郭兆松, 劉 靜,2, 鄧 侃

(1.南京交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車工程學(xué)院, 江蘇 南京 211188;2.江蘇大學(xué) 汽車與交通工程學(xué)院, 江蘇 鎮(zhèn)江 212013; 3.長(zhǎng)沙九方灣流智能科技有限公司, 湖南 長(zhǎng)沙 410100)

引言

立井提升機(jī)作為重要的垂直運(yùn)輸工業(yè)機(jī)械之一,目前朝著重載、高速方向發(fā)展,提高了垂直運(yùn)輸效率,但重載高速加大了立井提升機(jī)過(guò)卷事故概率[1-3]。一旦提升機(jī)過(guò)卷,瞬間產(chǎn)生不可預(yù)估的沖擊,輕則提升系統(tǒng)癱瘓,重則人員傷亡[4-5],因此,減小提升機(jī)過(guò)卷沖擊得到廣大學(xué)者重視。

考慮到成本和可行性,不少學(xué)者最初利用機(jī)械式防撞結(jié)構(gòu)和裝置進(jìn)行吸能,其緩沖效果極差[6-8];隨液壓緩沖技術(shù)逐步成熟化,尹文軍[9]在防過(guò)卷缸有桿腔設(shè)置蓄能器和插裝溢流閥,吸收了有桿腔液壓沖擊,同時(shí)無(wú)桿腔蓄能器為無(wú)桿腔及時(shí)補(bǔ)液,降低了箕斗回落距離;江偉等[10]使用節(jié)流閥接通過(guò)卷缸有桿腔,減小了過(guò)卷缸緩沖沖擊過(guò)程的壓力波動(dòng);朱云開(kāi)[11]設(shè)計(jì)了提升機(jī)過(guò)卷液壓雙緩沖系統(tǒng),建立了提升機(jī)過(guò)卷上行和下行緩沖過(guò)程仿真模型,研究表明:在過(guò)卷缸面積比為1.49和1.25時(shí),過(guò)卷雙緩沖效果較好。

現(xiàn)有技術(shù)存在以下缺點(diǎn): 過(guò)卷緩沖過(guò)程,提升箕斗存在回落現(xiàn)象,易發(fā)生斷繩事故;過(guò)卷緩沖時(shí)間較短,有桿腔液壓沖擊作用時(shí)間較短,過(guò)卷液壓缸有桿腔存在憋壓沖擊;過(guò)卷緩沖過(guò)程,箕斗最終位移受過(guò)卷工況影響顯著。

針對(duì)以上問(wèn)題,提出并設(shè)計(jì)了立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng),研究了過(guò)卷缸有桿腔主動(dòng)變節(jié)流緩沖和無(wú)桿腔變節(jié)流補(bǔ)油工作原理,并對(duì)有桿腔變節(jié)流緩沖和無(wú)桿腔變節(jié)流補(bǔ)油過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,對(duì)比仿真了5種有桿腔變節(jié)流緩沖控制函數(shù)和3種蓄能器放液控制函數(shù)下的系統(tǒng)緩沖性能,研究了系統(tǒng)緩沖性能的影響因素,分析了箕斗過(guò)卷質(zhì)量、過(guò)卷速度對(duì)系統(tǒng)過(guò)卷緩沖性能的影響規(guī)律,并通過(guò)沖擊設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證,為立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流緩沖裝置研制提供指導(dǎo)。

1 提升機(jī)過(guò)卷主動(dòng)變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)方案

提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)如圖1所示,主要由過(guò)卷防撞板、防過(guò)卷液壓缸、過(guò)載閥、變節(jié)流閥、數(shù)?？刂颇K、位移-開(kāi)度函數(shù)、復(fù)位泵和蓄能器等組成。

