多因素影响下推移机构液压系统动态特性仿真.pdf

第 4 z卷 第 4期 2 0 1 6年 4月 工矿 自 动化 I n d u s t r y a n d M i n e Au t o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 4 Ap r ． 2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 4 0 0 5 4 0 4 D OI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 l x ． 2 0 1 6 ． 0 4 ． 0 1 3 王耀辉． 多因素影响下推移机构液压系统动态特性仿真[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 4 5 4 5 7 ． 多因素影响下推移机构液压系统动态特性仿真 王 耀 辉 h 1 ． 天地科技股份有限公 司 开采设计事业部 ， 北京 1 0 0 0 1 3 ； 2 ． 煤炭科学研究总院 开采设计分院，北京 1 0 0 0 1 3 摘 要 根据 刨运 机 组推移 机 构液压 系统的 工作 原理 ， 在 AME S i m 液 压 仿 真软 件 中建 立 了液 压 系统 仿 真 模 型 ； 针对 乳化 液 弹性模 量 、 负载 、 背压 等 影响推 移机 构液 压 系统运 行 的主要 因素 ， 在 实 际允许 范 围 内改 变其 数 值 ， 对推 移机 构液 压 系统 的动 态特 性 进行仿 真 ， 得 出各 因素对 液 压 系统 动 态性 能 的影 响 程 度 ， 并提 出相 应 的 系统性 能改进 措施 。 关键词 刨运机组 ； 推移机构；液压 系统；多因素影响 中图分类号 TD 6 3 2 ／ 6 7 文献标志码 A 网络出版时间 2 0 1 6 0 4 0 5 1 l 3 2 网络 出版地 址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 4 0 5 ． 1 1 3 2 ． 0 1 3 ． h t ml Dy na mi c c h a r a c t e r i s t i c s s i mul a t i o n o f hy d r a u l i c s y s t e m o f p us h i ng me c h a n i s m u nd e r mu l t i p l e f a c t o r s i n f l ue n c e W ANG Ya o hu i ， 1 ． Co a l Mi n i n g a n d De s i g n i n g De p a r t me n t ，Ti a n d i S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y Co． ，Lt d． ，B e i j i n g 1 0 0 0 1 3 Ch i n a ；2． C o a l Mi n i n g a n d De s i g n i n g B r a n c h，Ch i n a Co a l Re s e a r c h I n s t i t u t e ，Be ij i n g 1 0 0 0 1 3 ，Ch i n a Abs t r a c t Ac c or di ng t o wor k i ng e nv i r o nm e nt o f hy d r a u l i c s ys t e m o f pus hi n g me c ha n i s m of c o a l pl ou gh a nd c on v e y un i t ，a s i mul a t i on m o de l of t he hy dr a u l i c s ys t e m wa s b ui l t i n AM ESi m hy d r a ul i c s i mul a t i on s o f t wa r e ．