硬岩掘进机截割升降回路液压冲击控制方法的研究.pdf

2 0 1 5年 1月 第 4 3 卷 第 2期 机床与液压 MACHI NE T OOL ＆ HYDRAULI CS J a n ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 0 2 ． 0 2 3 硬岩掘进机截割升降回路液压冲击控制方法的研究 牟东 ，李亚 ，温保 岗 1 ．三一重型装备有限公司，辽 宁沈阳 1 1 0 0 2 7 ；2 ．大连理工大学，辽宁大连 1 1 6 0 2 4 摘要介绍了某型硬岩掘进机截割升降液压回路的工作原理 ，利用 A ME S i m软件建立了该系统的仿真模型。通过模型 仿真和试验分析，得到了截割升降油缸无杆腔内液压冲击是平衡溢流阀组密封损坏的根本原因，并提出了密封损坏的解决 方案 。 关键词掘进机；液压冲击；密封；A ME S i m软件 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 2 - 0 7 0 4 S t u d y o n C o n t r o l Me t h o d o f Hy d r a u l i c I mp a c t i n C u t t i n g L i f t C i r c u i t o f Ha r d Ro c k I a dh e a de r MU Do n g ，LI Ya ，W EN Ba o g a n g 1 ． S a n y H e a v y E q u i p me n t C o ． ，L t d ． ，S h e n y a n g L i a o n i n g 1 1 0 0 2 7 ，C h i n a ； 2 ． D a l i a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， D a l i a n L i a o n i n g 1 1 6 0 2 4 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e w o r k i n g p ri n c i p l e s o f c u t t i n g l i f t h y d r a u l i c c i r c u i t i n a s p e c i f i c t y p e o f h a r d r o c k r o a d h e a d e r w e r e i n t r o d u c e d ． T h e s y s t e m s i mu l a t i o n mo d e l wa s e s t a b l i s h e d b y u s i n g AME S i m s o f t w a r e ． Th e r e s u l t s o f t h e s i mu l a t i o n a n d e x p e ri me n t s h o w s t h a t b a l a n c e r e l i e f v a l v e s e a l d a ma g e w a s d u e t o h y d r a u l i c i mp a c t i n c u t t i n g c y l i n d e r s b i g c a v i t y ．F i n all y ， t h e s o l u t i o n s we r e p r o p o s e d t o a v o i d s e a l da ma g e． Ke y wo r dsRo a dh e a d e r ；Hy d r a u l i c i mp a c t ；Se a l ；AMESi m s o f t wa r e 硬岩掘进机掘进 时 ．截割头受到 的随机载荷 ⋯以 力矩形式传递 至升降油缸。引起油缸 内的液压冲 击_ 2 ] 。升降油缸进出油 口处的平衡溢流阀的密封圈频 繁受 到高压 冲击而损坏失 效 如 图 1 所示 ，导 致截 割部 自动下 落 ，影 响掘进效率和危及人员安全 。 平 衡 阀 溢流 阀 密 封 损 坏 部 位 图 1 密封损坏部位示意图 如何合理设计液压 回路参数 以适应复杂多变 的井 下工况，降低故障率成为必须要面对的问题。通过整 机试验 的手段获得实际数据 的方法 因为需要付 出较大 的经济代价和井下煤安要求等原因而受到限制。文中 基于 A ME S i m建立某型硬岩掘进 机截割升降液压 回路 的模 型 ．通过数值仿真与实验研究 ，得到 了截割升降 油缸液压 冲击 的控制方法 ．从根本上解决密封损坏 的 问题 。 1 截割升降液压回路 如图 2 所示 ，某型硬岩掘进机截割升降 回路 由负 载敏感 变量泵 2 、多路换 向阀 3 、平衡 溢流阀组 4 、截 割升降油缸 5 组成 。 