扒渣机液压系统设计与仿真分析.pdf

2 0 1 3年 1 0月 第4 1 卷 第 2 0期 机床与液压 MAC HI NE TOOL HYDRAUL I C S Oc t ． 2 01 3 Vo l _ 4l No ． 2 0 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 0 ． 0 2 7 扒渣机液压系统设计与仿真分析 杨林 ，杨 洋 中煤科工集团重庆研 究院，重庆 4 0 0 0 3 9 摘要针对 Z WY 一 1 2 0 ／ 5 5 L型扒渣机结构组成及功能需求，进行了基于 L U D V的扒渣机液压系统设计。利用 A ME S i m模 块化仿真平台，建立了扒渣机液压系统的仿真模型，并进行了关键部件和系统动静态性能的仿真与分析。仿真结果验证了 液压系统的可行性和正确性，为扒渣机液压系统的设计与优化提供了依据。 关键词扒渣机；液压系统；建模与仿真 中图分类号T I M2 1 ． 4 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 0 0 8 2 5 De s i g n a nd Si mu l a t i o n o f Hy dr a ul i c S y s t e m f o r Ci nd e r S c r a p e r YANG Li n． YANG Ya n g C h o n g q i n g B r a n c h o f C h i n e s e C o a l R e s e a r c h I n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o me e t t h e d e ma n d s o f t h e s t r u c t u r e a n d f u n c t i o n s ，h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e c i n d e r s c r a p e r w a s d e s i g n e d o n t h e b a s i s o f LUDV． I t s s i mul a t i o n mo de l wa s bu i l t ，t h e s i mu l a t i o n a n d a n a l y s e s f o r t h e k e y c o mp o n e n t s a n d t h e s y s t e m s t a t i c dy n a mi c p e r f o r ma n c e we r e ma d e ．T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e d e s i g n e d h y d r a u l i c s y s t e m i s f e a s i b l e a n d c o r r e c t ．I t p r o v i d e s a b a s i s for d e s i g n a n d o p t i mi z a t i o n o f h y d r a u l i c s y s t e m o f t h e c i n d e r s c r a p e r ． Ke y wo r d s Ci n d e r s c r a p e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m；Mo d e l i n g a n d s i mu l a t i o n 提高煤炭开采的机械化与 自动化程度，提高采煤 机械的技术水平，走减人提效之路，是我国煤矿开采 的目标。而扒渣机是实现煤矿生产机械化和现代化的 重要设备之一。扒渣机是 由机械手与输送机相接合， 采集和输送功能合二为一 ，采用电动液压控制的生产 装置，具有安全环保、能耗小、效率高的特点，是矿 山及小型隧洞井巷必不可少 的先进掘进装备。