泵可以启动 ， 柱塞的连续运动完成 了 连续的吸液 、排液 ，排 出的液体经管路进入 自动卸载 阀， 同时进人蓄能器。进入 自动卸载阀的乳化液经手动 卸载阀流回油箱 ， 泵空载运行。如果液压执行元件的阻 力达到卸载阀的调定压力时 ，或者工作面不需要用液 时 ， 系统压力增高 ． 主阀芯开启 ， 泵排 出的压力油经主 阀流回油箱。泵空载运行时， 由于前后腔的压力差而导 致单向阀迅速关闭。只有在系统压力下降到先导阀调 定压力的 7 0 o ／ d t ， 先导阀在弹簧的作用下关 闭， 主阀后 腔和前腔的压力平衡 ， 在弹簧力作用下主阀关闭。泵的 压力开始上升， 并打开单向阀向系统供油。 正常情况下 ， 工作面靠单台泵运转就能满足要求 ， 但是遇到 冒顶时 ， 需要多台液压支架同时动作 ， 泵的流 量不能满足需要时， 就需要打开交替双进阀 ， 两个泵同 时供油 。两台泵的性能参数应一致 ， 并且卸载阀的调定 压力也应相等 ， 否则两台泵会相互干扰 ， 出现 “ 互相挤 压 、 液压对顶 、 压能损耗” 等现象。 1 ． 3 流量自动调节的卸载 系统 泵站液压系统 的设计 ． 采用了专门设计 的卸载阀， 能够实现泵与系统及卸载回液之间的 自动切换。当系 统需要供液时，乳化液经卸载阀内的单向阀为液压支 架供液； 当系统的压力高于卸载阀的卸载压力时 ， 卸载 阀动作 ， 使乳化液经卸载 回路流回油箱 ， 卸载 阀内的单 向阀在系统高压下 自动关闭，高压系统维持在高压状 态 ． 泵处于空载状态运转 当液压支架液压系统压力下 降至卸载阀的恢复压力时 ，卸载阀动作并切断卸载 回 路 ， 这时乳化液泵向整个系统供油。卸载阀的使用避免 了泵站地频繁启停． 增加了泵的使用寿命 。 2 乳化液泵站液压系统 的仿真分析 2 ． 1 AME S i m 软件 介绍 A M E S i m是 由法国 I MA G I N E公司推出的一款专门 用于工程系统的建模 、 仿真、 稳态 、 动态分析软件。该软 件的建模语言是基于图标符号的图形化建模方式 ， 用 户可以 自己为系统设定一个简明易懂 的非标准符号。 并且可 以通过在完整的应用库 中选用这些具有特定物 理意义的图形符号来构建复杂的系统模型 ，同时通过 对参数的设置对系统进行优化。进行系统建模时一般 要通 过以下 四个模式进行 方案模式 、 子模型模式 、 参 数模式 、 运行模式。 2 ． 2 基 于 A ME S i m 进 行建 模 首先 ， 进入 A ME S i m软件 的方案 S k e t c h 模式 ， 根 据乳化液泵站 的液压系统 图， 选取对应的元件库 ， 在方 案模式中建立相应的液压模型。如图 2所示。 图 2泵 站 液 压 系 统 AMES i m 模 型 模型搭建完成以后进入子模型 S u b m o d e 1 模式， 给 系统元件选择子模型。然后进入 A ME S i m软件的参数 P a r a m e t e r 模型 ． 对模型选取 的所有元件进行参数设 置 。主要参数设置如下 电动机的转速为 1 5 0 0 r ／ mi n ； 泵 的额定压力为 3 1 ． 5 MP a ； 额定流量为 3 1 5 L ／ mi n ； 公称排 量 为 2 0 0 mL ／ r e v 蓄能器压力设定 为 2 5 MP a ； 液压缸缸 径为 2 2 0 mm， 活塞直径为 1 7 5 m m， 行程为 6 0 0 mm。 最后 ， 进入运行 R u n 模式 ， 对已经建好的模 型进 行仿真，设置仿真时间为 5 s ，为了达到理想的仿真效 果。 将通信时间间隔设置为 0 ． 0 1 s ， 这样仿真时间相对较 长， 但仿真结果较为准确。 2 ． 3 仿 真 结果与 分析 如图 3和图 4所示 ，分别为仿真后 的乳化液泵站 的液压 系统 压 力 和流量 曲线 。泵 站 系统 的压 力 随着 时 间的变化不断升高 ， 然后卸载阀开启进行卸载 ， 直到系 统压力稳定至恢复压力后 ， 卸载阀关闭， 系统进入下一 个工作循环。由于卸载阀的频繁启停 ， 泵站系统的流量 呈 现 出波 动 ， 最 后趋 于稳定 。 图 3 泵站系统压力 曲线 图 4泵站系统 流量 曲线 下转第 5 5页 Hv d r a u l i e s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ．3 ． 2 01 2 图 6用 标 准 气 缸 进 行 改进 之 后 的制 动 器 提到的化纤厂反映 ， 由于牵伸机的工况 比较恶劣， 因此 电力液压块式制动器上的电力液压推动器经常会出现 故障。电力液压块式制动器一旦出现故障， 据该化纤厂 反映 ． 