1.過(guò)卷防撞板 2.防過(guò)卷液壓缸 3.過(guò)載閥 4.油箱 5.變節(jié)流閥 6.數(shù)模控制模塊 7.位移-開(kāi)度函數(shù) 8.單向閥 9.位移傳感器 10.箕斗 11.卷繩 12.提升動(dòng)力裝置 13.復(fù)位泵 14.電機(jī) 15.蓄能器圖1 立井提升機(jī)過(guò)卷主動(dòng)變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)Fig.1 Overwinding active variable throttling hydraulic buffer system of shaft hoist

提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)分為3個(gè)子系統(tǒng):防過(guò)卷液壓缸有桿腔變節(jié)流緩沖子系統(tǒng)、防過(guò)卷缸無(wú)桿腔變節(jié)流主動(dòng)補(bǔ)油子系統(tǒng)、過(guò)卷復(fù)位子系統(tǒng),其中防過(guò)卷缸有桿腔變節(jié)流緩沖子系統(tǒng)和防過(guò)卷液壓缸無(wú)桿腔變節(jié)流主動(dòng)補(bǔ)油子系統(tǒng)同時(shí)工作。

其工作原理如下:

(1) 發(fā)生過(guò)卷時(shí),箕斗撞擊過(guò)卷防撞板,過(guò)卷防撞板使防過(guò)卷液壓缸活塞桿伸出,防過(guò)卷缸有桿腔油液被壓縮產(chǎn)生阻止活塞快速運(yùn)動(dòng)的壓力,有桿腔油液通過(guò)變節(jié)流閥閥口回油,壓力由閥口開(kāi)度決定,活塞產(chǎn)生的位移信號(hào)反饋至位移-開(kāi)度函數(shù)模塊中,處理后傳輸至變節(jié)流閥閥口開(kāi)度輸入端,過(guò)卷位移增加實(shí)時(shí)調(diào)小閥口開(kāi)度,使得有桿腔變節(jié)流緩沖,減小有桿腔憋壓沖擊風(fēng)險(xiǎn);

(2) 同時(shí),過(guò)卷活塞位移信號(hào)經(jīng)另一路開(kāi)度函數(shù)控制回路處理轉(zhuǎn)化為蓄能器放液的變節(jié)流開(kāi)度信號(hào),實(shí)時(shí)調(diào)整其變節(jié)流開(kāi)度,實(shí)現(xiàn)無(wú)桿腔主動(dòng)變節(jié)流補(bǔ)油功能,進(jìn)而減小過(guò)卷回落位移。

(3) 過(guò)卷結(jié)束后,控制電機(jī)啟動(dòng),復(fù)位泵工作,為防過(guò)卷液壓缸有桿腔補(bǔ)油,完成防過(guò)卷液壓缸復(fù)位。

2 過(guò)卷主動(dòng)變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

過(guò)卷緩沖過(guò)程,忽略過(guò)卷存在的熱能轉(zhuǎn)化,防過(guò)卷液壓缸有桿腔液壓能全部用來(lái)消耗過(guò)卷沖擊,滿足能量守恒定律[12-13],如式(1)所示:

(1)

式中,M—— 過(guò)卷總質(zhì)量

v0—— 箕斗過(guò)卷初速度

p1(x) —— 防過(guò)卷液壓缸有桿腔壓力

A1—— 防過(guò)卷液壓缸有桿腔面積

p2(x) —— 防過(guò)卷液壓缸無(wú)桿腔壓力

A2—— 防過(guò)卷液壓缸無(wú)桿腔面積

x—— 箕斗過(guò)卷位移

防過(guò)卷液壓缸有桿腔流量Q1(x)滿足方程:

(2)

式中,C—— 節(jié)流系數(shù)

A1(x) —— 有桿腔連接的變節(jié)流閥面積

ρ—— 液壓油密度,ρ=850 kg·m2

防過(guò)卷液壓缸無(wú)桿腔流量Q2(x)滿足:

(3)

式中,A2(x) —— 無(wú)桿腔連接的變節(jié)流閥面積

p3(x) —— 蓄能器出口壓力

蓄能器壓力容積滿足[14-15]:

(4)

