基于AMESim的單軌吊超前支護(hù)液壓系統(tǒng)研究

靳 敏

(常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 常州 213164)

傳統(tǒng)單軌吊作為一種井下輔助運(yùn)輸設(shè)備，其性能優(yōu)勢(shì)明顯：利用巷道頂部軌道運(yùn)行，擺脫了巷道底部復(fù)雜惡劣環(huán)境的限制，機(jī)動(dòng)性好，速度快，載重量大等。掘進(jìn)支錨作業(yè)平臺(tái)是一種適應(yīng)性強(qiáng)、靈活性高的煤巷支護(hù)設(shè)備，設(shè)計(jì)合理的機(jī)械機(jī)構(gòu)將單軌吊與支錨作業(yè)平臺(tái)有機(jī)結(jié)合，采用液壓系統(tǒng)的方式為作業(yè)平臺(tái)提供動(dòng)力，形成一套單軌吊煤巷支護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)對(duì)提高掘進(jìn)支錨作業(yè)的工作效率和運(yùn)行安全有著重要意義[1-4]。

1 超前支護(hù)系統(tǒng)模型

超前支護(hù)系統(tǒng)以單軌吊機(jī)身為基礎(chǔ)，利用工字梁軌道作為其行走和支護(hù)作業(yè)時(shí)的支撐。

超前支護(hù)系統(tǒng)模型示意圖如圖1所示。由圖1可知整個(gè)系統(tǒng)可分為，支護(hù)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)向裝置、動(dòng)力單元以及控制室。該系統(tǒng)整體機(jī)身質(zhì)量較小，運(yùn)行速度快且響應(yīng)時(shí)間短，運(yùn)行角度較大；與傳統(tǒng)的單軌吊小車相比，該系統(tǒng)弱化了裝置的運(yùn)輸功能，在行走時(shí)僅僅允許在控制室內(nèi)容納兩名工作人員。軌道依靠吊掛組件與頂板上的十字梁或錨桿連接，固定在巷道的頂板上，支護(hù)系統(tǒng)作為一個(gè)整體在軌道上行走。單軌吊動(dòng)力源多樣，同樣地，超前支護(hù)系統(tǒng)可采取多種動(dòng)力源方式，為降低系統(tǒng)自身重量，提高動(dòng)力源的持久性以及穩(wěn)定性，采用尾部拖電纜的方式為系統(tǒng)提供動(dòng)力[5-7]。

在整體支護(hù)系統(tǒng)正常行走或靜止?fàn)顟B(tài)下，導(dǎo)向裝置承受整個(gè)設(shè)備的重力和軌道的作用力。由于軌道是由工字梁拼接而成，導(dǎo)向裝置的特殊小輪鑲嵌其中，既可以承受來(lái)自軌道的下壓力，又可以承受支撐力，這就使整體設(shè)備的穩(wěn)定性得到保障，不會(huì)出現(xiàn)“前趴后翹”或“前翹后趴”的不良狀況；在系統(tǒng)進(jìn)行支錨作業(yè)時(shí)，支護(hù)結(jié)構(gòu)在油缸的作用下前伸，加之支錨設(shè)備和操作人員的重力作用，前端導(dǎo)向裝置承受工字梁軌道的支撐力，后端導(dǎo)向裝置承受工字梁軌道的下壓力。軌道的工字梁強(qiáng)度以及導(dǎo)向裝置的特殊小輪尺寸根據(jù)支護(hù)系統(tǒng)自身重量及最大負(fù)荷計(jì)算，保證系統(tǒng)安全系數(shù)不小于7。

1.1 動(dòng)力單元

動(dòng)力單元包括驅(qū)動(dòng)單元和制動(dòng)單元，且動(dòng)力單元個(gè)數(shù)可根據(jù)系統(tǒng)型號(hào)及支護(hù)作業(yè)工況進(jìn)行數(shù)量調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)不同的牽引功率。驅(qū)動(dòng)單元利用液壓馬達(dá)輸出扭矩，壓縮彈簧將驅(qū)動(dòng)輪壓緊軌道工字梁腹板，進(jìn)而輸出牽引力；需要制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)油缸卸荷，制動(dòng)彈簧伸長(zhǎng)進(jìn)而帶動(dòng)摩擦閘片抱合工字梁腹板，產(chǎn)生摩擦制動(dòng)力。安全規(guī)范要求系統(tǒng)具備緊急制動(dòng)能力，故系統(tǒng)設(shè)計(jì)了手動(dòng)式失效安全型緊急制動(dòng)機(jī)構(gòu)。

