大吨位提升机箕斗过放液压缓冲系统冲击性能研究

余阿东

（信阳职业技术学院汽车与机电工程学院，河南 信阳 464000）

1 引言

在煤矿立井运输装备中，提升机箕斗是重要的装载容器，国内提升机箕斗名义载荷最大达32.5t，国外最大达50t[1-3]。为安全控制箕斗提升下放速度，箕斗起停速度曲线基本采用S型[4]，中间速度曲线为恒定值，即箕斗运行的最大速度，因此箕斗大部分处于重载高速运行状态。在箕斗下放末端减速阶段，若其制动系统发生故障失灵，箕斗会对末端限位减振装置造成重创，即发生下放过卷事故[5-6]。

箕斗过放对箕斗本体、其他辅助设备或井下人员有较大伤害，产生不可预估的经济人员损失[7-8]。早期，煤矿主要使用浸泡沥青的枕木作为井下防撞梁缓冲吸收箕斗过放冲击[9]，防撞梁缓冲能力不足，常致箕斗发生不同程度的变形甚至损坏。针对这种不足，文献[10]提出在马达出口并联溢流缓冲回路，箕斗发生过放触动电磁阀切换至缓冲回路，进而吸收箕斗过放冲击，该系统只适用在马达驱动箕斗的煤矿中，推广应用较差；文献[11]使用大流量插装溢流阀、蓄能器组合缓冲吸收立井箕斗过卷冲击，对比了插装式溢流阀开启压力对系统性能的影响情况，该方法可借鉴于箕斗过放系统中。

近几年，液压缓冲技术逐步完善，文献[12]提出并设计了立体车库过放液压缓冲系统，研究表明：在不发生撞缸的条件下，减小溢流阀弹簧刚度和预压缩量有助于降低缓冲缸压缩腔压力冲击和提高缓冲缸吸能量；文献[13]对立体车库液压缓冲系统进行了改进，仿真分析节流阀对取车过放节流缓冲特性的影响程度。总结现有液压缓冲技术的优点及应用优势，针对箕斗过放冲击，提出一种立井箕斗过放防撞液压缓冲系统，箕斗过放冲击能量主要被溢流阀和节流阀吸收，液压缸弹簧主要复位防撞垫，给出了箕斗防撞过放缓冲原理，基于AMESIM建立其仿真模型，分析了过放防撞液压系统动态性能，为实际推广应用提供理论参考。

2 新型立井箕斗过放防撞液压缓冲系统

立井箕斗过放防撞液压缓冲系统原理图，如图1所示。

图1 过放防撞液压缓冲系统图Fig.1 Diagram of Anti Collision Hydraulic Buffer System

防撞原理为：箕斗正常运输时，提升机控制系统控制提升闸1按图中箭头所示转动，实现箕斗4提升和下放，完成运输任务，液压缸7在弹簧腔弹簧的作用下处于伸出状态，液压缸7活塞头与防撞垫5固定连接；箕斗4过放撞击防撞垫5时，防撞垫5使液压缸活塞缩回，压缩弹簧，同时弹簧腔压力增大，弹簧腔油液分两路流走，一路经溢流阀压力溢流至油箱，一路经节流阀流入液压缸有杆腔。在箕斗过放过程中，液压缸有杆腔和弹簧腔通过单向阀8补充缺失的油液，节流阀的设置，防止溢流阀响应滞后导致弹簧腔压力冲击过大。图1中所示的立井箕斗过放防撞液压缓冲系统可作为一个防撞单元，构成多组防撞系统缓冲吸收重载高速箕斗过放能量。

3 箕斗过放防撞过程数学模型

箕斗过放初始冲击动能满足方程：

式中：M0—箕斗质量；v0—箕斗过放初速度。

箕斗过放冲击防撞垫，液压缸活塞承受箕斗冲击，活塞杆防撞时受力满足方程：

式中：M—箕斗及活塞总质量；x—活塞位移；p1—液压缸弹簧腔压力；A1—液压缸弹簧侧作用面积，A1=π/4×D2；K—复位弹簧刚度；x0—弹簧初始压缩量；B—活塞滑动阻尼系数；p2—液压缸活塞杆腔压力；A2—液压缸活塞杆侧作用面积，A2=π/4×（D2-d2）；g—重力加速度。

液压缸弹簧腔流量满足方程：

式中：V1—液压缸弹簧腔容积；Vp=A1（L-x）；L—活塞行程；β—油液弹性模量。

忽略补油阀补油流量，液压缸弹簧腔流量还满足方程：

式中：C—节流系数；d1—溢流阀通径；φ—阀芯半锥角，一般取φ=45°；ρ—油液密度；d1—节流阀通径。

溢流阀阀芯开启过程阀芯受力满足：

式中：p0—溢流阀开启压力；A—溢流阀阀芯面积；m—溢流阀阀芯质量；x1—阀芯位移；B1—阀芯滑动阻尼系数；K1—溢流阀调定弹簧刚度。

4 新型防撞液压缓冲系统仿真建模建立

在AMESIM软件中搭建的立井箕斗过放防撞液压缓冲系统仿真建模，如图2所示。

仿真参数按表1设置，仿真步长设置0.001s。

表1 仿真参数Tab.1 Simulation Parameters

5 过放防撞液压缓冲系统性能分析

5.1 节流阀作用验证及初始状态性能对比

在图2所示的系统仿真模型中删除节流阀模型得到无节流阀仿真模型，如图3所示。相同参数下，对有无节流阀系统进行对比仿真，得到箕斗速度和液压缸弹簧腔压力对比曲线，如图4、图5所示。由图4、图5对比曲线得：节流阀消除了液压缸弹簧腔压力波动和箕斗过放结束后的速度波动，节流阀连通了液压缸有杆腔和弹簧腔，液压缸弹簧储存压缩油液会通过节流阀流入有杆腔，这样节流阀就吸收了残余过放能量。