式中,p0—— 蓄能器預(yù)充氣壓力

p4—— 最小工作壓力

p5—— 最大工作壓力

V0—— 蓄能器容積

V1—— 蓄能器最小工作壓力對(duì)應(yīng)的容積

V2—— 蓄能器最大工作壓力對(duì)應(yīng)的容積

n—— 多變指數(shù),暫取n=1.4

3 過(guò)卷主動(dòng)變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真建模

在箕斗過(guò)卷緩沖過(guò)程,基于AMESim搭建如圖2所示的立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型。

1.防過(guò)卷液壓缸 2.箕斗質(zhì)量 3.位移傳感器模型 4.有桿腔變節(jié)流開(kāi)度函數(shù) 5.有桿腔變節(jié)流閥 6.有桿腔過(guò)載閥 7.單向閥 8.無(wú)桿腔過(guò)載閥 9.油箱 10.重力模型 11.液壓油模型 12.無(wú)桿腔變節(jié)流閥 13.蓄能器圖2 立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真模型Fig.2 Simulation model of hydraulic buffer system with over winding and variable throttling for shaft hoist

立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)如表1所示設(shè)置。

表1 過(guò)卷緩沖系統(tǒng)仿真參數(shù)Tab.1 Simulation parameters of over winding buffer system

箕斗過(guò)卷緩沖過(guò)程,防過(guò)卷液壓缸有桿腔通過(guò)變節(jié)流閥回油,變節(jié)流閥由常開(kāi)逐漸關(guān)閉,即液壓缸活塞零位移處于常開(kāi)狀態(tài),液壓缸活塞全行程處于關(guān)閉狀態(tài),液壓缸零位移的常開(kāi)狀態(tài)擬選取40%,60%,100%開(kāi)度狀態(tài),即防過(guò)卷液壓缸有桿腔變節(jié)流緩沖控制函數(shù)擬采取5種函數(shù)形式進(jìn)行設(shè)定,如圖3a所示;另由于過(guò)卷瞬時(shí)發(fā)生,液壓缸無(wú)桿腔易產(chǎn)生吸空現(xiàn)象,無(wú)桿腔一方面通過(guò)單向閥直接從油箱補(bǔ)油,另外若補(bǔ)油不及時(shí)也會(huì)出現(xiàn)無(wú)桿腔吸空,故蓄能器通過(guò)變節(jié)流閥主動(dòng)補(bǔ)油,變節(jié)流閥初始狀態(tài)可選取0%,40%,60%三種開(kāi)度,逐漸增大至全開(kāi),隨著過(guò)卷能量減小,需逐漸關(guān)閉蓄能器放液,故控制蓄能器放液的變節(jié)流控制函數(shù)擬采取3種函數(shù)形式進(jìn)行設(shè)定,如圖3b所示。

圖3 緩沖系統(tǒng)變節(jié)流控制函數(shù)Fig.3 Variable throttling control function of buffer system

3.1 變節(jié)流控制函數(shù)確定

1) 有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)確定

蓄能器放液的變節(jié)流控制函數(shù)選取F6(x),選取5種不同的有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)進(jìn)行仿真,如圖4為有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)對(duì)提升機(jī)箕斗過(guò)卷位移、速度、液壓缸活塞受力、液壓缸有桿腔、無(wú)桿腔壓力的影響。

圖4 液壓缸有桿腔控制函數(shù)的影響Fig.4 Influence of hydraulic cylinder rod cavity control function

由圖4可知:在過(guò)卷緩沖過(guò)程,有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)選取F1(x)和F2(x)時(shí),箕斗過(guò)卷有回落位移,最大回落位移約0.05 m,且有反向速度,最大反向速度約1.8 m/s;選取F3(x)、F4(x)、F5(x)時(shí),箕斗無(wú)回落位移和反向速度;另外從液壓缸活塞受力和壓力變化情況看,選取F3(x)時(shí),液壓缸活塞受力較穩(wěn)定,液壓缸有桿腔壓力和無(wú)桿腔壓力波動(dòng)程度較小。故有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)選取F3(x)所得的緩沖系統(tǒng)緩沖性能較好。