導(dǎo)向裝置主要是導(dǎo)向和承重作用。在裝置行走過(guò)程中，因軌道傾角變化或負(fù)載不平衡會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)重力分配的不均勻，導(dǎo)向裝置維持系統(tǒng)運(yùn)行的方向并承受系統(tǒng)的重力作用?？刂剖野ǜ鞣N操作桿，顯示屏以及信號(hào)燈等，操作人員位于其中負(fù)責(zé)規(guī)范操作設(shè)備。

1.2 支護(hù)機(jī)構(gòu)

這是一條艱苦的沖頂路，除了每年巨額資金投入，還要付出大量的精力去學(xué)習(xí)。曾在香檳區(qū)接觸過(guò)這些在沖擊侍酒師大師之路的人，印象深刻的是他們每到酒莊參觀學(xué)習(xí)嘗酒，末了總會(huì)盡量請(qǐng)求酒莊把酒瓶留給他們，以便撕下酒標(biāo)回到酒店后繼續(xù)查閱資料學(xué)習(xí)。這些“候選人”普遍都有本職工作，在繁忙工作中擠時(shí)間學(xué)習(xí)提升，需要太多的毅力。有人半途放棄，有人迷茫，有人會(huì)有被套牢的感覺(jué)，也有那么一群人堅(jiān)持到最后?？技?jí)升級(jí)路上，需要進(jìn)行哪些權(quán)衡和取舍？如何才能更順利地考試升級(jí)？本期文章，我們請(qǐng)來(lái)三位佼佼者，給我們分享這一年來(lái)的考試升級(jí)路。

Study of preservative systems in soap-based cleansers 2 20

圖2 支護(hù)機(jī)構(gòu)三維模型

各軸相對(duì)位置坐標(biāo)就存儲(chǔ)在data[MAX_AXIS]數(shù)組中，讀數(shù)組中各軸的值就能夠獲得各軸坐標(biāo)。FOCAS中各功能函數(shù)的輸入輸出參數(shù)均不同，在采集不同類型的機(jī)床數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)其對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)采集功能函數(shù)定義，來(lái)進(jìn)行逐個(gè)功能的數(shù)據(jù)采集。

分流閥原理示意圖如圖4所示。支護(hù)作業(yè)平臺(tái)在升起或者下降過(guò)程中要求平穩(wěn)，不存在傾角或振動(dòng)，這就要求成對(duì)作業(yè)油缸的速度同步性。用分流集流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)速度同步，液壓系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，糾偏能力較大，即便兩油缸的負(fù)載不同，仍能實(shí)現(xiàn)流量分流或集流的等量。

2 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)原理

在液壓系統(tǒng)作用下，支護(hù)平臺(tái)到達(dá)預(yù)期作業(yè)位置，在機(jī)械結(jié)構(gòu)滿足功能需求后，整個(gè)液壓系統(tǒng)的保壓性能直接決定作業(yè)的可靠性和安全性。從液壓原理圖中可得，每個(gè)油路都單獨(dú)設(shè)置了安全溢流閥，可以單獨(dú)設(shè)置最大安全值；同時(shí)，該支護(hù)系統(tǒng)的支護(hù)控制與驅(qū)動(dòng)控制也相互獨(dú)立，即支護(hù)結(jié)構(gòu)可以獨(dú)立運(yùn)行動(dòng)作。整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在保證安全的基礎(chǔ)上，優(yōu)化了設(shè)備的機(jī)動(dòng)性與靈活性，以達(dá)到高效支錨作業(yè)的目的。

圖3 液壓系統(tǒng)原理圖

2.2 油缸的同步控制

上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象是指利用長(zhǎng)波長(zhǎng)光源激發(fā)，使樣品產(chǎn)生更短波長(zhǎng)的光輸出的過(guò)程。這一現(xiàn)象在三維立體顯示、紅外探測(cè)以及防偽等方面，上轉(zhuǎn)換技術(shù)都有著非常廣闊的應(yīng)用前景[7]。因此對(duì)稀土離子上轉(zhuǎn)換發(fā)光的研究對(duì)于光電子技術(shù)的發(fā)展具有十分重要的意義，而此前大部分的研究均采用溶膠-凝膠法等化學(xué)方法制備Ce3+：YAG熒光材料[8]。本文利用高真空磁控濺射儀，室溫條件下通過(guò)射頻濺射的方法在石英玻片上沉積薄膜，在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下1100℃進(jìn)行熱處理3小時(shí)制備出Ce3+：YAG薄膜樣品，并通過(guò)熒光光譜儀測(cè)試了薄膜的發(fā)射光譜，分析在980nm紅外激光激發(fā)下薄膜樣品的上轉(zhuǎn)換發(fā)光現(xiàn)象和發(fā)光機(jī)理。

