缸径液压支架液压系统的动态特性仿真研究.pdf

文 章 编 号 1 6 7 2 01 2 1 2 0 1 2 0 5 0 0 4 4 0 3 缸 径 液压 支 架 液压 系统 的动 态 特 性仿 真 研 究 史姣 。付 建华 ，雷 步芳 ，李 永堂 ，刘 志奇 太 原科 技大 学 ， 山西太原 0 3 0 0 2 4 摘 要 以 Z Y1 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D 型两柱掩 护 式大缸 径液 压支 架为研 究对 象 ， 采 用灰 箱建模 方 法建 立数 学模 型 ， 运用 仿 真软 件 Ma t l a b ／ S i mu l i n k对 液压 支架 液压 控制 系统 的卸载过 程进 行 动态 特性 的仿 真 研 究并 进行 分 析 ， 得 到适 当增 大控制 端 面积 ， 可 以减 小 卸载液压 冲 击。 关键 词 流体传 动 与控制 ； 液压 支 架 ； 液压 冲 击 ； Ma b l a b； 仿 真 中 图分类 号 T H1 3 7 ． 7 文献 标识 码 A 0前 言 综合 机 械化采 煤是 煤矿 开采技 术 现代化 的 重要 标 志 ，而 液压 支架 是煤 矿综采 工作 面非 常重 要 的设 备 之一 。随着 我 国煤炭 工业 的发展 和液 压支 架 日益 增 长 的需 求 ， 对液 压支架 的性 能要 求也 越来越 高 。 液 压 系统不 仅要 实现 支架 的各 个动作 ，还要具 有 良好 的动态 过程 ， 它直 接影 响着 支架 的稳定 性 、 可靠 性及 安 全 性 。 在 液压 系统 工作 过程 中 ，当突然 关 闭或开 启液 流通道 时 ，在通道 内液体 压力 发生急 剧交 替升 降 的 波动过 程称 为液 压 冲击 。当液压 冲击 过 大时会 损坏 密封装 置 、管道 和液 压组 件 ，而且会 引起 振 动和 噪 声 ，因此有 必要 对如 何减小 液压 系统 降柱 过程 中的 液压 冲击 进行研 究 。 本文 以 z Yl 2 0 0 0 ／ 2 8 ／ 6 4 D型液 压 支架 为研究 对象 ，采 用灰箱 建模 理论 建立 降柱 过 程 的数 学模 型 ，并 在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k软 件 中建 立相 应 的仿 真模 型 ，通 过 改变液 控单 向阀的控制 端 面积 得 到液 控单 向 阀对 系 统卸 载过程 的影 响情 况 ，经过 仿 真进 行参 数优 化 以降低液 压 冲击现 象 的发生 。 1立 柱 液 压 系 统 的 工 作 原 理 图 1为 液 压 支 架 立 柱 液 压 系 统 工 作 原 理 图 ， 它 是 由过 滤 器 、 截 止 阀 、 旁路 阀 、 液 控 单 向 阀组 、 电 图 1 立柱液压系统工作原理图 将操 纵 阀 置 于右 位 通 电 工作 状 态 ，来 自泵 站 的 高 压 液体 P打 开 液 控单 向 阀进 入 立 柱 活 塞 腔使 支 架 升 起 。从 打 开操 纵 阀到 支 架 顶 梁 接 触 到 顶 板 为 升 柱 过 程 ，从 顶 梁 接 触 到 顶 板 到关 闭操 纵 阀 为 初 撑 过 程 。增 阻 承 载 阶段 将 操 纵 阀 置 于 中 位 断 电状 态 ， 立柱 活 塞 内 的压 力 液 体 被 液 控 单 向 阀封 闭 ， 从 而 保持 对 顶 板 的支 撑 状态 。恒 阻承 载 阶段 立 柱 活 塞 腔 内的 压 力 值基 本 保 持 恒 定 ， 安 全 阀 开始 溢 流 ； 卸 载 降 柱 阶 段 操 纵 阀置 于 左 位 ， 泵 站 的 高 压 液 体 P进 入立 柱 活 塞 杆 腔 ，作 用 于 液控 单向 阀 的控 制 端 口 ， 使 液 控 单 向 阀开 启 ， 立 柱 下 腔 的 油 液 经 回液 管 路 流 到 回液 箱 ， 立 柱下 降 。 2液 压 系统 的 建 模 2 ． 