基于AMEsim的矿用支架液压元件的仿真研究

庞有利

（大同市同煤集团机电装备公司中央机厂， 山西 大同 037000）

引言

根据已有的研究资料表明，在我国的能源结构中煤炭仍然占有最大比例，煤炭仍然是关系我国经济民生的主要基础能源。从煤炭的开采获取方式来看，井下采煤作业仍然是获取煤炭资源的重要方式。井下采煤作业主要依据复杂的综采系统开展工作，其中液压支架的功能是实现对顶板的有效支撑，以保障系统的正常安全运行，同时其也是维护井下工作人员生命安全的重要防护设备。由液压支架的功能来定义，液压支架由控制单元、液压单元、结构单元这三大单元组成，单元间相互协调工作，使得液压支架能够在井下快速移动，实现对综采面顶板的有效支撑和控制，确保采煤作业的安全顺利进行。就目前而言，液压支架的设计、使用均显粗糙，其中有许多保守设计或使用的情况，究其原因主要是液压系统的控制精度不够，难以对出现的各种工况进行及时有效的反馈。

针对这个问题，文章基于AMEsim仿真软件开展支架液压系统中部分液压元件（包括溢流阀、液控单向阀）的仿真研究，旨在分析影响这些元件工作性能的参数，并由此确定最佳工作性能的匹配参数系列，为今后在其他类似液压元件的设计、选型、使用等场景下提供理论依据。

1 液压支架类型及其参数确定

选取山西某煤矿工作面的条件作为分析基础，其煤层厚度为2.1～7.7 m，煤层倾斜角度为3°～12°。底板比压为1.1 MPa，所采煤层不存在断层、褶皱等现象。因此根据地质条件与现有的液压支架设计、选型原则，最终选择ZY5000型液压支架。仿真时主要考虑参数包括以下：调高范围1.8～3.8 m、支架宽度1.43～1.6 m、支架中心距 1.5 m、工作阻力 5 000 kN、底板比压1.55 MPa、夜泵压力32 MPa、支架推移步距0.8 m。

2 支架液压元件的仿真

目前我国一般采用多体动力学分析软件如ADAMS等对大型机械设备进行开发，主要过程为分析设备各部件的运动规律、动态特性、分析部件强度、根据软件分析结果进行设备各部件的参数调整、改进设计直至满足要求为止。这样的作法显然忽略了部件间的耦合关系，使得整体分析变成了单个部件的动力学或力学分析，最终导致计算结果不够精确、设备部件间的协调性及优化程度不够。

为在液压支架的设计选型时避免上述问题，文章基于AMEsim仿真软件针对支架的选型结果进行建模仿真，通过液压回路及液压元件的建模仿真，可准确模拟支架的工作状态并分析影响支架工作性能的结构或系统参数[1-2]。

2.1 溢流阀仿真模型的建立

在AMEsim软件中，打开草图编辑模式，调用软件提供的机械标准库、液压元件标准库、信号控制单元建立如下页图1所示的液压支架溢流阀仿真模型。在此次仿真中针对阀孔与阀芯直径、溢流阀弹簧刚度、活塞直径等参数对溢流阀工作性能的影响进行分析，设置三组参数，参数设置如下页表1所示。仿真时设置仿真时间为10 s，而时间间隔设置在0.01 s。

2.2 液控单向阀仿真模型的建立

同理建立液控单向阀的AMEsim仿真模型，如下页图2所示。

设置三组数据以分析各参数对液控单向阀工作性能的影响，参数设置如下页表2所示。

图1 溢流阀AMEsim仿真模型

表1 溢流阀参数设置

图2 液控单向阀AMEsim仿真模型

表2 液控单向阀参数设置

3 支架液压元件仿真结果的分析

3.1 溢流阀仿真结果的对比分析

针对溢流阀的仿真，需要关注的是受溢流阀工作性能影响的执行元件液压缸的速度变化，因此将液压缸速度变化作为评判溢流阀工作性能好坏的指标。下面根据溢流阀的仿真模型对表1中的三种组别进行仿真分析，仿真结果如图3所示。

从图3液压缸速度变化曲线的对比中可以看出：将组别1与组别3的曲线进行对比分析，可以知道弹簧刚度对液压缸的速度变化有直接影响。在起初工作阶段，弹簧刚度大易造成液压缸在初期运行时产生较大且长时间的不稳定振动，图中表明当刚度为200 N/mm时，液压缸的速度变化振荡时间接近2 s，而当弹簧刚度为100 N/mm时，液压缸速度变化震荡时间不到1 s，两相比较选择弹簧刚度为100 N/mm；将组别1与组别2的曲线进行对比分析可知活塞直径也影响着液压缸的速度变化，具体表现为活塞直径较大时，液压缸速度变化震荡幅度较小，持续时间相对较短。图中表明活塞直径为30 mm，液压缸速度变化震荡时间持续0.5 s，而当直径为24 mm时，持续时间达到1 s。因此就液压缸速度变化的角度应选择组别2的数据是合理的。

图3 液压缸速度变化曲线

3.2 液控单向阀仿真结果对比分析

分析液控单向阀的仿真结果时，以立柱速度变化作为分析指标。下面根据液控单向阀的仿真模型对表2中的三种组别进行仿真分析，仿真曲线如下页图4所示。

图4 立柱速度变化曲线

对比分析图4中曲线结果可知：由组别1与组别2曲线可知，活塞杆直径分别为5 mm、10 mm时液压杆立柱的运行速度基本一样，但5 mm直径活塞杆的速度震荡幅度是更小的，当二者速度相同为0.035 m/s时，直径5 mm的速度振荡最大值为0.043m/s，而直径10 mm的活塞杆速度震荡最大值在0.061 m/s；由组别1与组别3曲线可知，弹簧刚度分别为1 N/mm与5 N/mm时立柱运行速度大致相同，但刚度为1 N/mm时的速度振荡幅度时远小于刚度为5 N/mm时的。因此就从立柱运行速度的角度来看，选择组别1的设计定型数据是合理的[3-5]。

4 结论

1）针对溢流阀，活塞杆直径与弹簧刚度对其工作性能有直接影响，且活塞杆直径越大、弹簧刚度越小时执行元件液压杆的速度变化震荡幅度越小，震荡持续时间越短；

2）针对溢流阀，液控单向阀应选择较小的弹簧刚度及活塞杆直径。

3）该研究可直接用于液压元件的设计、选型过程中，也为其他支架液压元件的选用、设计提供了分析思路和借鉴，具有一定的现实指导意义。