Hydraulics的井下巷道吊装转载装置液压系统动力学仿真研究.pdf

基于 A D AMS ／ Hy d r a u l i c s 的 井下巷道吊装转载装置 液压系统动力学仿真研究 党静王荣泉 西安重装韩城煤矿机械有限公司 韩城7 1 5 4 0 0 摘 要通过三维 C A D软件 S o l i d Wo r k s 进行三维实体建模，并基于虚拟样机软件 A D A MS中的 H y d r a u l i c s 模 块 ，对井下巷道吊装转载装置进行了液压系统虚拟样机的建模与动态仿真，分析了该装置中提升液压缸进行提 升与下降等动作时的动力学特性。 关键词吊装转载装置；提升液压缸；A D A M S ／ H y d r a u l i c s ；仿真 中图分类号T D 5 6 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 0 7 8 5 2 0 1 5 0 1 0 0 3 9 0 4 Ab s t r a c t 3 D s o l i d mo d e l i n g i s ma d e b y t h e 3 D C AD s o f t wa r e ． S o l i d W o r k s ．Mo d e l i n g a n d d y n a mi c s i mula t i o n a l e p e r ． f o r me d f o r t h e v i r t u a l p r o t o t y p e o f h y d r a uli c s y s t e m of t h e mi n e h o i s t i n g a n d t r a n s f e r r i n g d e v i c e． i n o r d e r t o a n a l y z e d y n a mi c p r o p e r t i e s wh e n t h e l i f t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r i s i n l i f t i n g a n d l o we r i n g o p e r a t i o n ． Ke y wo r d s h o i s t i n g a n d t r a n s f e r r i n g d e v i c e；l i f t i n g h y d r a u l i c c y l i n d e r ；ADAMS ／ Hy d r a u l i c s ；s i mu l a t i o n 0 引言 随着煤矿综合机械化采掘的发展，大型机械 设备 如液压支架 、掘进机 、采 煤机等 因其在 矿井支护 、采掘 等方 面的优越性 日渐 突出，应用 越来越广泛 ，这些设备的运转装载也越来越频繁。 随之而来 出现了如下一系列 问题 1 由于井 口空 间的限制，给大型机械设备的成套下井运输带来 了很大麻烦 ；2 由于大型液压支架等大型设备 的 部件质 量都 很 大 如液 压支 架 的单 个梁 质 量约 2 ． 5 t ， 这给井下 大型设备 的起 吊、转载 、装配、 维修等工作都带来了极大的麻烦；3 在某些矿井 中，由于历史 的原 因，导致井上井下 的运输轨道 轨距不同 如罐笼内轨距 6 0 0 m m，井下运输巷道 标准轨距 9 0 0 m m等不可调和的矛盾。 井下巷道吊装转载装置能够进行液压支架等 大型设备 的起 吊、换装 、转载 ，给这些大 型设 备 的运输和使用带来了极大的方便。由于该装置起 吊设备的质量都比较大，并且关系到井下作业人 员的安全，因此，有必要对其液压系统的动力学 特性进行仿真研究 。而 A D A MS软件能够在 同一界 面下实现机械系统、液压 系统甚至控制 系统的协 都有一定 的积极意义。 