1 液压 系统 的数学 模 型 针 对液压 系统 中某 些性 能参数 如 粘性 阻尼 系数 等用理 论方 法难 以确认 ，故 采用 灰箱 建模 方 法建 立 数 学模 型 ，灰箱 建模是 一种 基 于系统 结构 的物理 关 系和输 入 、输 出测量数 据构 建 系统 的数学 关 系模 型 的方法 ，相 对 于 白箱建 模 和黑箱 建模 方 法更 能把 握 实 际 系统行 为 的本质 。通过 对立 柱液 压 系统 的原 理 分 析 ，以建立 与原 系统 等价 的节点 和元 件 表示 的液 压 系 统拓 扑结 构 图 ， 如 图 2所示 。 G1 图 2 立柱液压 系统拓扑结构 图 为便 于模 型建立 ， 做 如下 的简化 ① 忽 略定量 泵 的泄漏 ；② 管道 的压 力 损失 和容 积忽 略不 计 。则 由 N1 、 N2、 N3节 点 拓 扑 约束 条 件 和 D、 S 1 、 G1 、 s 2子 模 型 可得 卸 载降 柱过程 的数学模 型 为 m 2 2 p 2 _ P _ P K s 0 2 一 r n 2 g - D x 2 2 - 1-I z A 13 ld-铷 2 G 1 p l- P z q o-- G p - p 。 一 j _ G lp ，叩 z l m 1 1 1 9 l m学- p c 1 一 R1 一 i t G p _ p 1 一 ， C z I 1 式 中 厂阀 S 开启 过程 中阀芯 位移 ； A厂控 制油 作 用面 积 ； A 高压 口作 用 面积 ； A 低压 口作 用 面积 ； 广阀 S 控 制 腔 及 节 点 1处 容 积 之 和 ； m『 ’ 一 ．s 阀心 的质量 ； C。 ．s 阀 口综 合 流量 系数 ； P2 、 p 广油 缸 进 、 出 口油 压 ； A 、 A 液 压 缸 有 杆 和 无 杆 腔 的 活 塞 面 积 ； 。、 拓扑 图 中节点 1 、 2处 的容 积 ； K 油液 体积 弹性 模 量 ； 卜液 压缸 的粘 性 阻尼 系数 ； m 立 柱系统 的质量 ； ∑R 各种 摩擦 阻力 之 和 ； 卸 载时 直接顶 作 用 于立柱 的重 力 ； D 液控 单 向 阀的黏性 阻尼 系数 。 2 ． 2仿 真模 型 的建立 在 S i mu l i n k软件 中 ， 按 照式 1 中的输 入输 出关 系 ， 构 造 出系统 的方 块 图如 图 3所示 。 仿 真 模 型为连 续 状 态建 模 ， 在仿 真 算法 类 型 中 ， 选 择 龙格 一 库 塔 1 5 o d e l 5 的变 步长算 法 。 图 3 立柱液压系统的仿 真模 型 3液 压 系 统 的 仿 真 与 性 能 分 析 从 图 4、 5中可 以看 到 ， 立柱 降柱 过程 中 ， 立 柱上 腔和 液控 单 向 阀控 制活 塞腔 的压 力在 液 控单 向阀控 制活 塞运 动后 、 阀芯 尚未运 动前 保持 一直 上 升状 态 ， 达 到 一定 程度 后控 制活 塞 的受力 平衡 被 打破 ，使 控 】 0 Y fl C W r a t e I J mi n 宝 褂 葛 出 目 时间／ rai n 图 4 降柱阶段液控单 向阀阀 口的流量曲线 5 0 0 4 00 3 00 2 0 0 1 00 0 -1 00 5 0 0 4 0 0 3 o 0 2 0 0 1 o o 0 1 0 0 2 9 ． 5 3 0 ． 03 0 ． 5 3 1 ．O31 ． 5 3 2 ． 0 3 2 ． 5 3 3 ． 0 时间， s a 2 9．5 3 0 ． 0 3 0 ． 5 31 ． O 31 ．5 3 2 ． ∞ 2 ． 5 3 3 ． O 时间／ s b 图 5 液控单向阀阀口的压力曲线 制 活塞 开始 运动 ， 此 时阀芯仍 未被 推开 ， 同时立 柱下 腔 内高压液 体仍 然被 封闭 。尽管 控制 活塞 的运 动使 一 小部 分液 体被 压缩 ， 但是 由于作 用 面积较 小 ， 所 以 由此 引起 的液体 压力 变化 幅度偏 小 。 