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2015年9 月 机 床 与 液 压 Sep. 2015 第 43 卷第 17 期 M A C H I N E T O O L 3 H Y D R A U L I C S Vol. 43 N o. 17 D O I 10.3969/j. issn. 1001-3881. 2015. 17. 012 管路对液压断带保护装置控制系统特性的影响 程昆鹏12，李军霞12 1.太原理工大学机械工程学院，山西太原030024 2 . 山西省矿山流体控制工程（ 实验室）技术研究中心，山西太原030024 摘要全断面液压断带保护装置是以液压控制系统为核心的断带抓捕装置。针对断带保护装置需要快速平稳抓捕的特 性，通过优化液压控制系统的管路参数来提高整个保护装置的性能，在理论分析管路对液压特性影响的基础上，利用 A M E S i仿真软件进行了仿真分析，并通过断带抓捕实验验证。结果表明管径对抓捕时间和压力峰值的影响较大，油管 的长度对液压系统整体的影响较小，当管径为32 m m时系统具有最高的整体效能。 关键词 断带保护装置；管径；管长；压力冲击；A M E S i仿真 中图分类号T D528 文献标志码A 文章编号1001-3881 2015 17-050-4 Impact of Pipeline on Control System Characteristics of HydraulicImpact of Pipeline on Control System Characteristics of Hydraulic Belt-broken Protective DeviceBelt-broken Protective Device C H E N G K u n p e n g1， 2， LI Junxia1， 2 1. College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan Shanxi 030024, China; 2. Mine Fluid Control Engineering Research Center Laboratory in Shanxi Province，Taiyuan Shanxi 030024，China Abstract The whole hydraulic belt-broken protection device is a belt-broken capture device with the core of hydraulic control sys tem. Aimed at belt-broken protective device needing of the quick and smooth capturing feature，by optimizing pipeline parameters of the hydraulic control system，the perance of the protection device was improved. On basis of the theoretical analysis of the influence of pipeline on hydraulic characteristics，AMESim simulation softvare and belt-lDroken protective test bench were used for simulation analy sis and experimental verification. The results show that pipe diameters have great impact on the capturing time and pressure peak value， and pipe lengthis have less effect on the overall hydraulic system. The system has the highest overall efficiency when the diameter is 32 m m. Keywords Belt-broken protective device; Pipe diameters; Pipe lengths; Pressure shock; AMESim simulation 〇 前言 全断面液压断带保护装置以蓄能器作为液压系统 的辅助动力源，用较小流量的液压栗为蓄能器供油。 当机构执行抓捕动作时由蓄能器通过连接管路向执行 机构供应大量的油液，保证机构能在最短的时间内完 成抓捕动作[1]。因此管路的通径过小不仅会延长机构 的动作时间、使系统压力损失增加且会产生较大的冲 击 ，降低管路和液压元器件的使用寿命；如果管路的 通径过大则会增減本、造 成 装 的 体 结 构 庞 大 并 且容易产生气穴现象[2]。 尽管对管路选择的理论和应用日益成熟，但是在 现代煤矿生产中要求液压断带保护装置在降低抓捕时 间的基础上还要尽可能地减小抓捕时的压力峰值，以 降低对机架的冲击[3]，醜 需 要 进1研 究 管 齡 数 对液压系统和抓捕时间的的影响。