基于AMESim的中心回转式清仓机液压系统动态特性研究

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(1. 江苏师范大学机电工程学院, 江苏徐州 221116； 2. 中国矿业大学机电工程学院, 江苏徐州 221008)

引言

煤仓安装于煤矿井下，是原煤采出后临时储藏和转运的重要装置。然而，由于受煤炭开采工艺的影响，原煤采出后自身会携带一定含量的水分，随着含水原煤对煤仓的不断输入与输出，会使得原煤在煤仓壁上形成一层粘结物，称之为粘煤。粘煤的积累会使煤仓壁表面粗糙不平，并使原煤在煤仓中的运输严重受限。这种缺陷制约了井下原煤的运输，使生产效率严重降低。为保证生产过程的不间断，需要经常性地对煤仓进行清理[1-2]。

由于机械化和自动化技术的不断发展，传统的人工清理煤仓方式显然难以满足大型煤矿的生产需要。

近年来，随着液压技术在煤矿产业中的运用，人们对于液压设备工作的可靠性也愈发认同。因此，本研究设计了一种中心回转式全液压清仓机，并对其液压系统进行了仿真分析与研究，旨在实现矿用清仓设备的智能化和自动化，为矿井安全建设的进一步发展奠定坚实基础。

1 中心回转式清仓机结构原理

本研究旨在解决直径为5 m、高度为40 m的立筒式煤仓积煤清理的问题。通过对井下设备布置情况、巷道设置情况的考察，发现煤仓口位置的空间较为局促，不利于大型设备的安装，因此拟采用结构相对紧凑的液压驱动作为动力源。

针对割煤的问题，本研究借鉴滚筒式煤机的割煤方法，使用截锥体形式的截割头进行铣削落煤。通过参照传统的滚筒式采煤机工作原理，拟在工作臂末端设置1个截割头，该截割头前端均匀布置了成45°角的3排切割头，以满足切煤要求；同时，本研究拟设计一回转机构，用于驱动工作臂沿煤仓轴向旋转，该回转力用于克服截割头回转割煤时的阻力；清仓机工作时，需要由一套提升设备下放至工作位置，为了尽量减少配套设备数量，拟采用液压绞车提升下放；液压泵站则放置在煤仓仓口，供工人操作。

图1为所设计的中心回转式液压清仓机具体结构。

1.工作臂 2.支撑臂 3.悬吊机构 4.回转机构 5.主机架 6.配重装置 图1 中心回转式液压清仓机

(1) 工作臂，工作臂作为清仓机重要的执行机构，承担着最主要的切割煤任务；2个工作臂对称布置，并由回转机构驱动；在割煤过程中，工作油缸缓慢进给，在保证割煤效率的同时，避免由于进给量过大，造成清仓机超负荷工作的情况；工作臂回转环绕式的割煤方式，不存在工作死角，运行稳定、效率高；

(2) 支撑臂，本研究所设计的支撑臂并不需要提供足以撑起整个清仓机的摩擦力，因为承重的任务主要由钢丝绳承担，支撑机构只是防止因整机重心偏离而产生的倾覆现象；其主要工作机构为3个沿煤仓径向均布的支撑油缸；摩擦力由支撑油缸与煤仓壁接触表面提供；

(3) 回转机构，回转机构可绕煤仓轴向转动，回转机构安装有液压马达，为了达到合理的转速，同时避免马达承受径向力和轴向力，故采用一对开式齿轮进行传动；

(4) 主机架，主机架由上下两层安装盘所组成，为保证主机架的强度，主机架上多处设有筋板；安装盘上设置可供起吊使用的吊环盘，与液压绞车的钢丝绳相连接；

(5) 配重装置，由于液压马达处于整机单侧，为与之相平衡，故设有配重装置，避免因重心偏移导致整机倾覆。

2 液压系统的工作原理

本研究设计的清仓机采用单泵开式循环系统，满足截割参数、回转参数、支撑参数和提升参数的要求，其中单泵的结构形式为定量泵，供油工作油缸、支撑油缸、回转马达和液压绞车4个执行机构。这4个机构分别实现割煤、旋转、支撑、提升的功能，调速方式为进油节流调速，图2为具体液压原理图。