参考文献 [ 1 ]陈庆为，黄国庆，李春，等．蜗轮丝杆升降机优化设 计 [ J ] ． 起重运输机械 ， 2 0 1 3 ， 6 5 5 5 7 ． [ 2 ]刘淑芬．基于 S o l i d Wo r k s 的减速器拆装及工作原理动 态仿真[ J ] ． 辽宁工业大学学报，2 0 0 9 ，2 9 3 1 7 8 1 8 0． [ 3 ]谢志平．基于 S o l i d Wo r k s 和 G e al T r a x的蜗轮蜗杆三维 建模及运动仿真 [ J ] ． 贵州师范大学学报，2 0 1 2 ，3 0 2 1 0 31 0 5 ． [ 4 ]濮良贵，纪名刚．机械设计 [ M] ． 北京高等教育出 起重运输机械 2 0 1 5 1 版社 ，2 0 0 6 ． [ 5 ]王莺，叶菁．基于 S o l i d Wo r k s的齿轮减速器三维设计 及运动仿真[ J ] ． 煤矿机械，2 0 0 9 ， 3 0 9 2 3 4 2 3 6 ． [ 6 ]刘晓琴 ，丁杰．基于虚拟样机技术的齿轮泵设计[ J ] ． 机床与液压，2 0 0 9 ，3 7 7 2 3 0 2 3 2 ． [ 7 ]许尤立，杨小刚．减速器虚拟样机的建造与仿真分析 [ J ] ． 煤矿机械，2 0 1 2 ，3 3 1 0 2 4 5 2 4 8 ． 作 者 苗玉刚 地 址汉中市汉台区朝阳路陕西理工学院南校 区陕西 省工业 自动化重点实验室 邮 编 7 2 3 0 0 1 3 9 同实时仿真。应用 A D A MS软件及其 H y d r a u l i c s 模 块 ，对井下巷道 吊装 转载装 置的液压系统进行仿 真研究 ， 其结果对实际系统的设计与分析研究具有 一 定的参考价值。 1 井下巷道 吊装转载装置的工作原理 井下巷道 吊装转载装置 由钢 架结构 、液压支 架本体起 吊机 构、前尾 梁提 升机 构、连接 钢件 、 液压泵站等部分组 成。在井下巷道适 当位置提前 布置 4组钢架结构 ，两两 由钢件连接成一个整体 ， 液压支架本体起 吊机构 布置在 中间两组钢架结 构 上 ，前尾梁提升机构布置在前后两组钢架结构上 ， 如图 1 所 示 。 1 ．钢架结 构2 ． 液压支架本体起 吊机构 3 ．前尾梁提升机构4 ．连接钢件 5 ．双向液压 缸6 ． 上下 提升液压缸 图 1 井下巷道吊装转载装置 基本动作原理 当液压支架本体 等大型设备 的部件运输到该装置下方后 ，操 作液压泵站 的换 向阀手柄，液压支架本体起 吊机构的上下提升液 压缸动作 ，使活塞杆下端 的 4个 吊钩钩紧液压支 架本体。然后控制 上下提升液压 缸的活塞杆 向上 移动 ，起 吊液压支架本体到适 当位 置，并更换板 车至适当位置 ，控制双 向液压缸 ，带动液压支架 本体，移至新板车上方。控制上下提升液压缸， 活塞杆缓 慢下移 ，将液压支架本体平稳放在新板 车上。井 下 巷道 吊装 转 载装 置 液 压 系统 如 图 2 所示 。 将前尾梁起 吊机构 的小 吊钩通过绳索钩 紧前 ．．． 4 0 ．．．． 1 ．上下提升液压缸2 ．双液控单 向阀 3 ．背压阀4 ．手动换 向阀5 ．推力液压缸 6 ．双向液压缸7 ．双单向节流阀 图 2 井下巷道 吊装转载装置液压系统原理图 梁或尾梁 ，操作 液压泵站 的换 向阀手 柄，控制推 力液压缸活塞杆带动 吊绳 向伸 出方 向移动 ，使下 端的吊绳通过起 吊倍乘机构 中间的大滑轮向上 收 起 ，从而带动 吊钩和前梁或尾梁 上移。然后进行 装配 、维修 等工作 ，装配完 成后 ，操纵 手柄 ，使 液压缸、吊绳和吊钩复位。 2 模型的建立与仿真分析 上下提升液压缸作为井下 巷道 吊装转载装 置 的提升部件 ，直接拖动着沉重 的负载 ，活塞上 升 下降的可靠性 、平稳性 都影 响着起 吊工作 的安 全 性 ，即活塞的动态特性直接影响着整个装置 的使 用性能。