扒渣 机 的使用能大 大地 提高 隧洞 和井下 巷道 的 掘进作 业进 度，有效提高单进水 。 液压系统是扒渣机的核心系统，其性能的好坏直 接决定 了扒渣机 的工作效率、操作性能及使用 寿 命 。作者介绍了 z wY ． 1 2 0 ／ 5 5 L型扒渣机的结构组 成及功能要求，分析了液压系统的常用控制方法；在 此基础上对其液压系统进行了设计 ，并对各回路进 行了分析。利用 A M E S i m软件构建了该液压系统 的 仿真平台，并对该液压系统的动态特性进行 了仿真 分析 ，为扒渣 机液压 系统 的开 发 、应 用和优 化 奠定 了基础 。 1扒渣 机概述 1 ． 1 扒 渣机 组成及 性 能 需求 Z WY 一 1 2 0 ／ 5 5 L型扒 渣机 由扒臂 部 、行走 部 、一 运部 、机架部 、液压 系统和 电控系统组成 如 图 1 所 示 。其中扒装 部 由水平摆 动基座 、动 臂 、斗杆 、铲 斗及相应 的驱动油缸组成 ；一运部 由刮板 输送链及一 运马达组成 ；液压系统由泵站 、多路 阀、各执行机 构 、控制手柄及冷却系统组成 。 l 一 扒臂 部 2 -- 一 运部 3 一 机 架部 4 一 操 作 台 5 一 液 压系 统 6 一 行 走部 图 1 Z WY一 1 2 0 ／ 5 5 L型扒渣机结构简图 扒渣机特殊 的应 用环 境决 定 了其应 具有 结 构 紧 凑 、推进力大 、扒取范围广 、可 以全断面装岩 、不 留 死角 、不需人工辅助清理工作面等性能 ；扒渣机的主 要动作宜采用液压先导控制，从而使系统操作轻松简 便，工作平稳无冲击 ，维修方便；同时要具有优良的 人性化设计 ；液压系统 通过采用风冷的方式来减 少扒 渣机水路系统和提高扒渣机的机动性能；液压系统还 应具有行 程超 限、油温超高 、油路堵塞 、电机过载等 报警功能 。要做 到最 大限度地 减轻工人 的劳 动强度 ， 同时要保证掘进出矸 的安全可靠性 。 收稿 日期 2 0 1 2 1 0 0 8 作者简介杨林 1 9 8 1 一 ，硕士研究生，主要从事煤矿工程机械研发工作。Em a i l 2 3 7 9 3 9 9 3 q q ． c o n。 第2 0期 杨林 等扒渣机液压系统设计与仿真分析 8 3 1 ． 2 主要技术参数 Z WY ． 1 2 0 ／ 5 5 L型扒渣机 主要技 术参数见表 1 ，为 扒渣机液压系统 的设计提供 了依据 。 表 1 z wY ． 1 2 0 ／ 5 5 L型扒渣机主要技术参数 整机质量 外形尺寸 总功率 爬坡能力 扒装范围 行走速度 一 运输送 形式 一 运运输速度 运输 能力 履 带宽度 接 地 比压 最小转弯半径 1 2 6 0 0 kg 7 0 00 mm 2 00 0 mm 2 0 0 0 mm 55 k W 26。 2 6 00 ／ ／ ／ m 4 20 0 mm x2 1 00 mm 0～1 k m／ h 单链单驱动 1 m／s 1 2 0 m ／h 38 0 mm 0．1 2 MPa ≤7 m 2 液压 系统设计 扒渣机的工 作 过程 包括 下列 几 个非 连续 性 的运 动动臂升降、斗杆收放、铲斗转动、扒臂回转 、整 机行走和其他辅助运动。通过动臂、斗杆、铲斗和扒 臂转 台的运动可 以实 现扒装作业 。由于作业对象 和工 作条件 的多变 ，扒渣 机实现上述运 动时的阻力在 时刻 变化 ，这是扒渣机工况 的一个特点 。同时 ，为了满足 作业需要 ，提高作业效率 ，主机在工作过程 中 ，往往 有多个动作同时进行 ，这就需要液压系统具有 良好的 控制特性和动作协调性 。 2 ． 1 液 压 系统控 制 方式 的确定 在扒渣机 的发展过程 中，其液压控制 系统也经历 了从节流调速控制、容积调速控制到负荷传感控制 a d - S e n s i n g ，L S 控 制。其 控 制 原理 如 图 2所 示 。该系统一般包括负载敏感泵 、压力补偿阀、可 控节流口、梭阀网络以及执行机构。