基于AMESim的矿用制动实验台液压系统设计与仿真研究

周新建,王云飞，朱华双，马晨飞，邵宏斌

(西安科技大学机械工程学院，陕西西安 710054)

0 前言

煤矿开采设备主要包含有采煤机、刮板输送机、破碎机以及液压支架等设备，其中采煤机是井下开采的重要核心设备，而制动器又是采煤机安全设备的重要组件。制动器的制动效率直接关系到采煤机能否进行安全开采，它是采煤机的主要性能之一，采煤机的制动性能很大程度上取决于制动器[1]。由于采煤机专用的制动器出厂需要进行严格的安全检验，因此设计检测采煤机制动器性能的实验台十分重要。

目前制动器实验台惯量模拟的方式主要有2种：机械惯量式和电惯量式[2]。机械惯量式实验台的原理是：使用驱动电机将机械飞轮加载到最大转速后，电机开始断电，同时制动器开始制动飞轮盘，制动结束后可以测定相关参数，例如磨损量、制动时间、制动温度、噪声等；电惯量式实验台也是使用电机来带动机械飞轮盘进行高速旋转，此时电机实现了转动惯量的模拟。机械惯量式主要依靠体积较大的机械飞轮来提供转动惯量，由于飞轮体积大且较重，更换及安装都比较困难，会有较大的安全隐患。电惯量式是由电机和飞轮一起来实现转动惯量的模拟，电机转速的控制方式与其他方式比较来看，其控制方式比较复杂，使用及维护的成本较高。

文中用的实验台惯量模拟方式是液惯量式，采用电机带动变量液压泵，由液压泵带动液压马达，再由液压马达带动一个体积较小的飞轮旋转来提供转动惯量。这种由变量柱塞泵和定量液压马达所组成的系统，既能避开电惯量控制复杂的缺点，又能避开机械惯量对应的缺点[3]。这种液压系统通过改变溢流阀的压力大小，实现模拟惯量的无级变化。控制系统较为简单，实验台结构紧凑，安装方便。本文作者使用AMESim软件对液惯量式实验台的液压系统进行设计与仿真分析，验证其合理性。

1 液压系统工作原理

实验台液压系统原理如图1所示，它由驱动电机、变量柱塞泵、定量液压马达、伺服阀、制动电机、电磁换向阀、制动器等组成。实验台液压系统由液压驱动系统和液压制动系统两部分组成。首先介绍液压驱动系统：驱动电机8的额定转速为1 500 r/min,额定功率为75 kW, 驱动电机8通电后开始工作，带动变量柱塞泵9，泵的排量为160 mL/r；由于单独依靠驱动电机8和泵9，系统油压很难达到期望压力值，此时需要蓄能器32来稳定和增加系统油压，蓄能器32的最大预充压力可以达到10 MPa；比例溢流阀14用于调节系统的压力，在0～35 MPa可调；伺服阀17的阀口全开电流为40 mA,默认状态是中位，当电流满足条件后，左位开始工作，液压油进入定量液压马达21，马达的额定转速为1 500 r/min，由马达21带动主轴旋转，飞轮盘24安装在主轴的一端，飞轮旋转来模拟转动惯量，方便进行制动实验。其次介绍液压制动系统：制动电机10在通电后开始工作，带动制动泵组11将液压油压出；当液压油流到电磁换向阀18时(换向阀的额定压力为35 MPa，阀口全开电流为40 mA),当电流满足条件后，换向阀18的左位开始工作，液压油通过制动器的进油口进入液压缸，压缩弹簧，进而使摩擦盘和制动盘之间产生摩擦，使电机齿轮轴快速停止旋转；同时高速旋转的飞轮盘也随即停止转动,此时换向阀18电流为-40 mA,电磁换向阀右位工作，液压油回流油箱。

图1 实验台液压系统原理Fig.1 Hydraulic system schematic of test bench

2 液压关键元件选型

2.1 变量泵的选型

实验台的动力元件为变量泵，实验台可以提供的转动惯量和扭矩由泵的动力性能决定，实验台对制动力矩的设计要求是0～2 000 N·m，因此采用变量泵来达到这一要求。选择变量泵需要考虑流量、工作压力、寿命、价格、噪声等因素[4-5]。以上提及的因素可以通过手册查询。文中采用轴向柱塞泵进行理论计算。

(1)液压泵的压力计算

pp≥p1+∑Δp

(1)