1.液压泵站 2.调速装置 3.三位四通换向阀 4.液压绞车 5.回转马达 6.液压锁 7.工作油缸8.支撑油缸 9.分流集流阀图2 中心回转式清仓机液压系统原理图

(1) 液压泵站，该泵站安装在煤仓口位置，包含有矿用防爆电机、定量泵、溢流阀、二位二通手动换向阀、过滤器和油箱。

其中，定量泵的结构形式为齿轮泵，具有抗污染能力强，故障率低的特点，适于井下使用；液压泵站的定量泵出口压力的稳定由溢流阀控制。

(2) 调速装置，其中工作油缸和支撑油缸速度的控制是由单向节流阀来调节的，它由1个节流阀和单向阀组成；另外2个马达的回转速度，是通过调速阀进行调节的。

(3) 手动换向阀，本研究所使用的是三位四通换向阀，4个换向阀具有2个中位机能：O形和M形。其中，O形中位机能的特点是换向阀在中位时具备保压功能，M形中位机能的特点是当换向阀处于中位时，系统可以直接卸载。

(4) 液压绞车，内含1组制动装置，当换向阀处于右位时，制动油缸内的弹簧推出活塞杆将液压绞车制动；当换向阀处于左位时，梭阀选取两侧油路中的高压，推动活塞杆缩回，液压绞车开始工作；当换向阀处于中位时，系统直接卸载，马达不工作。

(5) 回转马达，回转马达内设有双向溢流阀，以减少在启动和制动时产生的冲击，实现对液压系统的保护。

(6) 液压锁，液压锁由2个液控单向阀组成，当换向阀位于中间时，实现支撑回路、变幅回路中油路锁紧进行保压的功能。

(7) 工作油缸，推送截割头到煤仓积煤位置，进行回转割煤的工作。

(8) 支撑油缸，主要为了防止清仓机重量分布不均而产生的倾覆，中部法兰连接安装支撑头，以加大与煤仓壁的摩擦系数。

(9) 分流集流阀，目的是保证在回路的工作过程中，支撑油缸中3个油缸速度一致，以及工作油缸中2个油缸的速度一致，进而使清仓机处于煤仓中心位置，提高工作效率。

3 仿真分析

3.1 回转回路

回转回路是清仓机液压系统中重要的工作回路，它需要提供给工作机构回转割煤时所需的压力和流量，满足其转速和输出扭矩的要求[3-5]。本研究所设计的回转回路是典型的定量泵-定量马达系统，采用进油节流调速的方式对回转马达进行转速调节。通过对该回路进行动态分析，可较为直观地得出回转马达的转速、压力、流量等参数的变化[6-8]。

通过液压元件子模型库可构建出回转回路进油节流调速仿真模型，如图3所示。表1是仿真回路中各元件参数的设置。

图3 回转回路仿真模型

液压元件子模型参数设置参数值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵额定转速/r·min-11480马达MO001马达排量/mL·r-1664马达额定转速/r·min-1600负载转矩FR1R000库仑摩擦转矩/N·m1200转动惯量RL02转动惯量/kg·m21.25溢流阀RV00安全阀开启压力/MPa16

具体仿真工况设置为：其中节流阀通径规格为10 mm，仿真时间设置为15 s，仿真结果如图4～图6所示。前5 s，换向阀处于中位，回转马达静止，此时负载转矩设定为0；后10 s，换向阀处改变到右位，回转马达开始转动，负载转矩设定为1200 N·m。最终可得到以下仿真结果。