圖4 分流閥的結(jié)構(gòu)原理圖

依據(jù)支護(hù)系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行工況，設(shè)定元件參數(shù)。各液壓缸負(fù)載通過(guò)設(shè)置相應(yīng)質(zhì)量塊質(zhì)量進(jìn)行模擬，各換向閥模塊通過(guò)加載三角函數(shù)進(jìn)行模擬控制；忽略液壓系統(tǒng)中管道長(zhǎng)度、阻力及液體壓縮性的影響。設(shè)置仿真時(shí)間為20s，通信間隔為0.1s。整個(gè)模型元件的主要參數(shù)如下：油液體積彈性模量為1500MPa；油液運(yùn)動(dòng)黏度為40mm2/s；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速為1500r/min；泵額定排量為100mL/r；活塞桿直徑為100mm；油缸設(shè)計(jì)行程為500mm；單向節(jié)流閥開(kāi)口直徑為2mm；油缸負(fù)載重量為2000kg；安全壓力為15MPa。

支護(hù)系統(tǒng)液壓原理如圖3所示，主體采用串聯(lián)回路將液壓缸連接，回路中各液壓缸按先后順序依次供油。泵為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力源；換向閥控制兩支油路，兩支油路分別通過(guò)壓力值不同的兩個(gè)溢流閥形成高壓油路和低壓油路；在系統(tǒng)壓力較低時(shí)，外控式單向節(jié)流閥組打開(kāi)，液壓缸和(分別控制工作平臺(tái)的前后和上下運(yùn)動(dòng))的活塞桿可以相對(duì)地快速運(yùn)動(dòng)；在系統(tǒng)壓力較高時(shí)，說(shuō)明平臺(tái)有負(fù)載，外控式單向節(jié)流閥組關(guān)閉，液壓缸和的活塞桿運(yùn)動(dòng)較慢，有利于保證工作安全性；油路中單向節(jié)流閥主要控制油缸活塞的運(yùn)動(dòng)速度，分流閥控制液壓缸組的同步性，保持工作平臺(tái)處于水平狀態(tài)。不難得出，整個(gè)系統(tǒng)的保壓性以及同步液壓缸的一致性是支護(hù)平臺(tái)穩(wěn)定工作的前提，為驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性進(jìn)行如下仿真分析。

3 系統(tǒng)仿真與結(jié)果分析

3.1 AMESim模型建立及參數(shù)設(shè)置

AMESim軟件為用戶提供了一個(gè)時(shí)域建模仿真環(huán)境，可以完成多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)的建模與仿真[8，9]。軟件模型庫(kù)豐富，根據(jù)實(shí)際工況及上文所述原理，按照液壓元件的實(shí)際結(jié)構(gòu)建立單軌吊支護(hù)系統(tǒng)液壓原理模型如圖5所示。建模過(guò)程中，為節(jié)省計(jì)算時(shí)間將分流集流閥以及其他影響較小的管路簡(jiǎn)化，其余元件采用HCD(Hydraulic component design)、Mechanical和Hydraulic庫(kù)中模塊進(jìn)行搭建。

圖5 液壓系統(tǒng)AMESim模型

工作時(shí)，設(shè)定油液進(jìn)入閥時(shí)的壓力為P0，流量為Q0；進(jìn)入閥后分兩路通過(guò)兩個(gè)面積相等的固定節(jié)流孔1、2，分別進(jìn)入減壓閥芯環(huán)形槽a和b，然后由兩減壓閥口(可變節(jié)流口)6、7經(jīng)出油口I和Ⅱ通往兩個(gè)油缸；兩油缸的負(fù)載流量分別為Q1、Q2，負(fù)載壓力分別為P1、P2。在實(shí)際工況中，如果兩油缸的負(fù)載相等，則分流閥的出口壓力P1=P2，因?yàn)殚y中兩支流道的尺寸完全對(duì)稱，所以輸出流量亦對(duì)稱，Q1=Q2=Q0/2，且P3=P4；如果兩油缸負(fù)載不一致而出現(xiàn)P1≠P2，且設(shè)P1>P2，則Q1必定小于Q2，導(dǎo)致固定節(jié)流孔1、2的壓差ΔP1<ΔP2，P3>P4，此壓差使閥芯在不對(duì)稱液壓力的作用下向左移動(dòng)，使可變節(jié)流口7增大，節(jié)流口6減小，從而使Q1增大，Q2減小，直到Q1與Q2再次相等為止，閥芯才在一個(gè)新的平衡位置上穩(wěn)定下來(lái)。因?yàn)閮捎透壮叽缫恢?，又流量相等，故兩油缸運(yùn)行速度相同。