因此 ，应用 A D A MS中的 H y d r a u l i c s 模 块 对液压支架本体起 吊机构 的上下提升液压缸及 其 液压 回路进行建模仿真分析。 2 ． 1 液压支架本体起 吊机构的三维实体建模 利用 S o l i d Wo r k s 提供的拉伸 、旋转 、放样 、扫 描等操 作命令建 立各零 部件 模 型，包括 预埋件 、 钢架结构 、上 下提升液 压缸 、双 向液压缸 、液 压 缸游移座等 ，然后按照各零部件间的配合关系，采 用 自底 向上 的装配技 术对各零件 的三维实体模型 进行装 配 ，得 到 整机 的三 维 实体 装 配 模 型。在 S o l i d Wo r k s 软件中将液压冲击破碎装置装配体文件 另存为 P a r a s o l i d中的 ～一t 格式 图形文件 ，然后导 人 A D A MS中 J 。导 入后 ，分别定 义各 零件 的材 起重运输机械 2 0 1 5 1 料 、弹性模量 、泊 松 比、密度 等性 能参数 。最后 在导入的装配体几何模型上添加标记点， 系统将 自 - 动根据其几何关系， 计算出各点坐标 。液压支架本 体 起 吊 机 构 在 A D M A S 中 的 三 维 图 见 图 3 。 固 图 3 液压支架本体起吊机构在 A D M A S中的三维图 图4 在 A D A MS ／ H y d r a l i 下建立的液压系统图 2 ． 2 液压支架本体起吊机构的液压系统建模 在 A D A MS ／ V i e w 环 境 中，采 用 A D A MS ／ H y ． d r a u l i c s 模块中的图形符号对液压支架本体起 吊机 构的液压系统进行建模 。 1 加载 A D A MS ／ Hy d r a u l i c s 模 块及设 置 液压 环境 从 T o o l 菜单 中选择 P l u g i n Ma n a g e r ，选择相应 的多选按钮 L o a d 、L o a d a t S t a r t u p加载 A D A MS ／ H y ． d r a u l i c s 模块。 2 建立液压回路 在 A D A M S ／ H y d r a u l i c s 环境下建立液压回路， 设 置环 境 参 数 ，创 建 液 体 、油 箱 、压 力 源 、方 向控制 阀 、平 衡 阀 、单 向 阀、液压 缸 ，并 进行 液压 元 件 参 数 设 置 ；然 后 在 Hy d r a u l i c s下 使 用 C o n n e c t 命令 ，依次选 择 液压 元件 的端 口，将选 定 的液压 元件 连 接 到一起 ，将 液压 回路 虚 拟连 接到 机 械模 型上 ，进 行 静 力学 和运 动学 分 析 ， 如 图 4所示 。 在液压系统 回路 中，通过控制 函数 控制液压 流 量 ，采 用 阀芯 控 制 函数 S t e p t i m e ，0 1 2 ，0， 0 1 4，1 S t e p t i m e ，1 1 0 ，0 ，1 1 4， 一2 S t e p t i m e ，2 1 0，0 ，2 1 2 ，1 ，控 制液 压 阀并 驱 动上下提升液压缸完成预定的运动。 2 ． 3仿真结果及分析 在创建离合器液压回路前 ，创建速度驱动来驱 动机械系统获得基本数据。再对驱动做无效处理， 起重运输机械 2 0 1 5 1 图5 件 2 7与件 3 0的 l ， 轴运动曲线叠加图 设计液压 回路产生与驱动效果一致 的力。设置仿 真时间为 1 2 5 S 、步数为 5 0 0 0，进行动力学仿真。 由图5上下提升液压缸仿真速度曲线图可知，运 动 中液压缸最大伸 出速度为 0 ． 2 7 m ／ s ，最大 收缩 速度为 0 ． 5 0 m ／ s 。 