掘进机截割部液压系统分析.pdf

2 0 1 4年 1 月 第 4 2卷 第 1 期 机床与液压． MACHI NE TO0L ＆ HYDRAUL I CS J a n ． 2 01 4 V0 1 ． 4 2 No ．1 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 0 1 ． 0 1 0 掘进机截割部液压系统分析 王焱金 ，季清华 ，白雪峰 ，廉 自生 1 ．中国煤炭科工集团太原研究院，山西太原 0 3 0 0 0 6 ； 2 ．太原理工大学机械 工程学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要对 E B Z 1 2 0型掘进机截割部机构进行受力分析，并通过 M A T L A B仿真，得到升降油缸在截割部升降过程中的负 载变化曲线和升降油缸载荷的最大值 ；在 A ME S i m中搭建升降油缸的液压控制系统模型 ，分析油缸和平衡阀在掘进机截割 部启动瞬间的动态特性。 关键词E B Z 1 2 0型掘进机截割部 ；液压系统 ；动态特性；仿真分析 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 0 3 43 An a l y s i s o n Hy dr a u l i c S y s t e m o f t h e Cut t i n g o f Ro a d he a de r WA N G Y a i n ，J I Q i n g h u a ，B A I X u e f e n g ，L I A N Z i s h e n g 1 ． T a i y u a n I n s t i t u t e o f C h i n a C o a l T e c h n o l o g y a n d E n g i n e e r i n g G r o u p ，T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 0 6 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o gy， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a Ab s t r a c t T h e f o r c e a n a l y s i s wa s c a r r i e d o n f o r t h e c u t t i n g o f EB Z1 2 0 r o a d h e a d e r ．T h r o u g h MAT L AB s i mu l a t i o n，t h e l o a d c u r v e o f t h e l i f t i n g c y l i n d e r i n t h e l i ft i n g p r o c e s s o f t h e c u t t i n g a n d t h e ma x i mu m l o a d o f t h e l i f t i n g c y l i n d e r w e r e g o t t e n ．T h e mo d e l o f t h e h y - d r a u l i c c o n t r o l s y s t e m o f t h e l i f t i n g c y l i n d e r wa s b u i h i n AME S i m， a n d t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f l i f t i n g c y l i n d e r a n d c o u n t e r b a l a n c e v a l v e a t t h e mo me n t t h e c u t t i n g o f t h e r o a d h e a d e r s t a r t s mo v i n g we r e a n a l y z e d ． Ke y wo r d s C u t t i n g o f E BZ 1 2 0 r o a d h e a d e r ；Hy d r a u l i c s y s t e m；D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s ；S i mu l a t i o n a n a l y s i s E B Z 1 2 0型掘进机截割部的升降由一对升降油缸 运动完成，升降过程中截割部的重力作用在油缸上， 因此，要对平衡阀的性能进行分析，首先要对截割部 进行受力分析 ] ，得到油缸在截割头升降过程中的负 嚣 载变化情况，实现工况模拟。 