其中:p1为系统工作压力;pp为额定工作压力;∑Δp为液压泵到马达之间的压力损失。根据经验选取工作压力比额定压力大0.5～1 MPa,文中选取变量柱塞泵的工作压力为35 MPa。

(2)液压泵的流量计算

qp=K∑qmax

(2)

其中：K为液压损失系数，数值由经验可得，取K为1.1；qmax为最大流量(m3/s)。根据最大扭矩及压力，选择泵的型号：A10VSO140DR，该液压泵的排量为160 mL/r,查手册知与之匹配的马达排量为350 mL/r，最大工作压力为35 MPa，在最大流量下的马达扭矩为

T=(V×p)/2π=(350×35)/2π=1 950 N·m

其中：V为排量(mL/r)；p为工作压力(MPa)。

2.2 定量马达的选型

文中的液压马达的作用是驱动飞轮，从而转动惯量的模拟。马达的选取需要考虑寿命、噪声、价格等因素[6]。马达分为高速马达和低速马达，高于500 r/min的称为高速马达，低于500 r/min的称为低速马达。文中期望的最高转速为1 500 r/min,故选择高速马达，马达型号可通过查阅机械手册获得。

马达以驱动负载为目的，则用马达的最大负载扭矩Tmax、机械效率ηm、工作压力p来计算马达的排量Vm，如公式(3)所示：

(3)

经分析及计算可知实验台液压系统的最大工作压力为35 MPa，由于泄漏问题导致出口压力大约为32 MPa，管道运输损失Δp约为0.5 MPa， 实验台液压系统中元件运行导致的压力损失Δp约为0.5 MPa，ηmin为机械效率，文中取0.98，通过式(3)可以计算出马达最大排量：

经过计算，最终选取马达型号为A2F355R5P1，能够满足实验台液压系统对压力和转速的需求。经计算，变量泵和定量马达组成的节流调速系统满足实验台要求，接下来进行仿真验证。

2.3 实验台最大制动扭矩

采煤机在紧急工况下需要进行紧急制动，制动器是制动中最重要的器件，实验台的实验目标是模拟制动器制动时所产生的最大制动扭矩，制动回归方程为

M(t)=M1(1-e-τt/t1)

(4)

其中：τ为结构参数；M1为静力矩；t为制动时间；M(t)为制动力矩。制动力矩与角速度的关系为

(5)

假设电机的初始角速度为0，根据采煤安全规程假设制动时间为0.3 s,电机的角速度初始值为ω0=153.7 rad/s,代入上式可以得到制动力矩为：M1=1 072.39 N·m。

3 液压系统的仿真

3.1 仿真模型

在 AMESim 仿真软件的草图模式下，根据实验台液压系统原理搭建对应的仿真模型,实验台液压系统的整体仿真模型如图2所示，盘式制动器可以被简化成质量块、液压油缸和弹簧的组合[7-9]。液压系统模型搭建完成后，进入仿真软件的子模型模式，为模型中的每个元件选取符合要求的数学模型。在此系统中可以使用优选子模型功能选择对应的数学模型。接下来在参数模式中给每个子模型设置与理论计算一致的参数,参数如表1所示。

图2 液压系统仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic system

表1 液压系统主要仿真参数Tab.1 Main simulation parameters of hydraulic system

3.2 实验台液压系统仿真分析

由于实验台液压系统的液压期望达到25 MPa，单独靠实验台液压系统可以加载到15 MPa，所以需要蓄能器的参与，提供10 MPa的压力来帮助系统压力达到25 MPa，并将压力稳定下来，方便进一步的实验及测试。在AMESim仿真软件中，蓄能器按优选子模型选定为型号HA001的蓄能器，伺服阀7在断电状态下蓄能器开始进行预充压过程，通过驱动电机、变量泵、溢流阀来进行调定[10-14]。仿真参数如表1所示。

在AMESim软件参数设定环节将电磁换向阀的信号设置为阶梯信号，电流为40 mA。电磁换向阀11在0～10 s期间，处于断电状态，蓄能器开始进行预充压，模拟正常工作前向蓄能器充压；在10～200 s时间段，电磁换向阀得电，左位开始工作，模拟蓄能器向实验台液压系统充液稳压及电机带动液压泵工作的过程，在t=200 s时开始制动模拟制动器制动的过程。