根据断带保护装置 的结构特点和系统要求来调整管路的各项参数，总结 出适宜类似结构和系统的管路的参数设置方案，以达 到在满足执行机构快速运动的基础上降低液压冲击、 震动和经济性的要求。因此，采用理论分析、计算机 仿真和现场试验相结合的方式分析管齡数对液压系 统和抓捕时间的的影响，为在实际生产中断带保护系 统管路的选择提供依据。 1液压系统参数的合理选择 1.1系统模型的建立和参数分析 1.1.1管路中流体非恒定流动的数学方程 C Sg- NsCS2 g- Hw I I dB 1 p 2 p 2 C J i dt 式中N为轴功，J/k g; s，s分 别 为 管 臟 面1、2 所在的高度，m; ， 分别为截面s，s处流体的 压强，M P a; -1， 分别为截面S，S处流体的速 收稿日期 2014-07-09 基金项目国家自然科学青年基金资助项目（ 51105265;新世纪优秀人才支持计划资助项目（N C E T-12-1038;山西省高 等学校优秀青年学术带头人资助项目 作者简介 程昆鹏（ 1988） ，男，硕士研究生，主要研究方向为机电液一体化。E-mail chengkp163. com。 第 17期程昆鹏等管路对液压断带保护装置控制系统特性的影响 51 图2 30.00 -3.0- 1.0- 2 . 1 不同管径对抓捕时间的影响 系统中采用两个25 L的蓄能器作为动力源，为 液压系统供油，蓄能器的预充气压力为系统溢流阀调 定压力的75k，即 6 M P a，管路长度为6 m，经计算 满足该系统工作条件的油缸前、后腔连接管路的最小 内径为26 m m，在实际的应用巾所选管路的小内径 应该稍大于系统所需的最小内径[ 5 气在 仿 真 系 统 中 要研究管路的内径等参数不同时对液压系统的影响， 故管路内径分别设置为28、30、32、34、36 m m p为 流 体 密 度 （ 流体不可压缩，密度恒 定） ；认 为 管 路 的 阻 力 ，包 括 沿 程 阻 力 和 局 部 阻 力 认 。 流体在管路内的流动可视为层流，故管路的沿程 阻力 32 1 h f F2 ⑵ 式中 为管长，m; F为管径，m。 根据所用的管接头的设备属性可以查出其当量直 管阻力[4]，得到设备局部阻力的当量长度h，可得管 路的局部阻力损失为 h w hg 3 方 程 ⑴ 可 化 为 八 P1 32 0v 0 CS VP hgB 4 p 2 p 2 F 设 〇 则 二7， d 2 7 代 人 式 4 可得 11 0pp 0 p2 d 7 P 2 1 gS2- p 2 d 72 dZ⑴ d t 32 7 F 2 5 了 ⑴ hg 式中 为时间； 为流体流动加速度；为流体黏度。 1 . 1 . 2管路中流体恒定流动的数学方程 p 2 2 C S V N s C S V h 22 6 S0, N 0 在恒定流动的情况下管路里的液体 F2 - 流量不变，N 4 利 用 式 （ 5 可以求出此时流 体的流量，同时利用流量公式也可以求出式⑷中 的流量。故 12 P2P12 2-2 P w 7 2管路参数对液压系统影响的仿真分析 新型断带保护装置的液压系统原理如图1 所示。 图1液压系统原理图 曲线及油缸前、后腔的压力曲线，如图 30.10 30.20 30.30 30.40 30.50 30.60 时 间/s 连接油管直径不同时活塞杆的速度曲线 连接油管直径不同时无杆腔的压力曲线 wd gl /田 C S/姻铟 52 机床与液压 第 43卷 30.00 30.10 30.20 30.30 30.40 30.50 时间/s 图6连接油管长度不同时无杆腔的压力曲线 -1 Q J................................................................................................................................................................................................. 30.00 30.10 30.20 30.30 30.40 30.50 30.60 时间/s 图4连接油管直径不同时有杆腔的压力曲线 表2连接油管直径不同时的抓捕时间和压力峰值 管径/ m m 活塞杆运动 时间/s 有杆腔压力 峰值/MPa 无杆腔压力 峰值/MPa 280.54733.8618.02 300.49931.0417.96 320.46124.7617.31 340.43920.8315.25 360.42119.0514.28 由表2可知，断带保护装置的抓捕时间随管径的 增大而减少，当管径超过32 m m时抓捕时间虽然也 随管径的增大而减小，但是效果并不明显。 从图24 中波形曲线可知，压力曲线变化的程 度随着管径尺寸的减小而越来越剧烈，油缸前、后腔 的压力损失随着管径尺寸的减小变大，因此，入口处 使用的管径尺寸愈小，前腔和后腔的压力脉动就愈 大，造成的压力损失也会随着增大。 2. 2连接油管长度对抓捕时间的影响 在连接油缸前、后腔管路的直径为32 m m，连 接油管的长度分别为1、6 、 10 m，蓄能器和溢流阀 的参数设定和2. 1 相同的情况下[ ”]。