图5中件 2 7的运动曲线和件 3 0的运动曲线完 全重合在一起，说明上下提升液压缸 件 2 7 、件 3 0 在设置相 同函数 的环境下进行仿 真时 ，运动 完全一致 ，因此只需要分析件 2 7的运动 曲线 ，分 析结果见图 6 。 图 6中细实线代 表零件 的位移 曲线 ，虚线代 表零件的速度 曲线 ，点 型线代表零 件 的加速度 曲 线。由仿真曲线可以得 出以下结论 从图 6 a件 2 7的 y轴运动 曲线可知 ，件 2 7在 开始工作之前 0～ 5 s 时，向上运动了0 ． 1 m，到达 了行程 的初始 位置 ，其 速度 最大值 为 0 ． 0 3 m ／ s ， 达到了设计指标 0 ． 0 2～ 0 ． 0 3 m ／ s 。件 2 7在每个动 作的启动和停止时的加速度如表 1 所示 。 一 4l 一 表 1 活塞杆件 2 7 加速度跳动最大最小值统计裹 时间／ s 2 5 1 8 2 1 动作 启动 停止 启动 停止 空载 最大值／ m s 1 ． 3 5 1 81 0 。 O ． 0 0 6 0 ． 0 1 0 1 0 ． O 0 4 1 空载 下降 提升 最4 , f ／ I n s 一 0 ． 0 1 0 1 一 O ． O O 4 1 2 ． 7 1 0 51 0一 一 O ． o o 6 时间／ s 1 3 1 7 6 1 0 带负载 最大值／ m s 一1 ． 6 9 2 51 0 0 ． o o 6 0 ． 0 1 0 1 0 ． O O 4 l 带负载 下降 提升 最t b i l ／ m s 一 0 ． 0 1 0 1 0 ． O O 4 1 1 ． 3 9 4 2 x1 0 一 一 0 ． 0 0 6 注表中正负号对应于 y轴正方向 竖直向上和负方向。 0．025 薅 -0 ． O1 5 --0 D 2 ] -002 5J 时间 b a 件2 7的 y 轴运动曲线图 b 件2 7的 轴运动曲线图 c 件 2 2的 轴运动曲线图 图6 仿真运动曲线分析 从表 1中可以看出，系统运行时的受到的冲 击 比较小，整机运行比较平稳 。 由此可见，此次的运动优化仿真完全实现了 各项优化 目标，达到了预定仿真 目的要求，取得 了优越的运动过程 。 一 42 3 结论 通过分析仿真结果，可见该系统的上下提升 液压缸在重载下降时速度比较平稳，缓冲力比较 小，整个系统运行良好，不存在设计缺陷。通过 更深入的分析，液压缸下降过程中起到重要作用 的是在上下提升液压缸的下降回路上所安装的背 压阀，该阀在降低系统压力波动、稳定系统回液 压力等方面有着重要作用，能使重物平稳、安全 的下降，在系统中起到了安全阀的作用。仿真过 程中，将 S o li d Wo r k s 三维建模软件和 A D A M S 仿真 软件相结合，进行联合建模仿真，验证并优化了 井下吊装转载装置的液压系统，为该液压系统的 设计提供重要的参考。 参考文献 [ 1 ]王荣泉，寇子明，李新东 ．井下巷道吊装转载系统的 设计与应用[ J ] ． 煤矿机械，2 O l 1 4 ． [ 2 ]王荣泉 ．井下吊装转载系统研究[ D] ． 太原 太原理工 大学，2 0 1 1 ． [ 3 ]刘小平 ， 郑建荣， 朱治 国，等 ．S o l i d Wo r k s 与 A D A M S 之 间的图形数据交换研究[ J ] ． 机械工程师 ， 2 0 0 3 1 2 ． [ 4 ]李增刚．A D A MS 入门详解与实例 [ M] ． 北京国防工 业出版社， 2 0 0 6 ． [ 5 ]陈立平，张云清，任卫群，等 ．机械系统动力学分析及 A DM A S应用教程[ M] ． 北京清华大学出版社， 7 ． 0 O 5 ． 作 者 党静 地 址陕西韩城西安重装韩城煤矿机械有限公司 邮 编 7 1 5 4 0 0 收稿 日 期 2 0 1 4 0 6 2 2 起重运输机械 2 0 1 5 1 一 ， 掬 7，、、、l。 e． 目 } s