由图可知，压力 补偿 阀与可控节流 口组成 了一个调速 阀，根据伯努利 流量方程 Q c A √ 式中Q为流量 ，c 为流量系数 ，A为阀的开 口面 积 ，△ p 为节流口前后压差 即压力补偿器设定值 。 由公 式 1 可 知 ，系 统 的 C 和 P一般 为定 值 ，那 么阀 的流量 Q与 A成正 比。当 系统需 求的流 量超过 泵供 油能力的极限时 ，泵的输出压力下降 ，首先造成 压力最高的回路上的可控节流 口前后压差无法达到压 力补偿 阀的设定压差 ，使得该 回路上 的流量减少 ，使 最高负荷回路上的执行元件速度迅速降低甚至停止 ， 压力油大部分或全部流向低负载执行机构，从而使工 作机构失去复合动作的协调能力。 为了解决 这一 问题 ，力 士乐公 司推 出了L U D V系 统 ，其原理 图如 图 3所示 。 执 行 器1 执 行 器2 图 2 L S系统原 理图 图 3 L U D V系统 原理 图 该 系统 中压力补偿器设置在可变节流 口的后 面且 补偿器原理是基于比例溢流阀，而 L s控制系统中的 压力补偿器工作原理是基于定差减压阀。由压力补偿 器 阀芯受力平衡可得 P p p 2 式 中P 为节 流 阀出 口压力 ， P 为补偿 器 弹簧设 定 开启压 力 ， P 为梭 阀选 出的最大负载压力 。则可变节 流 口前 后压差为 △ p d P b P 3 由负载敏感泵特性可知 P b p p I 4 式中P 1 日 为敏感泵 L s阀设定压力。进一步推出可变 节流 口前后压 差为 △ p d P 1 一 P 5 由于 p 与 P 为 定值 ，所 以节流 口前 后压 差 为定 值，由式 1 可知节流阀流量与开口度成正比。这 种控制方式与泵流量的饱和没有关系，在泵的流量小 于执行机构所需总流量时 ，则系统以泵的极 限流量为 基础 ，按各个节流 口开度大小成 比例分配 ，从 而保证 了各执行机构动作 的协调性 。 综上所述 ，作者确定扒渣机液压系统 的控制方式 为 L U D V控制方式 ，这样既能保证 良好的可控性 ，又 能减少液压系统 的发热量 ，还能在极限工况时保证扒 渣 机动作 的协调性 。 2 ． 2 基 于 L U D V 的液 压 系统 设计 Z WY 一 1 2 0 ／ 5 5 L型 扒 渣 机 液 压 系 统 为 开 式 系 统 ， 主要 由泵站 、扒装行走 回路和各执行机构组成 。其泵 站原理 图如 图4所示 。 8 4 机床与液压 第 4 l 卷 图 4 泵站原理 图 一 1 釜 泵 泵 站 主 要 由 变 量 柱 塞 泵 2 、 齿 轮 泵 6 、 齿 轮 泵 7 、 3 ～压力切断阀 溢 流 8和 先 导 油 块 5等 组 成 。采 用 马 达驱 动 的 风 冷 4 5 _ -- 筹 源 块 却 器 替 代 了 传 统 的 水 冷 却 系 统 ， 从 而 提 高 了 扒 渣 机 的 7二 釜 篙 轮 泵 源 块 5 为 先 导 控 制 手 柄 提 供 控 制 压 力 油 ， 采 用 蓄 能 器 9 _ _ 回 油 过滤 器 作为辅助油源和吸收控制手柄油路中的压力脉动。 盆 霉 霎 Z W Y ． 1 2 0 ／ 5 5 L 型 扒 渣 机 液 压 系 统 的 扒 装 行 走 回 ～ 吝 j 一 蕾 l 扒 靠目 控制阀 2 动臂油缸 3 一斗杆油缸 4 ～铲 斗 油缸5 一左行走 马达总成 6 一右行走马述总成7 一 一还 达8 一铲 板油缸 9 一回转油缸l 0 一半 衡 j浏 图 5 扒装行走 回路液压原理图 扒装作业时 ，动臂油缸 、铲斗油缸 、斗杆油缸和 敏感泵 的 A M E S i m模型正确。在 A ME S i m批 运行模式 一 运 马达协调动作 ；当需要 爬坡或调 整机 身高度 时 ， 中设定溢流阀调定值分别为 5 、1 5 、2 5 MP a ，在节流 铲板油缸动作；在扒装回路 中都设置了过载补油阀， 阀开 口一定的情况下进行仿真，泵出口压力仿真结果 以防止系统发生过载和吸空现象。在各液压缸进口处 如图9所示。由仿真结果可知泵出口压力始终比负 都设置了平衡阀，以防止超载或软管破裂时出现逆向 载压力高2 M P a ，与 L s阀设定压力相等，符合负载 负载超速下落，并且能提高执行机构运动的平稳性。 