设定仿真总时间为240 s，设置打印间隔为0.01 s。运行仿真后得到的实验台液压系统压力变化曲线如图3所示，主轴转速变化曲线如图4所示，制动扭矩变化曲线如图5所示。

图3 实验台液压系统压力变化曲线

图4 实验台主轴转速变化曲线Fig.4 Spindle speed change curve of test bench

图5 实验台制动扭矩变化曲线Fig.5 Braking torque curve of test bench

由图3可知：在0～10 s为蓄能器预冲压过程，当电磁换向阀左位工作时，系统开始工作。当蓄能器压力为10 MPa时，系统压力稳定在24.224 MPa左右，接近实验台的期望压力25 MPa。由图4可知：液压马达带动飞轮主轴，从而带动飞轮旋转，模拟机械惯量，期望达到1 500 r/min，在10～200 s时间段，电磁换向阀得电，左位工作，电机带动液压泵，液压泵将液压油压出，在蓄能器的帮助下，系统液体压力达到24.224 MPa，带动液压马达快速旋转，液压马达带动飞轮主轴，进而带动飞轮旋转，模拟机械惯量，最后飞轮的转速达到1 492.31 r/min，接近马达的额定转速，达到了实验台的预期值，方便进一步实验及测试。由图5可知：随着系统压力的增加，主轴转速不断增加，当转速达到最大时，制动器开始制动，最大的制动扭矩达到1 063.56 N·m，跟理论计算的结果相差不大，符合预期要求。

4 实验验证

矿用制动装置液惯量式模拟实验台原理如图6所示，它主要包含采煤机等设备工况模拟系统和性能测试系统，可以对矿用制动设备进行测试，如动制动扭矩、静制动扭矩、摩擦片温度、主轴转速、系统压力等。通过测试和实验可以深入研究矿用设备在不同工况下的制动参数和性能，建立契合实际多因素矿用制动液惯量式仿真模型，为制动设备结构优化及制动性能的提升提供实验数据，以便进行实验验证。实验台整体结构如图6所示，通过驱动电机带动变量柱塞泵，变量柱塞泵带动液压定量马达，液压定量马达带动体积较小的机械飞轮盘高速转动，矿用制动器安装在主轴末端。该矿用制动装置液惯量式液压实验台主要由电机带动变量泵提供的动力系统、电控系统、测控系统、机械飞轮盘、矿用制动器等部分组成。

图6 矿用制动装置液惯量式模拟实验台原理

通过实验，得到的系统油压、制动扭矩及主轴转速的变化曲线如图7—图9所示。

图7 系统油压变化曲线Fig.7 System oil pressure change curve

图8 制动扭矩变化曲线Fig.8 Braking torque curve

图9 转速变化曲线Fig.9 Speed change curve

通过统计转速、系统油压及制动扭矩的实验数据统计，发现系统最大转速为1 499.39 r/min，系统最大压力为24.98 MPa，最大扭矩为1 051.19 N·m。不难看出实际实验和仿真及理论计算的结果相差不大，因此通过仿真来进行液压元件选型验证是可行的。该方法设计及验证周期短，通过理论计算和仿真的双重验证，对实验台的液压系统设计及验证提供了可靠参考。

5 结论

结合液惯量式实验台的工作原理及理论计算，再根据AMESim软件对液压系统的仿真分析以及实验对比，得出以下几个结论:

(1)分析了机械惯量式模拟和电惯量式模拟的原理后，提出了液惯量式模拟。这种惯量模拟方式采用变量柱塞泵加定量液压马达组成节流调速系统，控制较为简单，操作安全，容易实现实验台各种性能参数的无级变化，具有可实现性。

(2)通过理论计算选择实验台所需的元件，再通过仿真搭建模型，进一步验证，符合要求后再进行采购，搭建实验台，进行最后的实验验证。最终实验台可以进行如下实验：制动装置性能检测实验、制动装置摩擦副磨损寿命实验、制动装置摩擦副热衰退实验。

(3)通过仿真分析和实际实验对比，实验台可实现以下3点要求：液压系统压力达到24.98 MPa，主轴转速达到1 499.39 r/min，扭矩可达到1 051.19 N·m，符合预期要求。

(4)通过对实验台液压系统进行理论计算选型、搭建模型进行仿真分析与实验验证，加深了对实验台液压系统的理解，指导煤矿技术研究人员，根据实际工况要求来设计和调节实验台液压系统具体参数，保证了整个实验台液压系统设计的准确性。