3.2 仿真結(jié)果分析

1)液壓缸無(wú)桿腔壓力曲線如圖6所示。由圖6可知，在啟動(dòng)電機(jī)，將換向閥閥芯移至左端后，各液壓缸無(wú)桿腔壓力開(kāi)始增大。從起始時(shí)刻至4.0s時(shí)間段內(nèi)，壓力值大幅度增加，活塞桿位移迅速增加，在壓力值達(dá)到一定值(大約為6.9MPa)后，壓力值增加幅度開(kāi)始減小；至12.0s時(shí)刻，壓力值開(kāi)始穩(wěn)定。模擬曲線相對(duì)光滑，幅度增加平穩(wěn)，在壓力值穩(wěn)定后，沒(méi)有出現(xiàn)較大的波動(dòng)。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)參數(shù)利用Solidworks建立支護(hù)機(jī)構(gòu)的三維立體模型如圖2所示。整個(gè)機(jī)構(gòu)通過(guò)連接架與單軌吊機(jī)身連接，通過(guò)控制動(dòng)力單元，將支護(hù)機(jī)構(gòu)送達(dá)作業(yè)點(diǎn)或其他位置。作業(yè)平臺(tái)在到達(dá)預(yù)期位置后，頂架油缸伸長(zhǎng)，防護(hù)頂架升起，工人和設(shè)備置于作業(yè)平臺(tái)，通過(guò)油缸和調(diào)整空間高度和前后距離，支撐腿在油缸的作用下伸長(zhǎng)，穩(wěn)定于巷道底部地面。在作業(yè)完畢或者需要移動(dòng)平臺(tái)位置時(shí)，支腿油缸收縮，支撐腿收起，平臺(tái)高度下降，工人離開(kāi)平臺(tái)或者移動(dòng)平臺(tái)位置。

圖6 液壓缸無(wú)桿腔壓力曲線

2)活塞桿位移曲線如圖7所示。從曲線整體走向趨勢(shì)來(lái)看與圖5保持一致，這從側(cè)面驗(yàn)證了仿真模型的正確性。同時(shí)，從圖中信息可知，在系統(tǒng)開(kāi)始運(yùn)行的前1.0s時(shí)間段內(nèi)，活塞桿位移為零，之后位移開(kāi)始迅速增加，同樣在4.0s時(shí)刻，位移達(dá)到一定值，增幅開(kāi)始減小，在18.0s時(shí)刻，位移達(dá)到最大值0.40m；活塞桿的位移變化直接決定支護(hù)平臺(tái)的動(dòng)作過(guò)程，圖示曲線過(guò)渡平滑，未出現(xiàn)凸點(diǎn)、斷裂等現(xiàn)象，說(shuō)明液壓系統(tǒng)模型可行。

科學(xué)素養(yǎng)，國(guó)際上普遍將科學(xué)素養(yǎng)概括為三個(gè)組成部分，即了解科學(xué)知識(shí)；了解科學(xué)的研究過(guò)程和方法；了解科學(xué)技術(shù)對(duì)社會(huì)和個(gè)人所產(chǎn)生的影響。

圖7 活塞桿位移曲線

4 結(jié) 論

1)以單軌吊運(yùn)行原理以及基本機(jī)身為基礎(chǔ)，弱化其運(yùn)輸功能，設(shè)計(jì)支護(hù)作業(yè)平臺(tái)，以液壓系統(tǒng)作為傳動(dòng)方式，開(kāi)發(fā)單軌吊超前支護(hù)功能。

2)支護(hù)液壓系統(tǒng)主體采用串聯(lián)回路將液壓缸連接，回路中各液壓缸按先后順序依次供油；各液壓回路分支設(shè)計(jì)單向節(jié)流閥，分別控制活塞桿的運(yùn)動(dòng)速度，實(shí)現(xiàn)平臺(tái)的平穩(wěn)運(yùn)行并保證回路保壓性能的可靠性；采用分流集流閥控制油缸的同步運(yùn)動(dòng)。

3)仿真結(jié)果顯示，在20.0s時(shí)間段內(nèi)，壓力值增長(zhǎng)以及位移變化曲線相對(duì)平滑；在運(yùn)行前4.0s時(shí)間段內(nèi)，支護(hù)平臺(tái)動(dòng)作較快，在接近壓力最大值時(shí)，運(yùn)行速度下降，這易于操作人員的井下操作。