冲击破岩掘进机工作机构液压系统仿真分析_刘勇.pdf

o 冲击破岩掘进机工作机构液压系统仿真分析刘 勇，李晓豁 o o o o o o Yg，（鞍山森远路桥股份有限公司，辽宁 鞍山；广东文理职业学院，广东 廉江）摘 要：利用 o 建立工作机构的三维实体模型，使用 建立其虚拟样机仿真模型，采用 建立其液压系统的仿真模型，针对最大破碎深度作业姿态搭建了机液联合仿真模型，得到了各油缸的位移、速度和压力曲线、不同作业方式和不同负载的功率曲线、改进前后液压系统的压力特性对比曲线以及不同直径阻尼口系统的启动、制动曲线。研究表明：位移、速度和压力曲线波动幅度较小且趋势相对平稳，满足作业性能需求；在作业时间允许的前提下，应尽量选择单独作业方式和“避硬就软”的作业策略来减少功率消耗；安装直径为 的并联阻尼器可以很好的降低液压系统的波动幅度；压力试验数据验证了所建仿真模型的准确性，所得结果为该工作机构机械系统和液压系统的参数匹配以及优化改进提供依据。关键词：工作机构；虚拟样机；机液联合仿真；优化中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）收稿日期：作者简介：刘勇（），男，辽宁鞍山人，高级工程师，本科，现从事大型机械设备液压系统设计。引言冲击破岩掘进机是一种新型的硬岩巷道掘进设备，工作机构承受的复杂多变的冲击载荷会造成液压系统本身产生持续高频的冲击压力，相应的管道和元件也会出现高频振动现象，进而导致液压元件损伤、降低使用寿命和加剧系统泄漏。为了更加准确的模拟实际工况，本文以工作机构液压系统为研究对象，结合虚拟样机模型，建立机液联合仿真模型，并根据仿真结果对液压系统进行优化以减小其系统的波动性，同时验证了机械系统和液压系统的可行性和可靠性，具有一定的工程实际指导作用。工作机构建模1.1 虚拟样机建模利用 o 的参数化建模特点消除干涉部位并忽略对功能影响不大圆角、倒角和螺纹孔等，建立的工作机构三维实体建模如图 所示，并以 o 的格式保存。将上述 o 格式的模型导入 中，需重新定义各铰接点运动副的约束条件和驱动函数并定义输入输出，为后续联合仿真接口的建立做准备，基于 建立的虚拟样机仿真模型如图 所示。双钎杆液压冲击锤 转锤油缸 伸缩臂 摇臂 伸缩油缸 动臂 动臂油缸 举升油缸 摆动支座 摆动油缸 龙门架图 工作机构三维实体建模图 虚拟样机仿真模型1.2 液压系统建模工作机构液压系统的工作原理如图 所示。该液压系统采用负载敏感型控制系统，其特点是能够及时液压气动与密封年第期 动力源 变量柱塞泵 负载敏感阀 溢流阀 压力补偿器 负载敏感多路阀 执行机构 平衡阀 散热器 钎杆图 液压系统工作原理图感应系统的压力和流量需求，并根据此需求提供相应数值的压力和流量。当动力源 启动时，油液通过负载敏感阀 使变量柱塞泵 随即启动，在负载敏感多路阀 未执行动作时，变量柱塞泵 的斜盘倾角变小到极小状态，此时泵的排量刚好维持泄漏，保持散热状态，处于低压待机工况；当负载敏感多路阀 工作，变量柱塞泵 的斜盘倾角变大，排量升高，直至满足执行机构 动作所需的流量；当操作阀杆使负载敏感多路阀 处于上位时，变量柱塞泵 的压力油经过平衡阀 分两路进入执行机构 有杆腔和执行机构.无杆腔，使整机向左摆，反之亦然，液压油通过散热器 回到油箱当中。然后按顺序操作负载敏感多路阀、时工作臂达到所需的作业姿态，最后操作负载敏感多路阀 ，使泵 压力油用过减压阀进入钎杆 的油腔中，溢流阀 可以抑制压力骤增时对液压元件的损坏，当系统压力不够时，压力补偿阀 会将信号反馈给负载敏感阀，进而调节变量柱塞泵 的排量，实现冲击破碎作业。由于该工作机构结构复杂工况繁多，特选取最大破碎深度作业姿态进行联合仿真研究，此时举升油缸、摆动油缸全缩，转锤油缸、伸缩臂油缸和动臂油缸三者相互配合驱动伸缩臂、摇臂和动臂。