l 一 电机2 --Al l VO 2 6 0 L R D S 变 量泵3 一 多路换 向阀4 一平 衡 溢 流 阀组5 一 截 割升 降 油缸 图 2 截割升降 回路液压原理 图 收稿 日期 2 0 1 3 - 1 1 1 9 作者简介牟东 1 9 7 2 一 ，男 ，工学学士，工程师，研究方向为流体传动及控制。E - m a i l m o u d s a n y ． c o rn ． c n 。 第 2期 牟东 等硬岩掘进机截割升降回路液压冲击控制方法的研究 7 1 具体工作原理l 3 ] 多路换 向阀 3中位 。变量泵 2 的出口压力作用在负载敏感阀 L s阀的右端。克 服调定 弹簧 力 ，负载敏感 阀芯左移 ，出口压力油作用 于大 、小径活塞缸无杆腔，使斜盘角度减小至仅维持 变量泵 内部 泄漏流量所对应的角度 ，变量泵处于最小 排量 状态 ，出 口压力为负载敏感 阀的调定压力 。 多路换 向阀 3 换向 阀芯右移 ，油缸负载压力 作用于负载敏感阀左端弹簧腔，负载敏感阀芯右移， 阀 口开度减 小 。大径活塞 缸无 杆腔 的油液 压力 降低 ， 斜盘摆角增大，排量增大，出口压力上升。多路阀主 阀口压差等于负载敏感阀的设定压力时，斜盘受力平 衡 ．变量泵 出口压力等于负载敏感 阀设定压力 与负载 压 力之和。 当变量泵 出口压力上 升到恒 功率压力 拐点时 ，液 压一 机械式功率调节器开始作用 ．变量泵输 出功率始 终为定值，即 Pp‘q P p 变量泵 出 口压力 达到压 力切 断阀 的设定 压力 时 ． 压力 切断阀芯左移 ，变量泵出 V I 压力油进入大、小径 活塞缸的无杆腔 ，迫使斜盘摆角减小至几乎为零 ．此 时变量泵输出流量仅维持液压系统 的泄漏 ，处于高压 小流量状态 ．无溢流损失 多路换 向阀主要 由主阀和压力补偿阀组成。压力 补偿阀使通过主 阀口流量 的压力损失为定值 ，即通过 主阀1 3 的流量仅与主阀芯位移成正例．而与负载压力 无关 。 平衡溢流 阀组 由平衡阀 、溢流 阀组成 ．用 于保证 升降油缸动作稳定 ，卸荷 冲击压力 。 2 仿真与实验结果分析 2 ． 1 液 压 系统建模 液压系统仿真是检验系统性能的有效方法_ 4 ] 。 采用 A ME S i m软件建立的硬岩掘进机截割升降液压 回 路仿真模型如图3所示。通过 A M E S i m的控制库建立 负载敏感变量泵的子模型，通过 H C D库建立平衡 阀_ 6 ] 、多路换向阀主阀芯和压力补偿 阀芯的子模型． 通过平 面机构库建立截割部运动机构 的子模型 。 图3 截割升降液压回路仿真模型 参数设定 防爆 电机转速 1 4 7 5 r ／ m i n ，变量泵最 大排量 2 6 0 m L ／ r ，负载敏感阀设定压力 2 ． 5 M P a ．压 力切断阀设定压力 2 ． 5 MP a ，恒功率设定 1 2 0 k W，压 力补偿阀弹簧刚度 8 0 0 N ／ m m，平衡 阀开启压力 2 8 M P a ，溢流阀开启压力 3 2 MP a ，截割升降油缸缸径 2 2 0 m m，杆径 1 4 0 m m，截 割部 自身质 量 2 0 t ．初 始 位置为截割部水平 即油缸活塞杆位移 3 0 0 m m ， 其余参数均为实 际测绘尺寸 。 根据串并联原理推导阀口过流面积 ．得到多路 阀主 阀 口过流 面积 A P I A 、A ，压力 补偿 阀 口过 流面 积 A1 A 一 0 ． 0 2 0 7 x 0． 0 41 5 。 0 ．8 8 0 5 一0 ． 8 0 4 9 一 0． 0 2 9 4 7 2- 机床与液压 第 4 3 卷 AP B0 ． 0 2 0 7 x 4 _0 ．0 41 5 x ’ 0 ． 8 8 0 5 x 0 ． 8 0 4 9 x一 0． 0 2 9 4 A1 -0 ． 2 0 0 I x 3 ． 8 9 8 9 x 。 1 9 ．7 0 8 3 x 一 2 5 ． 6 2 3 4x 2 9 4 ． 1 7 4 6 将计算 的阀口过流 面积代 入建立 的多 路 阀主阀 、 压力补偿 阀的子模型 中。 选 择 多 路 阀 先 导 压 力 作 为 系 统 动 态过程的输入信号 ， 换 向过 程 如 图 4所 示 ．多 路 阀 主 阀芯 从 零 位 到 大 开 以及 从 大 开 至 零 位 的过 渡时间设 为 0 ． 5 S 。 图 4 多路阀的换向信号 2 ． 2 截割 头栽荷 分析 截割头的载荷 是掘 l 0 进机截割时作用在 截齿 8 上负荷的合成，是随机 景 6 函数 。建立 截割头随机 ． 载荷 的 计 算 机 模 拟 程 序⋯ ，对截割头截割进 行模 3 2 r ／ mi n 茎 茎 图 s 的 截 割 头 竖 直 ’ 。 方 向受 力 曲线 ．如 图 5 所示 。 l 1． 