液压支架上升回路的AMEsim建模和仿真

刘晓莲， 李坤， 赵雄鹏

（1. 太原重工股份有限公司，太原030000；2. 山西焦煤机电装备电子商务有限公司，太原030000；3. 广州博创智能装备有限公司，广州511450）

0 引 言

在液压支架的工作循环中，包括了卸载降柱、移架、升柱初撑等工序[1]。液压系统的流量和压力是随着工况和时间的变化而动态变化的，在常规静态计算中，初撑时间和液控系统响应的滞后时间等因素往往被忽略，所以静态计算数据存在着一定的误差，因此通过仿真手段对动态数据进行计算十分必要[2]。

利用AMESim 建立仿真模型[3]，并对液压支架上升工况的立柱和平衡缸液压回路进行压力和位移的动态特性仿真分析，验证模型建立的正确性，可为液压支架液压系统建模和仿真提供依据，进而为结构和控制参数的优化提供指导。

1 液压支架机械结构

液压支架机械部分包括顶梁、四杆机构、平衡缸、立柱和底座；液压部分包括立柱升降系统和平衡缸浮动系统[4]。因为液压支架的对称性，所以只建立一个立柱的机液模型，掩护式液压支架机构图如图1 所示。

图1 掩护式液压支架机构图

在立柱上升过程中，顶梁被顶起，同时由于掩护梁和平衡缸对顶梁的铰连接使得顶梁出现“高射炮”情况。当顶梁前段接触到顶层煤时，顶梁在煤层和支架其他部分共同作用下调平。

2 液压支架液压系统回路原理

2.1 立柱液压回路

液压支架单个立柱缸原理图如图2 所示。立柱上升时，高压乳化液的流通路线为：高压供液路P→反冲洗过滤器→主控制阀→旁路阀→液控单向阀→立柱下腔→立柱上腔→主控制阀→回液断路阀→主回液管路→油箱。

图2 液压支架单立柱原理图

2.2 平衡缸液压回路

平衡缸浮动双向锁液压回路如图3 所示。当升立柱时，其控制液同时打开高压锁，使得平衡千斤顶浮动双向锁在低压锁调定压力限定下工作。立柱触顶增压过程中，平衡千斤顶活塞腔增压，当达到浮动双向锁调定压力时，低压锁打开，平衡千斤顶及时卸压。低压锁具有一定的调定压力，因为在升柱初撑过程中，顶板压力较小，这样也可以防止支架出现“打高射炮”状态，影响支架对顶板的支护性能。立柱水平接顶压实后，来自立柱的升柱控制液消失，浮动双向高压锁关闭，维持普通双向锁功能。因为本文只模拟立柱上升阶段的情况，所以双向液压锁一直打开，因此简化了模型，忽略了双向液压锁。

3 液压支架系统AMESim建模

根据机械结构和液压系统原理图搭建AMESim 仿真模型，如图4 所示。液压支架模型平面机械简图如5 所示。

模拟立柱上升阶段，立柱上升14 cm，直到顶板与顶层煤平行接触。

图3 平衡缸浮动双向锁液压控制回路

图4 液压支架上升系统回路模型

图5 液压支架模型平面机械简图

以液压支架ZY12000/28/64 型号为基础，液压参数如表1 所示，机械参数如表2 所示。

进油控制信号前2 s 为0，使得系统管路充满液压油，2～4 s 给阶跃信号40 null；传感器测量角位移，反馈函数为x-y，比例增益为-100 000；函数y 口输入参数0～2 s 为9 null，2.0～3.5 s 从9～12 null 线性上升，3.5～4.0 s 从12～0 null。

4 液压支架上升工况仿真分析

4.1 立柱上升仿真结果和动态分析

立柱位移图如图6 所示。开始时立柱在5.5 m 处，且有轻微的波动；2 s 时，立柱基本保持稳定。2～4 s 时立柱稳步上升14 cm，3.5 s 时出现波动，此时顶梁前段触顶并开始调平。

立柱下腔压力如图7 所示。下腔压力在0～2 s 内在0.14 MPa 上下波动；2.0～3.5 s 保持压力0.14 MPa；3.5 s 在顶梁前段触顶后，压力波动较大，最后趋于稳定在2 MPa。由此判断，立柱初始的波动是顶梁压在立柱上，使得立柱压力、位移出现一定的波动；在3.5 s时，因为触顶后有负载加载到顶梁传递到立柱，使得立柱压力和位移出现波动。

表1 液压支架液压参数

表2 液压支架机械参数

图6 立柱位移图

4.2 平衡缸仿真结果和动态分析

平衡缸位移如图8 所示。平衡缸初始位置活塞杆伸出0.63 m，开始时有不足1 cm 的位移波动，2 s 时，位移基本保持稳定在0.63 m；2.0～3.5 s 时平衡缸杆伸出到0.65 m，3.5～4.0 s 时平衡缸杆缩回到0.5 m。整个过程都较平稳地进行，没有出现较大的波动，且运动范围都在平衡缸的行程之内，没有出现平衡缸超载运行的情况。

图7 立柱下腔压力

图8 平衡缸位移

图9 平衡缸活塞腔压力

图10 平衡缸有杆腔压力

平衡缸活塞腔和有杆腔压力如图9 和图10 所示。从图中可以看出，平衡缸活塞腔压力从0～3.5 s 基本保持零压；3.5～4.0 s 时下腔压力出现波动，最大压力达到7 MPa，最终下腔压力为4 MPa。有杆腔压力相应地从0～2 s出现波动，最大波动压力为2.3 MPa，然后趋于零压；2.2～3.5 s 时压力保持在1.6 MPa；3.5～4.0 s 时有杆腔压力基本保持低压0.5 MPa 之内。

结合顶梁和立柱的运动情况可以看出，平衡缸的主要作用在于调节顶梁姿态，使顶梁能够与顶板煤层平行。2.0～3.5 s 时，在顶梁倾角变大的作用下，使得平衡缸活塞杆伸出，下腔没有承载压力；当顶梁前段触顶并开始调平时，平衡缸活塞杆受压缩回。由于平衡缸采用浮动双向锁回路，平衡缸腔内压力不大。

5 结 论

以ZY12000/28/64 型号为基础建立主要仿真参数，利用AMESim 仿真软件，对液压支架上升工况的立柱和平衡缸液压回路进行建模和仿真，并对结果进行分析。仿真结果表明了所建模型的正确性和有效性，动态特性仿真结果符合液压支架工况规律。