Dy n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m we r e s i mu l a t e d b y c h a n g i n g v a l u e o f ma i n i n f l u e n c e f a c t o r s o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m i n c l u d i n g e l a s t i c mo d u l u s o f e mu l s i o n l i q u i d，wo r k i n g l o a d a n d l o op b a c k p r e s s ur e i n pr a c t i c a l s c o pe．Ac c o r di n g t o s i mul a t i o n r e s ul t s ，i nf l u e nc e d e g r e e of e a c h f a c t or o n d y n a mi c p e r f o r ma n c e o f t h e h y d r a u l i c s y s t e m wa s a n a l y z e d ，a n d c o r r e s p o n d i n g i mp r o v i n g me a s u r e s f o r s y s t e m pe r f o r m a n c e we r e p ut f o r wa r d． Ke y wo r d s c o a l p l o u g h a n d c o n v e y u n i t ；p u s h i n g me c h a n i s m ；h y d r a u l i c s y s t e m ；mu l t i p l e f a c t o r s i n f l U e n c e 收稿 日期 2 0 1 5 1 0 2 6 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 2 0 5 ； 责任编辑 李 明。 基金项 目 “ 十二 五”国家 科技 支 撑 计 划资 助 项 目 2 0 1 2 B AK0 4 B 0 8 ； 天 地 科 技开 采 设 计 事 业部 生 产 力 转 化 基金 资 助 项 目 1 J 一2 0 1 4 一 TDKC一0 2 。 作者简介 王耀辉 1 9 8 1 一 ， 男 ， 陕西咸 阳人 ， 硕 士 ， 助理研究员 ， 主要从事煤矿开采装备开发及工艺研究工作 ， E - ma i l w y a o h u i 1 2 6 ． t o m。 [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] 庞维建 ， 马海龙 ， 益军． E MD滤波在煤矿 电动机故 障诊 断中的应用[ J ] ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 5 ， 4 1 3 9 3 9 5 ． 刘 自然 ， 熊伟 ， 颜 丙生 ， 等． E MD方 法和倒 频谱 在齿 轮 箱故障诊断 中的应 用 [ J ] ． 组 合 机床 与 自动化 加 工 技 术 ， 2 0 1 4， 5 6 9 1 0 2 1 0 4 ． 华伟 ， 荆 双喜 ， 牛振华． 基于经 验模 态分解 的矿 用通 风 机故障诊断研究 [ J ] ． 矿 山机 械 ， 2 0 0 8 ， 3 6 1 7 1 7 1 9 ． [ 5 ] [ 6 ] LEI Y G，HE Z J ，ZI Y Y．Ap p l i c a t i o n o f t h e EEMD me t h o d t o r o t o r f a u l t d i a g n o s i s o f r o t a t i n g ma c h i n e r y [ J ] ．Me c h a n i c a l S y s t e ms a n d S i g n a l P r o c e s s i n g ， 2 0 0 9 ， 2 3 4 1 3 2 7 1 3 3 8 ． 