2) 蓄能器放液控制函數(shù)確定

防過(guò)卷液壓缸有桿腔變節(jié)流控制函數(shù)選取F3(x)時(shí),選取3種蓄能器放液的變節(jié)流控制函數(shù)進(jìn)行仿真,如圖5所示為提升機(jī)箕斗過(guò)卷位移、速度、液壓缸活塞受力、液壓缸有桿腔和無(wú)桿腔壓力影響。

圖5 蓄能器放液函數(shù)影響情況Fig.5 Impact of accumulator discharge function

由圖5可知:在過(guò)卷緩沖過(guò)程,蓄能器放液函數(shù)對(duì)箕斗過(guò)卷位移和速度影響不明顯,選取F6(x)函數(shù)時(shí),液壓缸活塞受力穩(wěn)定,且液壓缸壓力波動(dòng)小。故蓄能器放液函數(shù)選取F6(x)所得的緩沖系統(tǒng)性能較好。

3.2 過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖性能影響因素研究

以下研究過(guò)卷緩沖工況和蓄能器變節(jié)流放液對(duì)緩沖性能的影響規(guī)律。

1) 過(guò)卷質(zhì)量對(duì)變節(jié)流緩沖性能的影響

設(shè)定提升機(jī)箕斗過(guò)卷質(zhì)量為1000, 2000, 3000, 4000, 5000 kg仿真2 s,獲得如圖6所示的過(guò)卷質(zhì)量對(duì)箕斗緩沖位移、有桿腔壓力、無(wú)桿腔壓力的影響規(guī)律。

圖6 過(guò)卷質(zhì)量對(duì)變節(jié)流緩沖性能的影響Fig.6 Influence of overwinding quality on variable throttling buffer performance

由圖6可知:提升機(jī)箕斗過(guò)卷質(zhì)量逐漸增加,最終的箕斗緩沖位移始終為1.0 m/s,箕斗過(guò)卷質(zhì)量為4000 kg和5000 kg時(shí),產(chǎn)生過(guò)卷回落位移,即箕斗位移出現(xiàn)一次波動(dòng);同時(shí),過(guò)卷缸有桿腔壓力發(fā)生一定程度的波動(dòng)。

2) 過(guò)卷速度對(duì)變節(jié)流緩沖性能的影響

設(shè)定提升機(jī)箕斗過(guò)卷速度為7.8, 8.8, 9.8, 10.8, 11.8 m/s仿真2 s,獲得如圖7所示的過(guò)卷速度對(duì)箕斗緩沖位移、有桿腔壓力、無(wú)桿腔壓力的影響規(guī)律。

圖7 過(guò)卷速度對(duì)變節(jié)流緩沖性能的影響Fig.7 Influence of overwinding speed on variable throttle buffer performance

由圖7可知:提升機(jī)箕斗過(guò)卷速度逐漸增大,最終的箕斗緩沖位移同樣為1.0 m/s,箕斗過(guò)卷速度為10.8 m/s和11.8 m/s時(shí),箕斗發(fā)生一次位移回落,過(guò)卷缸大有桿腔壓力開(kāi)始產(chǎn)生波動(dòng)。

4 仿真模型試驗(yàn)驗(yàn)證

在實(shí)驗(yàn)室利用1.5 t配重塊自由下落產(chǎn)生過(guò)卷沖擊能撞擊主動(dòng)節(jié)流緩沖裝置進(jìn)行試驗(yàn)?zāi)M,試驗(yàn)原理圖如圖8所示,沖擊設(shè)備如圖9所示。