敏感泵特性。 3 仿真模型建立 A ME S i m Ad v a n c e d Mo d e l i n g a n d S i mu l a t i o n E n v i r o n n l e n t f o r S y s t e m s E n g i n e e r i n g 是世界著 名的机 电液 系统高级建模与仿真平台 ，作者应用其中的液压 库 、H C D库、机械库 、信号库等建立 了 z wY - 1 2 0 ／ 5 5 L 型扒渣机液压系统的关键部件模型和系统仿真平 台 ，并进行仿真分析。 1 负荷敏感泵建模 根据负荷敏感泵的工作原理，建立了其 A ME S i m 模型 ，设 置其 模 块 中 的相应 参 数 ，排 量 1 1 2 c m ／ r ， P 2 M P a ，容积效率 为 0 ． 9 5 ，切断压力设定 为 3 1 ． 5 MP a 。所建立 的敏感泵模型如图 6所示 。 利用泵出口处的溢流阀，迅速开启或关闭压力管 路 ，可实现分级负载 。首先 设定溢流 阀压力 2 5 M P a ， 仿真 4 S 后设为 2 3和 5 M P a ，持续 4 S 后在恢复到 2 5 MP a ，两次仿真结果如 图 7所示 ，图 8为泵样 本 中压 力 动态特性 曲线 。由图 7可知 压力上升响应 时间为 0 ． 1 1 S ，下降响应时间为 0 ． 1 7 S ；样本 中提供的上升 和下降响应时间分别为 0 ． 1 3和 0 ． 1 2 S ，所以仿真模 型的动态 特性和样本 中所提供的基本一致 ，所建立 的 3 3 。 5 目 25 盏 1 0 0 ．5 图6 负荷敏感泵模型 O 2 4 6 8 1 O 1 2 时 间， s 图 7 压力动态特性 曲线 ￡2 5 芝2 0 蓄 1 5 1 0 H 5 0 时 间 ／ s 图 8 样本压力动态特性曲线 8 6 机床与液压 第 4 1 卷 表 2 仿真 平台的主要参数 电机转速／ r m i n 敏感 泵排 量／ m L r 动臂油缸尺寸／ m m 斗杆油缸尺寸／ ra m 铲斗油缸尺寸／ m m 切断压力／ M P a 多路 阀通径／ m m L S阀设定 压力／ MP a 动臂油缸最大流量／ L m i n 斗杆油缸最大流量／ L m i n 铲斗油缸最大流量／ L m i n 给定扒臂操作杆的控制指令如图 1 5所示 ，0～5 S 动臂缸无杆 腔进 油 ，动臂单 独 抬升 ；5～1 0 S 斗杆 缸无杆腔进油 ，斗杆单独伸 出 ；1 0～1 5 S 铲 斗缸有杆 腔进油 ，铲斗单独回缩。各油缸的流量仿真结果如图 1 6所示 ，可知 ，各油缸 中流 量按 控制 指令 执行 ，斗 杆缸中流量有 少许 波动 ，是 由于流量 过饱 和所 引起 的。图 1 7为动臂 、斗杆 和铲斗质 心在 y方 向上 的位 移仿真结果，由仿真结果可知各执行机构运动过程平 稳；其中在 5 S 处由于动臂停止运动，由于斗杆和铲 斗得惯性力 引起 了微小波动 ，但在允许范围内。 l 0 。 童 ．o 一 l 60 40 昌 2 0 0 衄1 媛 - 2 0 4 0 ／ z 2 一斗杆缸流量 ＼ 、 、 3 3 一铲斗缸流量 、 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 4 1 6 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 1 6 时间， s 时 间， s 图 1 5 扒臂操作杆 图 1 6 各油缸的流 的控制指令 量仿真结果 5 O 4 0 3 ． 0 鎏 ． o 1． 0 0． 0 0 2 4 6 8 10 l2 14 l 6 时间， s 图 1 7 各执行机构位移仿真结果 为了模 拟 扒渣 机 液 压 系统在极 限 工况 下 动作 协 调特性 ，作者将 电机转速 设 定为 1 0 0 0 r ／ m i n ，动 臂 多路 阀 、斗杆 多 路 阀 和铲 斗多路阀的控制信号比为 3 2 1 ，其他 参数不变 ，仿 真后 得各油 缸流 量如 图 1 8 7 。