周将坤． 基于 Hi l b e r t - Hu a n g 变换 和 B P神 经网络 的滚 动轴承故 障诊断研究 [ D ] ． 镇江 江苏大学 ， 2 0 1 0 ． 2 0 1 6年 第 4期 王耀辉 多 因素 影响 下推移 机构 液 压 系统 动 态特性仿 真 5 5 0 引言 液压 系统是 井下 大部 分线性 运动 执行 部件 的主 要动力源 ， 其设计是否合理、 性能是否稳定和动态响 应特性是否优 良， 是该类部件性能是否达到设定 目 标的关键 。液压仿真技术是液压系统和元件在设计 阶段经常采用的方法 ， 可对液压系统进行动态特性 分析和评估 ， 较传统 的利用物理成型和试验验证设 计合理性的方法具有更高的可靠性 ， 且大大简化 了 分析过程 ， 缩短了工作周期[ 1 ] 。本文以急倾斜煤层 刨运机组 的关键执行部 件推移机构 为研究主 体 ， 利用 AME S i m液压仿真软件分析多项因素对刨 运机组推移机构液压系统的影响 ， 根据分析结果来 判定推移机构液压系统设计 的合理性 ， 并提出相应 的动态性 能优 化措施 。 1 推移 机构 工况 分析 在急倾斜走向长壁工作面 中， 当位于上部的落 煤设备割煤时， 下落的煤块时常威胁下部人员的安 全 。采用挡矸机构 和防护手段虽然有一定效果 ， 但 实现落煤过程 中工作面 内无人才是最根本的方案 。 因此 ， 提 出了急倾斜煤层刨运机组机械化采煤方法 。 该机组 由液压支架 、 刨运机、 推移机构及电液控制系 统等组成。推移机构前端连接刨运机梁 ， 后端安装 在液压支架底座上， 是刨运机组割煤 的主要执行部 件。该机构由推移千斤顶和双摇摆千斤顶组成。推 移千斤顶为机组在推进方向割煤 的动力执行部件 ， 摇摆千斤顶为机组在垂直顶底板方 向割煤 的动力执 行部件 。 推移机构液压系统是以传递动能为主的传动系 统， 在工作过程需要频繁进行液压缸的伸缩及设备 的启停 ， 采煤过程 中会受到邻架刨运机 、 电动机输出 转矩、 煤层 阻力 等 因素的干 扰。液 压系统 压力 为 3 1 ． 5 MP a ， 流量 和功率都较 大， 若 系统动态特性较 差， 会导致执行部件运动失调 ， 推移千斤顶活塞杆及 缸体出现液压冲击、 液压爬行及运动冲击等现象 ， 电 液控制系统控制精度不高。因此， 需要采用多种方 法对液压系统进行动态特性研究 。 ] 。 2 推移机构液压 系统工作原理及仿真步骤 2 ． 1 推 移机构 液压 系统组 成及 工作 原理 推移 机 构 液 压 系 统 组 成 及 工 作 原 理 如 图 1所 示。考虑到刨运机组 电液控制系统对乳化液有 要 求， 在泵站前方加人反 冲洗过 滤站 。电磁换 向阀分 别控制推移千斤顶和摇摆千斤顶的伸缩 。 推移千斤顶 摇摆千斤顶 图 1 推 移 机 构 液 压 系 统 组 成 及 工 作 原 理 为实现采煤过程 的定量推移 ， 在推移千斤顶 内 安装位移传感器。移架时 ， 推移千斤顶同时起 到拉 架作用。但因急倾斜工作面在移架时不易控制支架 位置 ， 所以拉架过程 中， 推移千斤顶收回时采用邻架 控制方式 。另外 ， 为确保刨运机梁在推进过程中方 向的单一性 ， 推移千斤顶不发生回收 ， 在推移千斤顶 液压 回路 中安装 1个液压单 向锁 。 单个 推 移 机 构 对应 的刨 运 梁 、 刨头 及 刨 链 质量 达 8 0 0 k g 。为 防止其在 割煤 过程 中抬起及下落 时 发生震动， 在摇摆千斤顶液压回路两端安装液压双 向锁 。同时 ， 在推移千斤顶上方安装倾角传感器 ， 根 据推移千斤顶 的倾 角来控制摇摆千斤顶 的伸缩 ， 以 此控制刨运机割煤高度范围[ 5 ] 。 2 ． 2 推 移机 构 液压 系统仿 真 步骤 1 通过理论推导建立描述现有推移机构液压 系统的数学模型 ， 经实际检验和分析， 将该数学模型 作为进行类似设计及 改进 的理论依 据。本文 根据 图 1 确定推 移 机构 各 部 件 相关 参 数 之 间的 相互 关 系 。 2 将数学模型转化为计算机仿真模型。确定 数学模型和仿真模型后， 根据设计要求 ， 不断调整 已 设定的液压系统相关参数值 ， 以提高设计效率， 缩短 系统测试及试验周期 。 