图3 无节流阀仿真模型Fig.3 Simulation Model Without Throttle Valve

图4 箕斗速度对比曲线Fig.4 Skip Speed Comparison Curve

图5 液压缸弹簧腔压力对比曲线Fig.5 Pressure Comparisons of Spring Chamber of Hydraulic Cylinder

5.2 箕斗冲击动能对防撞缓冲性能影响

箕斗冲击动能分别为0.5×105J、1.0×105J、1.5×105J、2.0×105J进行过放缓冲特性仿真分析，得到箕斗冲击动能对箕斗过放防撞液压缓冲系统特性的影响，如图6所示。由图6可知：箕斗冲击动能由0.5×105J增大至2.0×105J（增大3倍），液压缸活塞杆及弹簧腔稳定压力由4.5MPa增大至18.5MPa（增大3倍多），箕斗过放缓冲时间由0.05s延长至0.3s（延长约5倍），箕斗最大位移由0.3m增大至1.5m（增大4倍）。

图6 冲击动能对防撞液压缓冲特性的影响Fig.6 Influence of Impact Kinetic Energy on the Characteristics of Anti Collision Hydraulic Buffer

5.3 溢流阀对防撞缓冲性能影响

溢流阀开启压力分别为20MPa、25MPa、30MPa、35MPa，仿真得到溢流阀开启压力对箕斗过放防撞液压缓冲系统特性的影响，如图7所示。由图7可知：溢流阀开启压力由20MPa增大至35MPa（增大0.75 倍），液压缸活塞杆腔稳定压力由18.5MPa 增大至24MPa（增大约0.4 倍），箕斗缓冲时间由0.3s缩短至0.18s（缩短0.4倍），箕斗最大位移由1.5m减小至0.8m（减小约0.5倍）。

图7 溢流阀开启压力对防撞液压缓冲特性的影响Tab.7 Influence of Relief Valve Opening Pressure on Anti Collision Hydraulic Buffer Characteristics

5.4 节流阀对防撞缓冲性能影响

节流阀通径分别为2mm、3mm、4mm、5mm，仿真得到节流阀对过放防撞液压缓冲系统特性的影响，如图8所示。由图8知：节流阀通径对箕斗位移基本没有影响，仅对液压缸后期压力变化产生一定影响。显然，过放阶段溢流阀起主要缓冲作用；在箕斗过放结束后，节流阀主要吸收箕斗过放储存在液压缸弹簧腔冲击能量，防止液压缸弹簧产生持续压力波动和箕斗速度波动。

图8 节流阀通径对过放防撞液压缓冲特性的影响Fig.8 Influence of Throttle Valve Diameter on Hydraulic Buffer Characteristics of Over Discharge Anti Collision

6 大吨位箕斗过放缓冲冲击分析

前面研究的小吨位箕斗过放缓冲系统（箕斗质量为3t）可完全应用于大吨位箕斗过放工况，针对40t箕斗过放工况，使用8个吸能单元进行冲击吸收，如图9所示。

图9 大吨位箕斗过放防撞吸能系统Fig.9 Anti Collision Energy Absorption System for over Discharge of Large Tonnage Skip

结合小吨位箕斗过放防撞吸能冲击仿真方法，仿真得到的大吨位箕斗过放防撞冲击性能曲线，如图10所示。由图10可知：所研究的小吨位吸能防撞单元完全适用于大吨位箕斗过放缓冲工况；质量为40t，过放速度10m/s的箕斗过放工况下，缓冲时间为0.29s，箕斗缓冲位移为1.46m，缓冲腔压力基本维持在20MPa，显然8个吸能单元组成的大吨位箕斗过放缓冲系统缓冲过程平稳，40t的箕斗减速平缓，系统冲击小。

图10 大吨位箕斗过放防撞冲击性能曲线Fig.10 Anti Collision and Impact Performance Curve of Large Tonnage Skip over Discharge

7 结论

基于箕斗易过放提出新型箕斗过放防撞液压缓冲系统，该系统主要通过溢流阀吸收箕斗过放冲击动能，液压缸弹簧腔压缩储存的液压能可通过节流阀释放，在建立防撞缓冲系统数学模型的基础上，借用AMESIM对新型箕斗过放防撞液压缓冲系统特性展开仿真研究，仿真验证了节流阀吸收液压缸压力波动的缓冲效果，研究了箕斗冲击动能、溢流阀开启压力、节流阀通径对新型箕斗过放防撞液压缓冲特性的影响规律，为后续实验验证提供理论参考，主要得出以下结论：

（1）箕斗冲击动能增大3倍，液压缸活塞杆及弹簧腔稳定压力增大3倍多，缓冲时间延长约5倍，箕斗最大位移增大4倍。

（2）溢流阀开启压力增大0.75倍，液压缸活塞杆腔稳定压力增大0.4倍多，缓冲时间缩短0.4倍，箕斗最大位移减小约0.5倍，调节溢流阀开启压力可有效控制箕斗位移。

（3）箕斗过放冲击动能主要由溢流阀吸收，节流阀主要缓冲吸收液压缸弹簧腔压力波动。

（4）由吸能防撞单元组成的大吨位箕斗过放缓冲系统缓冲冲击小，箕斗降速平缓。