应 用A M E S i m 仿真软件可得到在不同油管长度时液压系统活塞杆 的运动曲线及油缸前、后腔的压力曲线，如 图 57 所示。 30.00 30.10 30.20 30.30 30.40 30.50 30.60 时间/s 图7连接油管长度不同时有杆腔的压力曲线 表3连接油管长度不同时的抓捕时间和压力峰值 管长/ m 活塞杆运动 时间/s 有杆腔压力 峰值/MPa 无杆腔压力 峰值/MPa 10.39112.2712.41 60.49613.2613.44 100.58914.0313.92 从表3 可以看出在连接管径大小确定的情况下， 油缸活塞杆的速度随着油管长度的增大而减小，油缸 有杆腔和无杆腔的压力峰值会逐渐增加，但是相对于 长度增加的幅度来说并不明显。所以连接管路的长度 对于降低系统的压力峰值并没有显著的作用。因此在 选择连接管径的长度时应根据液压系统的布置情况尽 量选择布置长度较短的管路。缩短管路有利于系统成 本的降低，但对于系统压力峰值的影响不大。 3管路参数对液压系统影响的实验研究 以断带保护装置模拟实验台为平台，利用该实验 台可以进行不同管径下断带保护装置的抓捕时间和抓 捕时油缸前、后腔压力的实验及管路匹配参数的研 究。试验台如图8所示。 30.00 30.10 30.20 30.30 30.40 30.50 时间/s 图5连接油管长度不同时活塞杆速度曲线 成 dM/ -R m 第 17期程昆鹏等管路对液压断带保护装置控制系统特性的影响 53 图8楔形断带抓捕装置实物图 该系统中配置了两个并联的容积为25 L的囊式 蓄能器，液压系统的额定工作压力为8 M P a 蓄能器 的预充气压力为6 M P a 通过以下两个实验可以对比分析管路在不同配置 与参数下对断带抓捕装置的抓捕时间和对油缸前、后 腔压力冲击的影响。 实验一实验装置包括断带抓捕装置、液压站、 电子秒表、压力传感器、行程开关、编码器、示波器 来分别测量管径为28、30、32、34、36 m m时断带抓 捕装置的抓捕时间和油缸前后腔的压力。 测试方法使液压泵站和断带保护装置处于工作 状态，转动编码器当超过设定的圈数时，编码器给控 制装置信号，控制蓄能器给油缸供油开始抓捕动作， 此时电秒表开始计时，当断带抓捕装置的行程块压紧 皮带时给行程开关一个信号，控制电秒表计时停止， 此时可以从电秒表上读出抓捕所用时间。同时可以从 亦波器上读出从女装在油缸进油口和出油口处的压力 传感器转换出的压力信号，再经过转变便可读出在抓 捕过程中各个时间点的压力。 用示波器采集的油缸前、后腔的压力曲线如图 9、10所示。 缩 放 系 数 10X [______________500 mV___________________________J \ Z 200 ms 图1 0连接油管直径不同时有杆腔的压力曲线 表4连接油管直径不同时的抓捕时间和压力峰值 管径/ m m 抓捕时间/ s 有杆腔压力 峰值/MPa 无杆腔压力 峰值/MPa 280.67434.2118.67 300.64231.9718.59 320.61625.0617.91 340.59521. 1415.87 360.57719.5614.94 实验二利用和方案一相同的实验设备测量在管 径为32 m m，长度分别为1、6、10 m时断带抓捕装 置的抓捕时间和油缸的前、后腔压力的影响。 压力冲击曲线如图11、图1 2所示。 图1 2连接油管长度不同时无杆腔的压力曲线 下转第7 1 页） 第 17期武立波等油缸的刮削滚光深孔加工工艺研究 71 度和粗糙度都能稳定在-个正常范围，但是对于弯曲 度较大的管子直线度出现较大偏差，且产生了较小的 出口偏斜。这表明推镗推滚组合刀具并不能完全修正 由毛坯管的弯曲所引起的直线度问题，虽然刀具采用 了刚性连接结构提高了刀具的刚度，但是在加工过程 中，刀具整体还是沿着毛坯内孔轴线进给；毛坯内孔 的直径余量取值较大，其对内孔的加工质量影响不 明显。 由图6 试验结果可知，采用镗削刮滚组合刀具加 工深孔，无论毛坯状况和加工参数如何变化，尺寸精 度、粗糙度、直线度均能够稳定在-个很小的范围 内。唯一的出口偏斜问题基本与毛坯管的弯曲度一 致 ，弯曲度越大，出口偏斜就越严重；但内孔直径的 尺寸精度、直线度、表面粗糙度相对于前两种组合刀 具更加稳定，加工质量明显好于前两种情况。毛坯内 孔的直径余量取值最大，其 内 的 加 工 廳 影 响 也 不明显。 3结论 采用3 种不同形式的刮滚刀具分别对冷拔管和热 轧管进行切削试验，得出了刀具结构、毛坯内孔弯曲 度和加工余量对工件的尺寸精度、表面粗糙度、直线 度和出口偏斜的影响规律，得出结论如下 ⑴3 种形式的刮滚刀具均能实现不同弯曲度和 不同直径余量毛坯的深孔加工，并获得达到使用要求 的加工质量，其中镗削刮滚组合刀具加工过程最稳 定 ，加工质量最好，可加工的直径余量最大。 ⑵前两种刮滚刀具加工冷拔钢管时的弯曲度 对缸筒直线度的影响很大；第三者刮滚刀具加工热轧 管时的弯曲度对缸筒的纖度影响很小，但是对出口 偏斜有一定影响。对于有直线度要求的冷拔管，首先 要做得就是校直毛坯。对热轧管的镗削刮滚加工，需 要采取相应加工工艺消除出口偏斜的影响。 参考文献 [1] 王世清.深孔加工技术[M].西安西北工业大学出版 社， 2003. 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