3 选用适当算法编制仿真程序或采用现有程 序进行仿真。目前大多采用专用的液压仿真软件进 行仿真 。仿真软件提供建模模块 ， 用户根据设计要 求输入相关参数 ， 便可直接建立仿真模型， 运行仿真 后输出仿真数据和曲线。 4 根据仿真结果获得系统参数动态特性数据 和曲线 ， 分析系统和元件设 定的参数值对液压系统 5 6 工矿 自动化 2 0 1 6年第 4 2卷 动态特性的影响 ， 经过与实践结果对 比， 确定合适的 参数值。 5 分析推移机构液压系统变参数仿真得出的 动态特性数据 ， 验证液压 系统设计 的合理性及相关 参数设定的准确性 ， 然后确定液压系统和参数 的最 佳结合点 ， 得出推移机构液压系统动态性能改进 的 措 施 [ 8 9 j 。 本文采用 AME S i m仿真软件分析多 因素对刨 运机组推移机构液压系统 的影响 ， 并采用 AME S i m 的批处理方式优化系统参数 。根据推移机构液压系 统工作原理及设计要求 ， 建立系统仿真模型 ， 如图 2 所示 。 摇摆千 斤顶 图 2 推移机构液压 系统仿 真模 型 3 多因素 对液 压 系统 动态特 性 的影 响 推移机构液压系统在运行过程 中受负载 、 油液 特性、 粉尘 、 湿度及液压元件特性等多 因素 的影响。 为了充分了解各 因素对液压系统 的影 响程度 ， 选取 主要的影响参数 ， 包括乳化液弹性模量、 负载、 背压 等 ， 在一定范 围内改变其数值 ， 对推移机构液压系统 的动态特性进行仿真[ 1 。 。 。 3 ． 1 乳化 液 弹性模 量 的影响 乳化液弹性模量为 D E 一一 Vo 1 △ V 式中 为原始状态下的乳化液体积 ； △ P为乳化液 压力的改变量； △ V为乳化液体积的改变量 。 煤矿机械常用的高水基乳化液或工程中常用的 矿物系液压油的弹性模量变化很小 ， 若乳化液 中混 入空气， 将具有 明显的可压缩性 。一般来说 ， 乳化液 中无空气混入时， E， 可取 1 ． 4 ～2 ． 0 1 0 9 ； 乳化液中 混入 1 空气时 ， E 减小到原来的 5 9 ， 6 上下。 分别 在 E 取 1 7 0 0 ， 8 0 0 ， 1 0 0 MP a时 ， 对推 移机 构液压系统进行仿真 ， 结果如图 3所示 。 邑 糊 } g 邑 椭 蜒 O 7 O6 05 0 4 O3 O 2 0 1 a 推移千斤顶活塞速度 曲线 一 _ ----k 8 0 0 M P a ．_ ㈨ 瀚 1 I I I I _ 。 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 时间／ s b 摇摆千斤顶 1活塞速度 曲线 0 8 0 7 O 6 0 5 0 4 O 3 O 2 O 1 U 4 0 I U L 1 4 时间／ s c 摇摆千斤顶 2活塞速度 曲线 图 3 E 值不 同时仿真结果 从 图 3可看 出 ， E 一1 7 0 0 MP a时 ， 对 于双 摇 摆 千斤顶， 系统动态响应速度很快 ， 2个摇摆千斤顶在 0 ． 2 S 时即上升至峰值 ， 系统振荡幅值相对较小 ， 在 0 ． 5 S 时趋于稳定； 对于推移千斤顶 ， 系统振荡幅值 相 对 较 小 ， 2 ． 5 S时 趋 于 稳 定 。E 一8 0 0 MP a时 ， 3个千斤顶的响应速度较慢 ， 系统振荡 幅值 大幅增 加 。E 一1 0 0 MP a时， 在整个千斤顶推进阶段都存 在大幅振荡 ， 容易造成刨运机组运行不稳定。另外 ， 当 E 减小时 ， 2个摇 摆千斤顶 的速度差距增大 ， 导 致双摇摆千斤顶动作不 同步 ， 直接影响推移机构 的 强度和寿命 。 可见提高 E 值有 利于提 高液压 系统 的准 确 性 、 稳定性及快速响应性 ， 因此在液压系统使用前应 排出管路中的空气， 以提 高 E 值 。但 乳化液 中不 可 避免 地含 有一 定空 气 ， 可 采取 相关 措施 如设 置 过 滤及排气装置等 将其控制在适 当范围， 从而满足不 同液压系统的要求 。 3 ． 2 负载 的影 响 由于煤层状况不同， 刨运机组割煤时负载会随 一 ∞ - Ⅲ 一 ＼ 巡艘玳烘 2 0 1 6年第 4期 王耀辉 多因素影响下推移机构液压 系统动态特性仿真 5 7 时变化。