1 截 割部受力分析 E B Z 1 2 0型掘进机截割部可以简化成如图 1 所示 ， 截割部由截割头、一对升降油缸和截割臂构成，截割 头的升降由油缸控制，通过油缸的伸缩，截割头的作 业范围为 一 3 1 。 ～ 4 6 。 ，截割头位移如图 1 所示。 对截割部进行受力分析。设截割部重力为 G，油 缸支撑力为 F，截割臂与水平夹角为 ，油缸与水平 夹角为JB ，当掘进机截割臂与水平夹角 为正时，进 行受力分析，如图2所示。 由 静力学方程 ∑ M 0 得 G L 1 ‘ C O S O t G L 2 s i n F 2 L 3 C O S 一 一F s i n JB 0 得到液压缸支撑力表达式 G LlC O S O t G L 2s i n a f r一～ ‘L4 s i n ／ 3 一 O t 一 L 2 L 3 c o s ／ 3 一 根据图3进一步计算 、 之间的关系。 l 一截割头 2 一截割臂 卜 升 降油 缸 图1 截割部示意图 图2 截割部受力分析图 图3 O ／ ，口角分析图 经测量 0 1 1 。，0 5 7 。 。由 c o s O L 0 1 0 2 ⋯ s c a 6 8 收稿 日期 2 0 1 3 0 1 0 3 基金项 目山西省煤矿装备研究生教育创新中心项目 M K Y 2 0 1 1 0 0 3 作者简介王焱金 1 9 6 4 一 ，高级工程师，从事煤矿机械设计研究工作。通信作者廉 自生，Ema i lj i q i n g h u a 8 6 1 26 ．c o m。 第 1 期 王焱金 等 掘进机截割部液压系统分析 -3 5 得到 L 磨液压油。 由 L l 得到 一 i JB1 8 0 。 一 一 1 2 3 。 一0 同样的方法，当掘进机截割臂与水平夹角 O ／ 为 负时，得到油缸支撑力为 G L1’C O S O ／ G L 2‘s i n a s i n O t 一 卢 一 L 2 3 c o s O t - ／ 3 O ／ ， 之 间的关 系 ⋯一 n 卢00 21 8 0。 1 2 3 。 通过对截割部机构与水平夹角 O t 的讨论，得 出 截割部在任意位置处 ，升降油缸所受力为 G LlC O S O t G L 2s i n a 4- s i n 卢一 O ／ 一 L 2 L 3 c 0 s 卢一O ／ 8 1 2 3。一 当 6 o 时，0 a r c s i n 当 6 o 时，0 1 8 0 。 一a r c s i n 6 8 一； s i n 6 8 。 符号以截割臂为始边、水平线为终边所成角 O t 、 为逆时针角时，取正号，顺时针时取负号。 在 M A T L A B中建立 以 O ／ 为变量 ，F为 因变量 的 函数模型，查阅 E B Z 1 2 0型掘进机说明书和图纸，得 到相关参数 ，通过仿真得到如图4所示曲线。 1 1 1 1 图 4 升降油缸负载变化曲线 从仿真曲线上可以得到截割部升降油缸负载 随着截割头的升高逐渐减小 ，在截割头最下方极限位 置处 ，油缸 受力最 大为 1 4 9 5 1 0 N，在截 割头 最上方 极 限位置处 ，油缸受力最小为 1 1 0 1 1 0 N 。 2 升 降油缸液压 系统模型搭建 根据平 衡阀实物和液压 系统 如图 5 在 A ME S i m软件 中搭建升降油缸液压控制系统仿真模型 。 通过 现场调研 得 到 ，液 压 系统 的系 统 压力 为 1 6 MP a ，溢流阀的设定压力为 1 6 M P a ；油缸回路采用双 联齿轮泵的后泵 4 0泵 通过换 向阀向油缸供压力 油 ；E B Z 1 2 0型掘进机说 明书中推荐使用 的是 N 6 8 抗 图5 升降油缸液压系统 4 0泵参 数 如 下 转 速 1 4 7 0 r ／ m i n ，排 量 4 0 m L ／ r ，容积效率 9 2 ％。 可求得 4 0泵 的额定流量Q1 4 7 00 ． 0 4 X 0． 9 25 4 L ／ mi n 那么截割部在升降过程中每个油缸进 口流量为 2 7 L ／mi n。 前面已经得到截割头在任意位置处 ，升降油缸负 载大小 ，升降油缸是成对使用 ，所以在忽略摩擦力的 情况下每个油缸所受到的负载最大值为7 4 7 5 5 N 。 其他重要参数如表 1 所示。 表 1 其他仿真参数 油液密度／ k g m 油液体积弹性模量／ MP a 油液运动黏度／ 1 0 一P a s 油缸活塞直 径／ m m 油缸活塞杆直径／ m m 油缸行程／ 1 13 活塞杆起始位移／ m 8 7 5 1 7 0 0 5 9． 5 1 6 0 11 0 0． 5 0 搭建如图6所示的仿真模型。 图6 仿真模型 3 6 机床与液压 第 4 2卷 3仿真分析 设置仿真时间为 0 ． 