5 2 时间， s 截割头旋转竖直 方向受力曲线 将截割 头竖直方 向受力 数据点保存 为 d a t a 文件 ， 由 A ME S i m信号库模 型直接读取 。 2 ． 3 仿 真 结果分 析 图6为截 割作业 时．截割升降油 缸位移 曲线。 t 2 ． 5 ～ 3 2 ． 5 s 时间 内．油 缸活塞 杆 开始伸 出至极 限 位置 ，截割部 由水平位置抬升至最高点 。由于截割部 运动惯性及外负载 的存在 ．使得活塞杆在伸出至极限 状态 时产生 了一个小 幅度的 “ 颤抖 ” t 3 2 ． 5 ～ 4 2 ． 5 S 时间 内，油缸处 于极 限位 置状 态 ；t 4 2 ． 5 ～ 5 6 ． 5 S 时间内 ．油缸 活塞杆开始缩 回至初始状态 ，截割部 由 最高点下降至水平 位置。 由图 7 可见 截割升降液压 回路 中最高压力出现 在油缸无杆腔内。由图 6 、图 7可知油缸活塞杆伸 出至极 限位置 “ 颤抖 ” 时 ．油缸 无杆 腔 内液 压 冲击 最剧烈，峰值 5 0 ． 6 MP a ，这是由于截割部停止上升 时 ．油液动能瞬间向压力能转变 ，而溢 流阀无法有效 卸荷液压冲击所导致 。 查截割升降液压回路使用的平衡阀、溢流阀样本 可知。耐压等级均为 3 5 M P a 。而油缸无杆腔液压冲 击 5 0 ． 6 MP a 远超出平衡 阀 、溢流 阀的耐 压范 围 ，这 是导致平衡溢流 阀组密封失效 的根本原 因。 图 6 截割升降油缸活 塞杆位移曲线 60 50 40 兰3 0 - 出 R 2 0 l0 0 0 1 0 2O 30 40 5O 60 时 间／ s 图 7 截割作业时 压力 曲线 2 ． 4实验分 析 图 8 为截割升降液压 回路实验现场。岩壁断面为 宽 5 i n 、高 3 ． 5 i n ，硬度 f l 0 。模拟整个截割过程 ，使 用压力变送器收集各部位 的压力数 据 ．并用 S C A D A S 采集器进行处理。 a 整 机试 验现 场 b S C AD A S 采 集器 图 8 截割升降油缸压力实验 图 9 给出了截割过程中，升降油缸有杆腔、无杆 腔的压力变化曲线 。可知 截割部抬升停止瞬 间 ，油 缸无杆 腔 内 出现 剧烈 的液 压 冲击 ，峰值 5 1 ． 1 M P a ， 并且压力高于 3 5 MP a 的持 续时间约为 4 ． 5 S 。 日 粕 脏 二 二 十 ／ ． 力 图9 截割升降油缸压力实验曲线 对 比图 7 、图 9可得 到 A M E S i m截割 升 降 回路 仿真模型具有一定的准确性，可以近似模拟出实际工 况 。 3 改进方案及整机验证 3 ． 1 改进 方 案 根据公式 P F ／ A ，在主机 结 构允 许范 围 内增 大 油缸缸径 ，降低油缸 内压 力。降低溢 流 阀开启 压力 ， 第 2期 牟东 等 硬岩掘进机截割升 降回路液压 冲击控制方法的研究 7 3 在液 压冲击较低时开始卸荷 ， 的灵 敏度。 提高溢流 阀对压力 变化4结论 图 1 0 给 出了不 同参数 下截 割升 降油 缸截 割抬升 至最高点时油缸无杆腔的压力变化曲线。由图 1 0可 见 缸径 由 2 2 0增大 至 2 5 0 m m．无杆 腔液 压 冲击 压 力峰值 3 8 ． 3 MP a 。但仍超 出平衡阀、溢流阀的耐压 等级 ；缸径 2 5 0 m m、平衡 阀开启 压力 2 5 MP a 、溢 流 阀开启 压 力 2 8 MP a ，无 杆 腔 液 压 冲击 压 力 峰 值 2 9 M P a ，满足平衡阀、溢流阀的许用要求。 l 一 原模 型 2 一缸 径2 5 0 mm 矗 塞 图 1 0 不同参数时油缸无杆腔压力曲线 3 ． 2整机 验证 大 功率硬 岩掘进机液压系统 自2 0 1 1 年 1 0月开始 批量应用 改进 方案 缸 径 2 5 0 m m、平 衡 阀开启 压力 2 5 M P a 、溢流阀开启压力 2 8 MP a ．截止 目前 ，所有 在外设备 未见 一例密封损坏故障发生 ，实践验证 了改 进方案 的有效 性。 基 于 A ME S i m环境建立 了某型硬岩掘进机截割升 降液压 回路模 型 ，为其 动态 特性 分 析提 供 了一 种手 段。通过仿真分析和实验结果可知 截割部抬升至最 高点 时 ，截割 升降油缸无 杆腔的液压冲击 是平衡 溢流 阀组密封损坏的根本原因。合理增大油缸缸径、降低 平衡溢流阀组的开启压力，可以显著降低油缸无杆腔 内的冲击压力峰值 ，避免密封损坏现象的发生。 参考文献 [ 1 ]李晓豁． 掘进机截割头随机载荷的模拟研究[ J ] ． 煤炭学 报 ， 2 0 0 0 5 5 2 5 - 5 2 9 ． [ 2 ]李宁， 张玉峰， 王建成． 液压系统冲击的分析与控制[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 7 ， 3 5 4 1 4 9 1 5 1 ． [ 3 ]刘宗宏， 李亚， 王征峥． 