基于ADAMS_Hydraulics与Ma_省略_mulink的采煤机自动调高系.pdf

第 30 卷第 2 期 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 2011 年 4 月 Vol.30 No.2 Journal of Liaoning Technical University（Natural Science） Apr . 2011 收稿日期2011-02-22 基金项目辽宁省教育厅高等学校创新团队基金资助项目（2007T070） ；中国煤炭工业科技计划基金资助项目（MTKJ2009-264） 作者简介崔大文（1968-） ，男，黑龙江 佳木斯人，高级工程师，主要从事先进技术在矿山生产建设应用方面研究，Emailcuidawen2002。 本文编校焦 丽 文章编号1008-0562201002-0254-04 基于 ADAMS/Hydraulics 与 Matlab/Simulink 的 采煤机自动调高系统建模与仿真 崔大文 （黑龙江东北煤炭基建设备租赁公司，黑龙江 哈尔滨 150001） 摘 要 为了解决某型号采煤机自动调高系统的可靠性问题， 应用Pro/ENGINEER、 ANSYS及 ADAMS/Hydraulics 建立带有液压系统的采煤机刚柔耦合虚拟样机模型。 建立控制系统数学模型并应用 matlab/simulink 仿真软件对建 立好的数学模型进行仿真。基于虚拟样机技术的研究，无需制造物理样机就可验证设计结果，为企业的设计研发 带来了巨大的经济效益并且能极大地缩短产品研发周期，对于采煤机的设计和研究具有非常重要的意义。 关键词采煤机；自动调高；可靠性；ADAMS/Hydraulics；Matlab/Simulink； 中图分类号TP 273 文献标识码A Modeling and simulation on automatic height adjustment system of coal shearer cutter with ADAMS/Hydraulics and Matlab/Simulink CUI Dawen Heilongjiang Northeast Coal Infrastructure Equipment Rental Company, Harbin 150001, China Abstract In order to solve the reliability problem associated with shearer automatic height adjustment system, this study applies Pro/ENGINEER, ANSYS and ADAMS/Hydraulics system to set up a virtual prototype model of flexible coupling shearer with a hydraulic system. Also,a mathematical model of control system using Matlab/Simulink simulation software is established for simulation. Based on virtual prototype technology, there is no need to manufacture a shearer for testing and verifying the design results of physical prototypes. This study provides the design and development of enterprises with a huge economic benefit and can significantly shorten the product development cycle. It is of significance for the shearer design and development. Key words shearer; automatic height adjustment; reliability; ADAMS/Hydraulics; Matlab/Simulink 0 引 言 目前，国内外大多数的采煤机普遍采用人工调 高的方式调整滚筒高度，但由于煤矿生产条件恶 劣，采煤机司机很难准确且及时的调整滚筒位置， 这样既有可能损坏滚筒又可能造成资源浪费，还可 能引起瓦斯爆炸危及工人们的生命安全，解决这些 问题的途径是实现采煤机滚筒的自动调高。 1 采煤机自动调高系统工作原理 采煤机自动调高系统工作原理见图 1。假设当 摇臂位于某一位置时，采煤机滚筒正好贴着煤层顶 板进行纯煤切割，此时反馈电压信号与指令电压信 号相平衡，并在双向液压锁的作用下使滚筒位置固 定[1-2]。当滚筒截割到顶板岩石时，滚筒受力增大， 导致液压缸受力也增大即液压缸压力增大，此时反 馈电压信号大于指令电压信号，得到一偏差电压信 号，此偏差信号经伺服放大器放大后输入到伺服 阀，使伺服阀产生负载压差作用于液压缸活塞上， 使输出力向减小误差的方向变化即使反馈电压信 号变小，直至输出力等于指令信号所规定的值为 止，此时阀芯左移，油泵吸油，油液进入到液压缸 下腔使滚筒高度下降。