O 三 嚣 差 茎 二 二 二 20 。。 一一一⋯ ⋯ 。 0 0 1 0了 2 0 3 0 4 0 5 ． 1 ． ． ． ． ． 所示。由仿真结果可知，各执行器油缸按控制信号比 例平分了泵的饱 和流量。避免了 L S系统 中在泵 流量 饱 和的情况下 ，各执行 器的流量不再与多路阀的控制 信号保持一致 ，而是流向负载较小的那路执行器。可 见 L U D V系统解决 了 L S系统 的流量饱和 问题 ，提高 了扒渣机复合动作的协调性 。 5结论 1 通过对扒 渣机 功能需 求分析 和常 见液 压控 制方式 的比较 ，设计了基 于 L U D V控制原理 的扒渣机 液压 系统 。 2基 于 A M E S i m 软 件 建 立 了负 荷 敏感 泵 和 L U D V多路阀模型，并对其动态特性进行了仿真。 3 搭 建 了扒渣机 扒臂 液压 系统 仿真平 台，对 所设计 的液压系统进行了仿真分析 。结果表明 ，所设 计 的液压 系统具有 良好的控制性 和协调性 。 参考文献 【 1 】滕广强， 丁成群 ， 刘衍高． 扒渣机在三河尖煤矿的应用与 研究[ J ] ． 科技与生活， 2 0 1 2 ， 2 4 3 1 7 31 7 4 ． 【 2 】 谭正生． Z Z 2 8 ／ 1 0 0型钻装机液压系统设计[ J ] ． 煤矿机 械 ， 2 0 1 2 ， 3 3 2 1 3 71 3 9 ． 【 3 】张新海， 何清华， 张海涛． 挖掘机负荷传感液压系统中的 压力补偿[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 5 ， 1 2 7 1 5 41 5 8 ． 【 4 】B o s c h R e x r o t h 行走机械用液压及电子控制元件产品样 本[ M] ， 2 0 0 6 ． 【 5 】付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真 从入门到精 通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社， 2 0 0 6 ． 上接第 5 2页 工时间，提高加工效率 ，还有待于进一步研究。 参考文献 【 1 】顾丽敏． 基于 M a s t e r c a m的文字雕刻技术在数控加工中 心的实现[ J ] ． C A D ／ C A M与制造业信息化， 2 0 1 0 6 9 2 9 3 ． 【 2 】 温后珍， 孟碧霞． 基于三轴数控铣床的模具曲面刻字方 法[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 2 0 1 71 8 ． 【 3 】刘海涛， 皮文山， 姜海林， 等． U G平面铣在雕刻中的应 用 [ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 2 1 2 71 2 9 ． 【 4 】刘鑫， 俞荣标． 精密雕刻技术在复杂曲面模具加工中的 应用[ J ] ． 精密成形工程， 2 0 1 1 ， 3 3 8 58 7 ． 【 5 】 李辉． 基于 U G的复杂曲面零件的数控加工[ J ] ． 机械工 程师 , 2 0 0 9 1 0 8 2 8 3 ． 【 6 】钱春华 ， 钱杨林． C N C数控编程技术在雕刻加工中的巧 妙应用 [ J ] ． 制造业自动化， 2 0 1 0 ， 3 2 3 3 0 3 1 ． 【 7 】芦敏， 韩邦华． 基于图像雕刻加工的研究与实现[ J ] ． 机 械制造与自动化 ， 2 0 0 8 ， 3 7 4 7 3 7 5 ． 0 【 8 】詹友刚． P r o ／ E N G I N E E R 5 ． 0数控加工教程[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 2 0 1 0 ． 一 ～ ～ ～ 2 ∞ 印 ∞