负载敏感系统压力脉动控制方法 的研 究 [ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 6 4 0 4 2 ． [ 4 ]J E A N C H A R L E S E S M． C o n t r i b u t i o n t o t h e Mo d e l i n g ， t h e S i mu l a t i o n a n d t h e C o n t r o l S y n t h e s i s o f a n Ae r o s p a c e E l e c t r o - H y d r o s t a t i c A c t u a t o r [ C ] ／ ／T h e 5 t h I n t e r n a t i o n a l F l u i d P o we r C o n f e r e n c e ， Aa c h e n I F K， 2 0 0 6 2 01 - 2 1 2 ． [ 5 ]邢彤， 杨华勇， 龚国芳． 盾构机液压系统多泵优化组合驱 动技术[ J ] ． 浙江大学学报 工学版， 2 0 0 9 ， 4 3 3 5 1 1 51 6． [ 6 ]冀宏， 梁宏喜， 胡启辉． 基于 A ME S i m的螺纹插装式平衡 阀动态特性的分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 1 1 0 8 0 8 3 ． [ 7 ]冀宏， 傅新 ， 杨华勇． 几种典型液压阀口过流面积分析及 计算[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 3 5 1 4 1 6 ． 上接第 6 5页 变矩器 与搭 载其他变 矩器 的 Z L 3 0装载 机相 比，在跑 车工况 下节油 1 7 ％，负载作业工况下节油 1 5 ％。 3结论 1 该变 矩器 开 发方 法相 比以前大 大缩 短 了开 发周期 ，难度相应降低 ，成本大大 降低 。 2 通 过实 验 表 明 Y J S W3 1 5 ． 8 A和 Y J Z 3 4 0这 两款变矩 器能很好地 匹配降转速 发动机。均节油 1 0 ％ 以上 3 由于变矩器流体模 型的复杂性和理论水平 的限制 ，文 中没 能在理 论层 面 总结归 纳 C F D流场 分 析和修正方法，今后的主要工作重点也将在此。 参考文献 [ 1 ]陶曾香， 徐成云， 饶鸿才． 大能容宽高效可调式变矩器设 计实验研究[ J ] ． 工程机械， 1 9 9 4 1 0 2 7 3 1 ． [ 2 ]王彦 ， 王玉鹏 ， 马文星 ． 液力变矩器循环 圆的综合描述 及 导数修正法 [ J ] ． 吉林大学学报 工学版 ， 2 0 0 2 ， 3 2 1 7 9-82 上接 第6 9页 控制 系统校正 的可行性和有效性 。 参考文献 [ 1 ]张文毓． 铝合金焊接技术研究进展 [ J ] ． 轻金属， 2 0 1 0 4 5 3 - 5 6 ． [ 2 ]MA J I M E J ， C A S O N O R E M J ， L A P A S S E T G， e t a 1 ． D i s l o c a t i o n Me c h a n i s ms I n v o l v e d i n a 1 5 0 。 C Cr e e p T e s t o f a n A 1 C u M g A l u m i n i u m A l l o y [ J ] ． M a t e r i a l s S c i e n c e F o r u m， 2 0 0 2 ， 3 9 6 4 0 2 1 3 8 3 1 3 8 8 ． [ 3 ]张华 ， 林三宝， 吴林， 等． 搅拌摩擦焊研究进展及前景展 望[ J ] ． 焊接学报， 2 0 0 3 ， 2 4 3 9 卜9 7 ． [ 4 ]高翔， 朱芸， 梁栋． 电液伺服系统的建模与仿真研究『 J ] ． 海军工程学院学报 ， 1 9 9 9 4 8 7 9 2 ． [ 5 ]许益民． 电液比例控制系统分析与设计[ M] ． 北京 机械 工业 出版社 ． 2 0 0 5 ． [ 6 ]张雅楠． 3 0 0 0吨自动矫直液压机液压系统设计『 D] ． 重 庆 重 庆大学 ． 2 0 1 0 ． [ 7 ]王正林． MA T L A B ／ S i m u h n k与控 制 系统 仿真 [ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 1 2 ． [ 8 ]张德丰． M A T L A B ／ S i m u l i n k建模与仿真实例精讲 『 M1 ． 北京 机械 工业 出版社 ． 2 0 1 0 ．