当滚筒高度下降到重新切割 纯煤的时候，反馈电压信号与指令电压信号相平 衡，阀芯回到中位，在双向液压锁的作用下，滚筒 位置再次固定。这样，采煤机便完成一次自动调高 过程。 第 2 期 崔大文基于 ADAMS/Hydraulics 与 Matlab/Simulink 的采煤机自动调高系统建模与仿真 255 1 滚筒 2 液压缸 3、4 溢流阀 5、6 单向阀 7 换向阀 8 油泵 9 压力反馈控制系统 10 压力传感器 图 1 采煤机自动调高系统原理图 Fig.1 schematic diagram of coal cutters Intelligent height adjust system 2 采煤机自动调高系统的数学建模 根据所检测的物理量不同， 液压伺服系统主要有 三种典型的控制方式即位移反馈、速度反馈和力反 馈。 针对某煤机公司的 MG700 采煤机自动调高系统， 分析其在力控制方式下的动态特性。 该调高系统主要 由 PI 控制器、伺服放大器、伺服阀、阀控液压缸及 负载和力传感器等构成，其功能方块图见图 2[3]。 图 2 采煤机智能调高系统控制方块图 Fig.2 control diamond chart of coal mining machine’s height adjustment intelligent system 令1SG、2SG、3SG、4SG、5SG 分别代表伺服放大器、电液伺服阀、阀控液压缸、 负载和压力传感器及 PI 控制器的传递函数， 则系统 的开环传递函数为 54321SGSGSGSGSGSG。 由于简化传感器可以极大的方便结果的计算并 且对于结果的影响微小可忽略不计，因此可将压力 传感器看成刚性，此时可将伺服控制系统简化为单 自由度质量弹簧阻尼系统，见图 3。 2.1 伺服放大器传递函数 偏差电压信号 fgeUUU− ， （1） 式中，gU为指令电压信号，V；fU为反馈电压信 号，V。 忽略伺服放大器中对计算结果影响微小的因 素，得其输出电流为 eaUKI ∆ ， （2） 式中，aK为伺服放大器增益，V/N。 伺服放大器一般视为一个纯比例放大环节，其 传递函数为 a e K U I SG ∆ 1 。 （3） 图 3 液压系统负载模型 Fig.3 hydraulic system load model 2.2 电液伺服阀传递函数 在液压系统中，伺服阀能把小的电信号转为大 功率的液压能（流量和压力）输出，所以它的性能 的优劣对系统的影响很大，因此，电液伺服阀应具 有较高的快速性，可以按二阶振荡环节处理，其传 递函数为 1 2 2 2 ∆ SV SV SV SVL SVSV SS K SI SQ GKSG ω ξ ω ， （4） 式中， sv ω为伺服阀等效固有频率，rad s；LQ为 进入油缸的流量，即负载流量； sv ξ为伺服阀等效 阻尼比，一般为 0.50.7，此处取值为 0.7；SVK为 伺服阀流量增益， n SnSn SV I PPQ K / ， 3 ms A⋅； nQ为阀的额定流量；nI为阀的额定电流；sP为实 际供油压力；snP为伺服阀通过额定流量时的规定 阀压降，一般规定 7 MPasnP ；SVG1SVK时 伺服阀的传递函数。 电液伺服阀频宽通常比液压动力元件的固有 频率高得多。当伺服阀频宽是动力元件固有频率的 3 倍以上时，其动态特性可忽略不计，可将其作为 比例环节处理，即1SGSV。 液压缸受 力设定值 PI 调节器 伺服 放大器 液压控 制原件 液压缸 及负载 X 力传感器 辽宁工程技术大学学报（自然科学版） 第 30 卷 256 2.3 阀控液压缸的传递函数 当负载为质量、弹性和阻尼系统时，阀控液压 缸的特性可用下面三个方程描述， 2 4 LqVCL t LPPipLL PLtPtPPL Q SK XSK P S V Q SA SX SC P SsP S e A P SmS X SBSX SKX SF S β ⎫ − ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ ， （5） 式中，VX为阀芯位移； c K为伺服阀的流量压力系 数； L p为液压缸的工作压力；PA为液压缸活塞的 有效面积；PX为液压缸的移动距离；iPC为液压缸 总泄露系数； t V为伺服阀出口到液压缸高压腔的油 液容积之和； Lptmmm为总的运动质量，Kg； LPtBBB为总的粘性阻尼系数，Ns/m； e β为液 压油体积弹性模数， e β（6001 200）MPa；PB为 液压缸阻尼系数，其值通常较小，可忽略；LB为 负载阻尼系数； K 为负载刚度，N/m。 