在 此期 间 ， 由于 活 塞摩 擦力 的存 在 ，一直升 高 的立柱 上 腔的 压力 并 没有 影响 到立柱 下腔 的压 力 的变化 。 当控 制 活塞 打 开 以后 ， 立 柱下 腔与 油箱相 连通 ， 此前 被 封闭 的高 压 乳化 液经过 阀 口流 出 ，引起立 柱下 腔 的压力 的骤 然 下 降 ， 在 强 烈 的液 压 冲击 下 ， 阀芯 反 复震 动 ， 立 柱 下 腔 的压力 也不 断变化 ， 当消耗 部分 的压力 能 以后 ， 液 控 单 向 阀的 主 控 口的 阀 芯 才 被 控 制 活 塞 稳 定 得 打 开 ， 开始 大流 量卸 流过程 。 通 过改 变液控 单 向 阀阀芯 的控 制端 面 积来 观察 立 柱下 腔 的压 力 变化 和 降柱 的位 移 曲线 ，图 5 a 、 b 分 别 为液 控 口等效 直径 为 3 ． 0 e 一 5 m2 4 ． 0 e ～ 5 m 时 的 阀 口的压力 曲线 图 ， 图 6 a 、 b 分别 为控 制 口等 吕 蜀 2 0 ． 0 2 O ． 5 21 ． O 2 1 ． 5 2 2 ．0 2 2 ． 5 2 3 ． 0 时间／ s a 2 O．O 2 0 ． 5 21 ． 0 2 1 ．5 2 2．0 22 ．5 2 3 ． 0 时间， s b 图 6 立柱降柱 阶段的位移曲线图 效 直 径 为 3 ． 0 e 一 5 m 、 4 ． 0 e 一 5 m 时 的 立 柱 下 降 时 的 位 移 曲线 图 。 通 过 对 比图 5 a 、 b 可 以看 出 ， 阀芯控 制 端 面 积 为 4 ． 0 e ～ 5 m2的压 力 曲线 振 荡 情 况 不 明 显 并 且 卸 载 压 力非 常 小 。这 是 因 为将 阀芯 控 制端 的 面 积 由 3 ．0 e ～ 5 m2 增 加 到 4 ． 0 e 一 5 m 时 ， 来 自立柱 下 腔 的高 压 液体 在通 过 阀芯时 ， 其开启 压 力增加 ， 使 主 阀芯 容易 打开 。 当液控 单 向阀开 启时 间减小 时 ， 阀 口的压 力震 荡 明显减 小 ， 减 弱 了支架卸 载 冲击压 力 的影响 。 通过 图 6 a 、 b 比较也 可 以发 现 控 制 端 面积 较小 时 ， 降柱 时液压 冲击产 生更 明显 的波动 ； 相 对来 说 ， 控制 端面 积大 时 ， 波 动 比较 平缓 。 4结 论 利 用 灰箱 建 模理 论 简 化 液压 系统 的数 学 模 型 ， 并在 Ma t l a b ／ S i mu l i n k软件 中对 液压 支架 的降柱 过 程 进行仿 真研 究 ，得 出了液控 单 向阀控 制端 面 积大 小 对支 架 整体 的动态 特 性 的影 响 还 是 比较 明显 的 ， 控 制端 面积 较小 时 ， 液 压 冲击 明显 大 ， 支架 整体 在 降柱 时有 波动 。 随着控制 端 面积 的增 大 ， 液 压 冲击 也 明显 减 小 ， 为系统优 化提 供 了依据 。 【 参考 文献 】 [ 1 ] 寇子明． 液压支架动态特性与检测[ M ] ． 北京 冶金工业出版社 ， 1 9 9 6 ． f 2 ] 韩伟． 液压支架控制系统大流量阀与移架速度定量化研究【 D 】 ． 北京 煤炭科学研究总院 ， 2 0 0 7 ． 【 3 ] 安林超． 支架立柱液压系统动态特性仿真【 D ] ．太原 太原理_T大 学 ， 2 0 0 9 ． 【 4 】 李永堂， 雷步芳． 液压系统建模仿真【 M 1 ． 北京 冶金工业出版社， 2 0 03 Re s e a r c h o f dy n a mi c s i mu l a t i o n o n h yd r a ul i c s y s t e m o f c y l i nd e r d i a me t e r hy dr a u l i c s up po r t SHI J i a o， F U J i a n hu a ， LEI Bu f a n g ， LI Yo n g t a n g， LI U Z hi q i