工作机构机液联合仿真模型如图 所示。联合仿真结果分析 模型向虚拟样机模型提供驱动信号，在 中加载工作载荷并向 模型反馈伸缩臂、摇臂和动臂的性能参数。在主仿真软件 中设置系统仿真时间和数据交换时间，同时运行 和，仿真结束后从 液压模型中读取所需性能参数。各油缸的位移、速度和压力曲 液压油 联合仿真接口 负载油缸 速度传感器 位移传感器 溢流阀 三位四通换向阀 启动阀 电机 负载敏感变量图 工作机构机液联合仿真模型图 各油缸的位移曲线线分别如图、图 和图 所示。由图 可以看出，转锤油缸和伸缩油缸的位移曲线趋势基本一致，但转锤油缸的位移曲线在 时存在一次微小的锯齿状波动，动臂油缸的位移曲线在 时呈现脉冲式增加，此现象的产生的原因是由于破岩硬度突然加大而引起的；由图 可以看出，转锤油缸和伸缩油缸的速度曲线波动幅度和波动次数明显高于动臂油缸，这是因为在 o高频冲击破碎作业时，冲击锤是直接受力部位，所得曲线趋势符合力的传递规律和特性；由图 可以看出，运行时泵的出口压力和各油缸的压力匹配情况除了有正常的阀口损失外，并没有额外的消耗。综上所述，所建的机液联合仿真模型反应灵敏，定位准确。图 各油缸的速度曲线图 各油缸的压力曲线为了研究作业方式对液压系统功率的影响，在最大破碎深度姿态下进行冲击破碎岩体时，特选取伸缩臂单独作业、摇臂单独作业和复合作业三种方式来进行仿真分析，其不同作业方式的功率曲线如图 所示。由图 可知，伸缩臂和摇臂单独作业在一个工作循环时间 内消耗功率分别为 和 ，平均每秒消耗功率为 和 ，复合作业在一个工作循环时间 内消耗功率为 ，平均每秒消耗功率为 ，复合作业与两种单独作业方式平均每秒多消耗功率的差值分别为 和 。可见，在同一负载作用下复合作业方式能耗高，但作业循环时间短，在选择作业方式时应该根据工程量的设计工时和操作人员的熟练程度该进行综合选择，以确保高效完成破岩工作。为了研究负载大小对液压系统功率的影响，特选取负载为 和 两种情况进行仿真分析，得到单独工作方式下不同负载的功率曲线如图 所示。由图 可知，当负载为 和 时，内消耗功率分别为 和 ，平均每秒消耗功率分别为 和 。可见，消耗功率的大小取决于负载的选取，在选择负载时应该根据岩巷的硬度以及破碎位置周边的情况进行综合选择，尽量“避硬就软”，以确保降低功率的损耗。图 不同作业方式的功率曲线图 不同负载的功率曲线图 种系统压力特性对比曲线图 液压系统的改进为了更好地提高工作机构液压系统的可靠性和稳定性，特在原液压系统中通过安装蓄能器和并联阻尼两种方式来减小系统的压力波动，仿真得到的 种系统的压力特性对比曲线如图 所示。由图 可知：启动阶段（）原液压系统出现 次波动且波动幅度逐步递减，安装蓄能器系统出现 次波动后呈现线性递减趋势，安装并联阻尼系统出现 次波动即达到平稳启动压力 ；运行阶段（）原液压系统存在极小的波动幅度直至趋于稳定状态，安装蓄能器系统和并联阻尼系统均处于稳定运行压力 和；制动阶段（）原液压系统出现液压气动与密封年第期次波动直至完全制动，安装蓄能器系统和并联阻尼系统出现 次波动即可完全制动，但波动幅度前者高于后者。由上述方案对比分析可知，安装并联阻尼系统能够更好的契合原液压系统的趋势进而控制压力波动，因此阻尼口直径的选取将直接影响启动、制动的效果，故将阻尼口直径参数分别设置为 、和 进行仿真分析，得到的不同直径阻尼口的启动特性曲线如图 所示，制动特性曲线如图 所示。由仿真结果可知，阻尼口直径为 时系统的启动、制动时间和压力波动幅度的综合效果最好，可以很快使系统趋于平稳状态。图 不同直径阻尼口系统的启动特性曲线图 不同直径阻尼口系统的制动特性曲线 试验验证为了验证仿真模型的准确性，特对冲击破岩掘进机工作机构进行压力试验，试验方案如图 所示。