必须更换上面的电力液压推动器 ， 而电力液压推 动器的采购周期又非常长 ，从而严重影 响了正常生产 的进行 ， 并且会造成了很大的经济损失。 4 用标准气缸进行改进之后的制动机构 为了从根本上解决原牵伸机制动机构在使用过程 中存在的问题， 必须对该制动机构进行改进。在改进方 案设计过程中， 经过深入研究并与用户沟通 ， 我们决定 用普通标准气缸取代原制动器上 的电力液压推动器 。 同时保留带制动轮的联轴器 以及原制动器上除电力液 压推动器之外的其余零件 见图 6 。改进方案确定之 后 ． 我们根据原制动器的额定制动力矩 、 联接尺寸等参 数选择 了合适的气缸 ， 并配备 了节 流阀、 电磁换 向阀 、 消声器 、 气源处理三联 件 、 气路软管 、 软管接 头等气路 元件 ，同时还专 门设计了气缸前后两头与原制动器之 间的联接零件。 ● 一 - - ■ 一- ■ 一一 上接第 4 O页 ‘ 泵站系统在整个工作过程中，处于升压一 卸载一 升 压连续运行状态 。当系统的压力高于卸载阀的卸载压 力时 ， 乳化 液泵卸载 ， 处于空载状态运转 ； 当系统压力 下降至卸载阀的恢 复压力时 。卸载阀动作并切断卸载 回路， 这时乳化液泵向整个系统供油。 系统 的频繁换向以及乳化液泵的流量不均 匀 。 是 系统压力波动的主要原因。这种波动对泵站的影响很 大， 高压蓄能器是为了吸收压力脉动 以及流量脉动 。 因 此 ， 设置蓄能器能够降低乳化液泵的卸载频率 ， 使系统 的运行较为稳定。 3 结语 本文介绍 了自行设计 的乳化液泵站系统。对系统 的工作原理以及流量 自动卸载系统进行 了介绍 ．并基 到 目前为止 ，这种采用普通标准气缸进行驱动的 制动机构 已在用户现场连续使用 了三年 ，使用情况 良 好 ， 从未 出现过任何故障， 可靠性很高。此外 ， 又因为该 机构具有外观新颖 、 结构简单 、 维护方便 、 节能环保 、 气 缸更换成本低廉等优点 。 因此深受用户好评 。 5 结束语 进入2 1 世纪以来 。随着市场经济的蓬勃发展和纺 织科技的 日新月异 ，全国涌现出许多从事瓶片式涤纶 纺丝的小化纤厂。这些小化纤厂的兴起 ， 在推动纺织行 业快速发展的同时 ．也有力促进 了气动元件 的推广和 应用。本文从实际出发 ， 以某小化纤厂涤纶短纤维生产 线上的切断机压轮机构 、牵伸机制动机构的改造过程 为例 ．阐述 了两种标准气缸在涤纶设备上的成功应用 以及所发挥的独特作用 ，为气动元件在其他纺织设备 上进一步推广和应用提供了有益的借鉴。 参 考文 献 【 1 】 高德强， 周利丽． 普通气缸实现任意位置停 留 、 断气 回复中位 的方法[ J 】 ． 液压与气动， 2 0 1 0 1 ． 【 2 】 李清香， 丁时锋， 熊俭． P L C控制的多点气 动上料教学 系统 的 设计[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 1 ． [ 3 】 冯刚， 刘志峰， 张洪潮 基 于仿 真技术 的制动器效能研究[ J ] ． 机 械工程师。 2 0 O 8 7 ． [ 4 ] 成大先． 机械设计手册[ MI ． 北京 化学工业 出版社， 2 0 0 2 ． 【 5 ] 王 爱珍 ． 工 程材 料 及成 形技 术【 M】 ． 北 京 机械 工业 出版社 ， 2 0 03． [ 6 】 李鄂 民． 液压 与气压传动【 M】 ． 北 京 机械工业 出版社， 2 0 0 1 ． [ 7 】 曹 建东 ． 液 压传 动 与气 动技 术 【 M】 ． 北 京 北京 大 学 出版社 ， 2 00 f ； ． 于 A ME S i m系统分析软件 ，对本液压系统进行建模仿 真， 通过对仿真结果的分析 ， 分析了泵站系统中的 自动 卸载子系统以及高压蓄能器的作用 ，得 出二者的工作 性能对乳化液泵站液压系统的运行有着重要影响。 参考文 献 [ 1 】 曹春玲． 矿用乳化液泵站液压 系统[ J 】 ． 液压与气动 ， 2 0 0 8 8 ． [ 2 ] 曹春玲 ， 陈兰． 基于 A ME S i m 的乳 化液泵站液 压系统的仿 真 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 l 3 1 ． 【 3 】 方彦 凯． A ME S i m软件在 液压支架立柱系统建模和仿真 中的 应用[ J ] ． 煤矿开采 ， 2 0 0 9 7 ． 【 4 ] 李娟 ， 黄 自伟． 乳化液泵站保护系统的设计 工业控制 ， 2 0 1 0 9 ． 【 5 】 刘广龙． 乳化液泵站 自动控 制装 置研 制及应用[ J ] ． 山西煤 炭 ， 2 0 1 0 5 ． 55