图4 回转马达压力变化曲线

图5 回转马达流量变化曲线

图6 回转马达转速变化曲线

由仿真结果可以看出，在仿真过程中，负载转矩呈现出一种阶跃性的变化，用于模拟截割头与积煤接触瞬间的负载变化；由图4可以看出，回转马达的输入压力为11.4 MPa；从图5中可以看出，通过设定节流阀合理的开口量，使得回转马达在换向瞬间，输入流量提升至26.6 L/min，而后趋于稳定；由图6可知，马达最终的稳定转速为40 r/min。以上结果符合设计要求。

图7 支撑回路仿真模型

3.2 支撑回路

中心回转式清仓机在开始工作时，为使其处于在煤仓中间，必须确保支撑回路中的3个支撑油缸的工作状态一致。图7为搭建支撑回路仿真模型，支撑回路中各元件仿真参数的设置如表2所示。

表2 支撑回路仿真模型参数设置

具体仿真工况设置为：设置仿真时间为60 s，设置控制安全阀的压力为16 MPa。煤仓内部的直径会因积煤而经常发生变化，且本研究针对支撑回路的仿真主要是为了校验其同步性能，因此0～60 s负载转矩设定为0不变，使油缸自由运动至其极限位置。图8、图9为3个支撑油缸的进口压力变化曲线及流量变化曲线。

图8 支撑油缸压力变化曲线

图9 支撑油缸流量变化曲线

分析图8和图9知，3个油缸的压力、流量曲线数据保持一致，说明中心回转式清仓机的支撑油缸在工作时同步率较高，能够符合中心回转式清仓对支撑油缸同步性的要求。

3.3 工作油缸回路

通过液压元件子模型库构建的工作油缸回路仿真模型如图10所示。工作油缸回路中各元件仿真参数的设置如表3所示。

图10 工作油缸回路仿真模型

液压元件子模型参数设置参数值泵PU001泵排量/mL·r-120.1泵额定转速/r·min-11480油缸HJ020活塞直径/mm90活塞杆直径/mm63活塞行程/m1.08液控阀CV005单向阀开启压力/MPa0.3节流阀OR0000-1节流口直径/mm3溢流阀RV00安全阀开启压力/MPa16

具体仿真工况设置为：其中节流阀通径规格为10 mm，将仿真时间设置为20 s。0～15 s间，换向阀处于右位，负载设置为0，模拟工作油缸自由伸出，未接触到煤仓积煤的工况；15～20 s间，换向阀保持右位不变，模拟工作油缸末端的工作头接触到煤仓积煤，并继续进给捣松积煤时的工况，负载设定为60 kN。通过合理设置节流阀的开口量，使进入两工作油缸的流量符合设计要求，仿真结果如图11～图13所示。

图11 工作油缸压力变化曲线

图12 工作油缸流量变化曲线

图13 工作油缸速度变化曲线

从仿真结果可以看出，由于两工作油缸的负载相同，因此输入压力均为9.5 MPa，符合设计要求；从图12中可以看出，通过进油节流调速，最终进入两工作油缸的流量均为9.97 L/min，在工作油缸末端的截割头接触到积煤的瞬间，流量曲线出现短时间振荡，但最后趋于平稳，仿真结果合理；分析图13，可知工作油缸回路中这2个工作油缸的活塞运动速度为-0.025 m/s。之所以会出现负值，是因为与系统默认方向相反，活塞实际运动速度为0.025 m/s，仿真结果亦符合预期设计要求。

4 结论

(1) 对于回转回路，进行了调速特性仿真分析，得出采用进油节流调速方式具有速度调节范围广和压力波动小的优点；

(2) 对于支撑回路，通过仿真分析得出采用分流集流阀的仿真回路，3个支撑油缸压力和流量始终保持一致，进而论证了该回路满足同步动作的实际工况；

(3) 对于截割回路，通过仿真分析可以得出系统压力波动小，截割马达回转平稳的结论。

通过对以上3个基本回路的仿真分析，可以对本设计中心回转式清仓机液压系统进行较好的性能评估，以便优化系统，实现清仓机整机与实际工况更好地匹配。