试验时在液压阀上安装压力表，采用与仿真过程相同的动作方式和作业姿态进行破碎作业，试验数据结果统计见表。对比表 的试验数据与图 的仿真数据可知，二者基本吻合，误差较小。但当运行 时，出现最大误差为 ，其原因为两钎杆虽然同步破岩，但冲击岩体时会因为受力不均产生偏载，多路阀 口压力反馈后工作机构液压系统自动调整以达到同步破岩的过程中产生了较大的波动误差，与实际工况相符。进而验证了所建仿真模型的准确性。图 压力试验方案表 试验数据结果统计表压力 运行时间 转锤油缸 伸缩油缸 动臂油缸 结论（）为更加真实准确的反映工作机构机械系统和液压系统的性能参数，构建了最大破碎深度作业姿态下的机液联合仿真模型，根据求得的各性能参数曲线，明确了各油缸的位移、速度、压力以及不同作业方式和不同负载的功率变化趋势，为后续试验研究提供理论依据。（）为提高工作机构液压系统的稳定性，根据求得的系统压力特性对比曲线和不同直径阻尼口系统的启动、制动曲线，明确了安装直径为 的并联阻尼为最佳的降低压力波动的方式；所得结果和压力试验为改进液压系统的设计、采取合理的优化措施提供参考。参考文献 张东升，毕俊伟，李岩，等 冲击破岩掘进机耙装过程铰点力仿真分析 机械设计与研究，（）：贺艳 浅谈液压系统故障诊断的方法 液压气动与密封，（）：李科 采煤机牵引液压系统防泄漏保护系统设计 煤矿机械，（）：刘勇，王刚 新型冲击破岩掘进机工作机构疲劳寿命分析 煤矿机械，（）：刘静，潘双夏，冯培恩 基于 的挖掘机液压系统仿真技术 农业机械学报，（）：李晓豁，王金兴，郭娜，等 冲击破岩掘进机工作机构支臂与油缸铰点力仿真 辽宁工程技术大学学报（自然科学版），（）：o 姜立标，程铖，何华，等 基于 和 机液联合仿真的电动轮矿用车转向机构动力学研究 机床与液压，（）：，白林迎，管小兴 轮式起重机控制驾驶室俯仰液压系统 的仿真与优化 液压气动与密封，（）：，引用本文：刘勇，李晓豁 冲击破岩掘进机工作机构液压系统仿真分析 液压气动与密封，（）：o，oo o o o o o o ，（）：雷达用钢球自锁液压缸故障机理分析与解决措施王永芝，郭克伟，李 浩，鲁小强，刘 伟，刘亚喆（河南航天液压气动技术有限公司，河南 郑州）摘 要：在雷达装备中，钢球自锁液压缸的应用大大提高了雷达装备的工作稳定性、可靠性。该文介绍了某雷达液压系统用钢球自锁液压缸的结构，对其在研制过程中遇到的故障进行了机理分析，并提出了相应的解决措施。关键词：雷达；液压系统；钢球自锁；液压缸中图分类号：文献标志码：文章编号：（）oo o o o Yg，g，Y（o oo o，o，）：，o o o o o o o ，oo o：；o；引言在雷达装备液压系统中，一般要求液压缸在切断动力油源后，活塞杆可长时间稳定锁定在工作位置。实现指定位置自锁的液压缸存在两种形式，一种是在液压系统中采用液压控制元件，如平衡阀、液压锁等，但这种锁紧方式在长时间工况下，因液压油的可压缩性，液压控制元件制造精度和密封的影响，存在一定程度的泄漏，导致锁紧性能不可靠。另一种是采用机械锁紧的方式，通过在液压缸中内置机械自锁结构，实现收稿日期：作者简介：王永芝（），男，河南郑州人，助理工程师，硕士，现从事液压气动系统的设计研究工作。活塞杆的长时间位置锁定。本文介绍了一种钢球摩擦式的自锁液压缸，可利用钢球在活塞杆与缸筒间的作用实现固定位置锁紧。同时描述了其在研制过程中的故障现象，进行了机理分析，并提出了相应的解决措施。产品结构与工作原理钢球自锁液压缸用于驱动雷达天线阵面的折叠与展开，该工作回路的液压原理如图 所示。雷达阵面工作状态：首先运输锁销缸的有杆腔通高压油，活塞杆完全缩回，然后钢球自锁液压缸的有杆腔通高压油，活塞杆缩回的同时带动天线阵面上的连杆机构驱使阵面展开，并由油缸的钢球自锁机构保持阵面的展开位置锁定。