由式（4） 、式（5）可得阀控液压缸的传递函 数为 1 2 1 1 0 0 2 0 2 2 2 3 ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ω ξ ωω ω SSS S K A Q F SG r m ce P L C ， （6） 式中，PA为液压缸活塞的有效面积； ce K为总的流 量压力系数，ipCceCKK； c K为伺服阀的流量 压力系数；ipC为液压缸总泄露系数；常取 123 0.4 10m /s PaipC − ⋅；mω为负载的固有频 率 ， t m m K ω；rω为 一 阶 环 节 转 折 频 率,/1/1 / 2 h P cerKKAKω；0ω为二阶环节固 有频率， K K K Kh m h h110ωωω；0ξ为阻 尼比， ]/1 [ 4 2 1 0 0 ht cee KKV K β ω ξ；hK为液压弹簧 刚度， t P e h V A K 2 4β ； 2.4 压力传感器的传递函数 因为 CffFKU ， （7） 式中，fK为压力传感器增益，V/N；cF为液压缸 压力，N；所以压力传感器传递函数为 f C f K SF SU SG 4 。 （8） 2.5 PI 控制器的传递函数 系统控制器采用 PI 调节器，传递函数可表示为 1 1 5 SK KSG i P， （9） 式中， p K为比例系数； i K为积分常数。 系统开环传递函数为 12345 G SG S G S G S G S G S 22 0 22 0 0 1/ 1 22 111 SVce Paf SVi SVr SV KA K KKK SSSKS S ξξ ωωωωω ⋅⋅⋅ 22 0 22 0 0 /1 22 111 PaSVfceii sv rsv sv KKKKA KKKS SSS SSS ξξ ωωωωω ⋅⋅⋅⋅⋅ 22 0 22 0 0 1 22 111 Vi sv rsv sv KKS SSS SSS ξξ ωωωωω ， （10） 式中， ce pasvf V i KKKKA K KK ⋅⋅⋅⋅ ⋅ 。 3 智能调高控制系统动态特性分析 根据系统的传递函数及相关参数 [4]，利用 matlab/simulink 软件画出采煤机自动调高系统的方 块图见图 4。 图 4 数字化的自动调高系统方块图 Fig.4 control diamond chart of digital Intelligent height adjust system 650 0.004 0.108 1 Gain3 Gain4 Transfer Fon3 1.5e-6 13 1/s 183s1 2.54e-6s20.0022s1 - Gain1 Transfer Fon2 Transfer Fon1 Transfer Fon Gain 1.8e-6s25.2e-4s 3.17e9 第 2 期 崔大文基于 ADAMS/Hydraulics 与 Matlab/Simulink 的采煤机自动调高系统建模与仿真 257 图 5 系统的波德图和阶跃响应曲线 Fig.5 systems bode and step response curv 4 采煤机调高系统的建模与仿真 采用三维实体建模软件 PRO/ENGINEER 对采 煤 机 机 械 系 统 进 行 建 模 ， 并 通 过 接 口 软 件 Mechanical/Pro将PRO/ENGINEER中的模型数据导 入到 ADAMS 中，对模型定义材料并施加约束，在 ADAMS/Hydraulics 环境下建立采煤机自动调高液 压系统，并将其与机械系统耦合，对采煤机施加载 荷后进行仿真，验证调高系统的可靠性[5]。 为实现采煤机调高机构机械系统与液压系统 的联合仿真，在 ADAMS/Hydraulics 环境下，建立 液压系统模型，见图 1。将采煤机液压系统与其机 械系统进行耦合，完成采煤机调高机构液压机械系 统的协同仿真。 根据调高时间及施加载荷时间将仿真时间设 置为 10 s。从 0 s 开始系统进行调高，到 2.7 s 滚筒 开始转动，5 s 调高结束且滚筒开始截煤直到 10 秒 仿真时间结束。将仿真步长设置为 0.001，运行仿 真。仿真结束后提取仿真曲线，图 6 为液压缸 A 腔 压力曲线，图 7 为滚筒高度方向位置曲线，由图可 见，虽然调高刚开始时 A 腔压力震荡，但经过大约 0.3 s 时间波动后压力基本稳定； 调高结束后由于滚 筒开始截煤使液压缸的压力增大，压力值在 3 MPa 到 38 MPa 范围内波动。因为液压系统中的液体具 有可压缩性，在 ADAMS 中把液体看做弹簧阻尼 系统， 因此产生振动是与实际情况相符合的； 从 5 s 到 10 s 这段时间，滚筒开始截煤，液压缸压力值虽 存在波动，但波动幅度很小，说明系统是稳定的。 图 6 液压缸 A 腔压力曲线 Fig.6 cylinder pressure curve of A chamber 图 7 滚筒高度方向位置曲线 Fig.7 altitude curve of roller 5 结 论 分析了采煤机自动调高系统的工作原理，并建 立其数学模型，加深了对现有自动调高系统的认 识； 利用 Matlab/Simulink 软件对其动态特性进行分 析，基于 ADAMS/hydraulics 验证了仿真模型的可 靠性，从而为采煤机自动调高系统的研究与应用提 供理论依据，对于采煤机械的设计和制造有着非常 重要的现实意义。 参考文献 [1] 张利平,邓钟明. 液压气动系统设计手册[M]. 北京机械工业出版 社,1997. 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