2 S ，分别得到液压缸和平衡 阀动态特性曲线。 3 ． 1 液压缸动态特性分析 仿真结果如图7 1 0所示。 3 3 2 ‘ i 2 二1 1 图 9 液压缸进出 图 1 0 液压缸活塞 口流量曲线 速度曲线 由上面几条曲线可以得到液压缸在启动瞬间的动 态特性。由图7和图 8可以看到单向阀在启动瞬间 开启，单向阀进出口处压力在 t 0～0 ． 0 1 3 8 内急剧 上升；在 t 0 ． 0 1 3～ 0 ． 1 5 s 内缓慢上升并达到稳定状 态；稳定后，单向阀进口压力为 7 ． 5 M P a ，出口压力 为 5 ． 1 MP a 。而液压缸的有杆腔压力在 t 0 ． 0 1 1 s 才 开始升高，在 t 0 ． 2 S 才稳定在 2 ． 6 M P a 。由图9可 知液压缸的无杆腔流量在 t 0 ． 0 1 4 8 达到最大值 3 4 ． 3 L ／ m i n ，然后产生振荡，并在 t 0 ． 1 5 s 达到稳 定值 2 7 L ／ m i n ，有杆腔流量慢慢升高，在 t 0 ． 1 8 s 达到稳定值 1 4 L ／ ra i n 。由图 1 0可知液压缸活塞在 t 0 ． 0 0 8 S 从下方极限位置开始动作 ，在 t 0 ． 0 1 4 s 时速度达到最大值0 ． 0 3 4 r n ／ s ，经过短暂振荡 ，在 t 0 ． 1 S 时速度达 到稳定值 0 ． 0 2 2 m ／ s 。 3 ． 2 平衡 阀动态特性分析 仿真结果如图 1 1 1 4所示。 3。 0 2 ． 5 2 ． 0 1 ． 5 专 1 ．0 0． 5 0 0． 5 0 图 1 1 主阀 阀芯入 口压力曲线 0 ．0 0仉 。 ％。m 。 ‘ 。 图 1 2 主阀阀芯先导 油口压力曲线 2 2 1 目 昌l 0 0 ．0 一 ／ j 1 一主阀阀芯 2 一 单 向 阀阀 芯 图 l 3 主阀阀芯与单向 图 l 4 主阀阀芯与单向 阀阀芯速度曲线 阀阀芯位移曲线 由上面曲线可以看到 在启动瞬间，主阀阀芯 先导油 口压力急剧上升 ，在 t 0 ． 0 0 7 S 时，先导油 口 压力为4 ． 2 7 M P a ，此时主阀阀芯入 口处的压力为 0 ， 主阀阀芯 只在先 导油油压的作 用下开始运动 ，单 向阀 阀芯在复位弹簧 的作用下也开始运动；当 t 0 ． 0 1 S 时，主阀阀芯入 口压力开始升高，随着人口压力和先 导油口压力的升高，主阀芯速度迅速升高，单向阀阀 芯在入口压力 的作用下也紧紧挨着主阀阀芯一起运 动，两个阀芯之间没有开 口度。在 t 0 ． 0 1 1 S 主阀阀 芯和单向阀阀芯速度达到最大值 0 ． 2 5 m ／ s ，此时， 单向阀阀芯运动到极限位置，速度瞬间变为 0 ，位移 为 0 ． 6 m m。虽然作用在主阀阀芯的入口压力和先导 油油压还在升高，但是随着主阀阀芯的运动，作用在 主阀阀芯上的弹簧力也急增大，使得主阀阀芯的速度 开始慢慢降低 ，并伴随着速度波动 ，并在 t 0 ． 1 6 8 时，主阀阀芯运动停止，位移为2 m m，开 口度为 1 ． 4 m m，流量为 2 8 L ／ m i n 。 4结论 通过对截割部进行受力分析，得到升降油缸的负 载变化曲线，确定了启动瞬间油缸的负载大小 ；通过 搭建液压系统模型，实现对工况的模拟 ，得到液压缸 和平衡阀的动态特性曲线 ，为进一步优化平衡阀和液 压系统提供依据。 参考文献 【 1 】 李辉杰 ， 巴麟， 方臻． 悬臂式掘进机 回转支承设计计算 [ J ] ． 煤矿机电， 1 9 9 9 4 2 0 2 1 ． 【 2 】 冀宏 ， 梁宏喜 ， 胡启辉． 基于 A M E S i m的螺纹插装式平衡 阀动态特陛的分析[ J ] ． 液压与气动， 2 0 1 0 1 0 8 0 8 3 ． 【 3 】张海平． 螺纹插装阀介绍之二平衡阀[ J ] ． 流体传 动与控制， 2 0 0 6 3 3 7 4 0 ． 【 4 】 朱小明． 单向顺序阀和平衡阀的区别兼对 平衡阀 和双向液压锁的正确选用 一文的异议[ J ] ． 建筑机械 ， 2 0 0 7 1 1 S 8 88 9 ． ． 【 5 】马洪谦 ， 张树立 ， 米玉兵． 先导平衡阀的工作原理分析 [ J ] ． 建设机械技术与管理 ， 2 0 1 0 7 1 0 61 0 8 ． 【 6 】 李峰， 马长林． 平衡 阀动态特性仿真与参数优化研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 3 4 2 3 22 3 3 ． 【 7 】 姚平喜， 张恒 ， 王伟． 负载敏感平衡阀动态特性仿真及参 数优化研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 3 9 4 2 9 3 1 ． 8 7 6 5 4 3 2 l 0 _ ／ d