为分析不 同负载下 的液压系统 动态特性 ， 在负载分别为 7 0 0 0 ， 1 0 0 0 0 ， 1 3 0 0 0 N时进行仿真 ， 结果 如 图 4所示 。 邑 型 瑙 艄 蜒 翊 凰 a 推移千斤顶活塞速度 曲线 b 推 移 千 斤 顶 圆 形 腔 压力 曲 线 图 4 负 载不 同时仿真 结果 从图 4可看出， 随着负载增大 ， 推移过程中推移 千斤顶 缸 圆形腔 所 需 压力 增 大 ， 推移 千 斤 顶 推 进 速 度变慢 ， 系统响应时间发生明显滞后 ， 但振荡范 围变 小， 超调量变化趋稳。2 ． 5 S 后 ， 3种负载情 况下系 统基本都进入稳定状态 ， 且稳态值较接近。可得出 系统的负载特性较好 ， 能够适应不同负载工况 。 3 ． 3 背压 的影 响 摇摆千斤顶两端装有双向锁， 当环形腔回液时， 顺序阀起背压阀的作用， 可控制摇摆千斤顶活塞向 前推进的速度 ， 保证 液压系统的可靠性 。在顺序阀 开启压力 背压 为 1 5 ， 1 O ， 2 0 MP a时进行仿真 ， 结 果如 图 5 所 示 。 图 5 背压不同时摇摆千斤顶活塞速度 曲线 从图 5可看出 ， 顺序阀开启压力越小 ， 摇摆千斤 顶向前推移 的速度越快 ， 时间越长。顺序阀开启压 力为 1 O MP a时， 摇摆千斤顶推移速度太快 ， 对系统 稳定性不利 ； 开启压力 为 2 0 MP a时， 推移速度较 慢， 但时间超过 1 2 S ， 千斤顶工作效率较低 ； 开启压 力为 1 5 MP a时， 推移速度对 刨运机组割煤过程来 说较适合 。煤层特性不同时， 需对顺序 阀的开启压 力进行 适 当调整 。 4 结语 根据刨运机组推移机构液压系统 的工作原理 ， 建立了液压系统仿真模型 ， 利用 AME S i m仿真平台 分析 了推移机构液压系统在不同因素下的动态性能 及参数变化对系统动态性 能的影响 ， 并提出改进现 有液 压系 统工作 性 能 的措 施 。 参 考 文 献 马威 ， 包广清． 永磁直 驱风 电机组 的建模 与仿 真[ J J ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 0 ， 3 6 8 4 9 5 3 ． 张 申． 煤矿 自动化发展趋势[ J ] ． 工矿 自动 化， 2 0 1 3 ， 3 9 2 2 7 3 3 。 陈鑫润 ， 侯铁军 ， 赵云峰． 急倾斜厚煤层瓦斯分源抽 采 技术的应用[ J ] ． 工矿自动化， 2 0 1 4 ， 4 0 8 8 5 8 7 ． 王勇亮 ， 卢颖 ， 赵 振鹏 ， 等． 液压 仿真软 件 的现状及 发 展趋势[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 2 8 卜4 ． 毛德兵 ， 王耀 辉． J B B I 型急倾斜 煤层 刨运 综采机 组 研制与试验[ J ] ． 煤炭科学技术， 2 0 1 4 ， 4 2 9 4 4 4 7 ． 冯酤 ， 谢 红梅 ， 梁 策． 基 于 A ME S i m 的先 导式 溢流 阀 仿真优化分析[ J ] ． 科技资讯， 2 0 1 4 ， 1 2 1 0 6 4 6 7 ． 成梦圆 ， 张春雷． 基于 AME S i m 的盘形 制动器液压 仿 真研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 1 4 ， 3 5 1 1 7 5 7 7 ． 李树成 ， 徐银 丽 ， 刘 念． 基于 AME S i m 的电液伺 服 阀 试验 和 仿 真研 究 [ J ] ． 机 床 与 液 压 ， 2 0 1 3 1 7 1 6 6 1 68 ． 李正伟． 液压 仿真技术 的应用 与发 展[ J ] ． 科 技资讯 ， 2 0 1 2 2 2 9 7 ． 沙永柏． J F K一 1 5 型非开 挖导 向钻 机的研 制及其液 压 系统动态特性仿真研究[ D ] ． 长春 吉林大学， 2 0 0 7 ． ] ] ] ] ] ] ] ] ] ] 1 2 3 4 5 6 7 8 9 K [ [ [ [ [ [ [ [ [ [ 一 ∞． Ⅲ v ＼ 越磺稍蜒