圖9 沖擊設(shè)備Fig.9 Impact test

配重塊沖擊試驗(yàn)設(shè)備主要參數(shù):液壓缸缸徑100 mm,桿徑60 mm,活塞行程3000 mm;壓力傳感器輸出電壓信號(hào)(0.5～5 V):壓力等級(jí)(0～50 MPa);位移傳感器輸出電壓信號(hào)(0～5 V):位移等級(jí)(0～3.0 m);24 V比例閥控制電流(0～750 mA):閥口開(kāi)度(0～14 mm),試驗(yàn)過(guò)程通過(guò)位移傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓缸位移數(shù)據(jù),通過(guò)控制器實(shí)時(shí)輸出控制電流,控制比例閥按照主動(dòng)節(jié)流函數(shù)減小閥口開(kāi)度。

沖擊設(shè)備沖擊質(zhì)量最大1500 kg,沖擊速度最大可達(dá)1.5 m/s,折合沖擊能量最大為843.75 J,并采用DEWE-43A數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取,對(duì)采集的液壓缸位移和壓力數(shù)據(jù)提取分析,并與實(shí)驗(yàn)室工況的仿真數(shù)據(jù)對(duì)比。如圖10所示為位移對(duì)比曲線,如圖11所示為緩沖缸有桿腔壓力對(duì)比曲線,如圖12所示為緩沖缸無(wú)桿腔對(duì)比曲線。

圖10 緩沖缸位移對(duì)比曲線Fig.10 Displacement comparison curve of buffer cylinder

圖11 緩沖缸有桿腔壓力對(duì)比曲線Fig.11 Pressure comparison curve of small chamber of buffer cylinder

圖12 緩沖缸無(wú)桿腔壓力對(duì)比曲線Fig.12 Pressure comparison curve of buffer cylinder chamber

從圖10～圖12看出,緩沖缸位移、緩沖缸有桿腔壓力趨勢(shì)一致,誤差在可控范圍內(nèi),實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真模型具有較好的支撐作用。

5 結(jié)論

針對(duì)提升機(jī)過(guò)卷緩沖系統(tǒng)緩沖過(guò)程存在的過(guò)卷回落、緩沖腔憋壓及過(guò)卷位移受過(guò)卷工況影響顯著等問(wèn)題,提出了一種立井提升機(jī)過(guò)卷變節(jié)流液壓緩沖系統(tǒng),給出了過(guò)卷缸有桿腔變節(jié)流緩沖機(jī)理和無(wú)桿腔蓄能器變節(jié)流補(bǔ)油機(jī)理,對(duì)有桿腔變節(jié)流緩沖過(guò)程和無(wú)桿腔變節(jié)流補(bǔ)油過(guò)程進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模,設(shè)計(jì)了有桿腔變節(jié)流緩沖控制函數(shù)和無(wú)桿腔變節(jié)流補(bǔ)油控制函數(shù),并開(kāi)展了相關(guān)仿真研究, 對(duì)比仿真了5種有桿腔變節(jié)流緩沖控制函數(shù)和3種蓄能器放液控制函數(shù)下的系統(tǒng)緩沖性能;最后主要研究了系統(tǒng)緩沖性能影響因素,總結(jié)了箕斗過(guò)卷質(zhì)量、過(guò)卷速度對(duì)系統(tǒng)過(guò)卷緩沖性能的影響規(guī)律,并通過(guò)沖擊設(shè)備進(jìn)行仿真驗(yàn)證,主要得出以下結(jié)論:

(1) 改變過(guò)卷緩沖工況,箕斗過(guò)卷緩沖位移始終不變,固定的過(guò)卷位移對(duì)過(guò)卷緩沖裝置研制的適應(yīng)性更好;

(2) 較大的過(guò)卷質(zhì)量或較高的過(guò)放速度導(dǎo)致過(guò)卷液壓缸腔壓力產(chǎn)生壓力沖擊波動(dòng);

(3) 液壓缸有桿腔變節(jié)流函數(shù)選取F3(x)、蓄能器放液控制函數(shù)選取F6(x)時(shí),系統(tǒng)緩沖性能較好,二者的其他匹配組合或能提高系統(tǒng)性能,故后續(xù)有必要應(yīng)用尋優(yōu)控制算法詳細(xì)研究;

(4) 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)仿真數(shù)據(jù)具有一定支撐作用。