（机械电子工程专业论文）液压支架液压系统的建模与仿真.pdf

论文题目: 液压支架液压系统的建模与仿真 专 业: 机械电子工程 硕 士 生: 陈 兰 （签名） 指导教师: 曹春玲 （签名） 摘 要 随着煤炭行业的不断发展，高产高效的综采设备不断进步，液压支架作为主要的综 采设备，对其性能提出了更高的要求。为了研究和开发更高性能的液压支架，单纯运用 传统的设计方法需要进行各种性能试验，周期长、成本高，变更参数或条件困难，有时 甚至无法实现。本文以某型液压支架液压系统为对象，研究液压支架的动态特性，并对 系统的压力损失进行了计算。 论文利用 a m e s i m 软件对液压支架液压系统进行了建模。amesim 软件是一种比较 直观的、图形化的建模软件，它按照数学方程式建立多个领域的图形化元件库，使建模 方式更为方便。论文以 v i s u a l b a s i c软件为辅助工具，制作了液压支架液压系统的人 机交互界面，并编写了 v i s u a l b a s i c和 amesim 的接口程序，实现了 v i s u a l b a s i c 和 amesim 的联合仿真。 论文通过对建立的液压支架液压系统的液压模型进行仿真，研究了乳化液泵站、立 柱控制回路及推移控制回路等主要回路的动态特性；此外，还以阻尼孔代替液压支架液 压系统中换向阀的方法对系统模型进行了简化处理，然后进行仿真分析，利用仿真结果 对液压支架液压系统中的压力损失进行了计算。 本文通过人机交互界面控制的方式对液压支架液压系统进行控制，使得操作更为方 便；通过变更参数的方法对系统进行了仿真分析，研究了影响液压支架液压系统动态特 性的主要因素，为新型液压支架的研究与设计，以及提高液压支架的性能提供了理论依 据。 关 键 词: 液压支架液压系统；v i s u a l b a s i c ；amesim；联合仿真；压力损失 研究类型: 应用研究 subject : modeling and simulation of hydraulic supports hydraulic system speciality : mechanical electronic engineering name : chen lan (signature) instructor : cao chun ling (signature) abstract with the continuous development of coal industry, high yield and high efficiency compound mining equipment progress quickly. as the main compound mining equipment, hydraulic support puts forward higher requirement for its performance. if we make various performance tests with the traditional design method, cycle is long, the cost is high, changing parameters or conditions is very difficult. sometimes, it even can not be achieved. this article based on one type of hydraulic supports hydraulic system, studies some of the dynamic characteristics of hydraulic support, and has calculated the pressure loss of liquid. this thesis models the hydraulic system of hydraulic support, using the software of amesim. amesim is stark and graphical in modeling. according to the mathematical equations to create multiple areas of graphical component libraries, making modeling method more convenient. this thesis auxiliary tool is visual basic, using it we make the man-machine interface of hydraulic supports hydraulic system, and write the interface program of visual basic and amesim, in the last, realizes the joint simulation of visual basic and amesim. based on the hydraulic supports hydraulic system establishment of hydraulic model, we make the simulation, and study the dynamic characteristic of emulsion pump, pillar control circuit and goes control circuits, which are the main loops. in addition, using the way of damping hole in instead of hydraulic support directional control valve in hydraulic system, the system model is simplified. and then analysis the simulation, using the simulation results, we calculate the pressure loss of hydraulic supports hydraulic system. this article makes the aim of controlling hydraulic supports hydraulic system by the way of making machine interface control, and makes the operation more convenient. we analysis the simulation system through the way of changing parameters, get the main factors of influence hydraulic supports hydraulic system dynamic. it provides theory basis for new hydraulic supports research and design, improving hydraulic supports performance. key words: hydraulic supports hydraulic system visual basic amesim co-simulation pressure loss thesis : application research 1 绪论 1 1 绪论 1.1 选题的背景及意义 1.1.1 发展现状及前景 近年来，我国煤矿开采的综合机械化水平得到了提高， 液压支架作为综采工作面 的支护设备，是煤矿机械化开采的关键设备。随着机械化开采技术的不断发展，相继出 现了新型高功率采煤机以及工作面刮板输送机，从而对支架有了更高的要求，因此，如 果不改善支架的控制系统，将无法满足工作面的需求 2 。目前为止，我国国内液压支架 控制的模式仍然停滞在机手把单向控制邻近支架或者控制本架的层次上。这种控制模式 不仅具有控制系统的结构和制造工序简单的特点，而且成本低，适应力强。但是它同时 也具备一些很严重的缺点，如工人的工作条件差，以及工作环境的安全性差；支架本身 的性能差，效率不高，且容易发生故障，影响工作效率；对操作人员的经验和技能的要 求高等等。因此，为了克服上述缺点，使工作人员能够在比较安全的工作环境下对液压 支架进行远程控制，必须实现液压支架的自动控制。 液压控制技术是把液体作为传播媒介，对能量进行传递、转换、分发以及控制的技 术。由于液压技术的发展和与现代高科技技术的紧密联系，自二十世纪四十年代控制论 诞生以来，液压技术迅猛发展，逐渐渗透到各个行业，成为衡量一个国家工业水平的重 要标志，起到了举足轻重作用，并具有不可取代的重要地位。近年来，伴随着高科技技 术的发展，液压控制技术又产生了飞跃性的变化。 当前液压技术的发展主要集中在以下几个方面37： ( 1 ) 开发集成、交合、小型化和轻量化液压元件。随着液压系统的不断改进，对液 压元件的性能提出了更高的要求。 为了满足结构简单、 减少安装空间以及易操作等特点， 液压元件必须朝着集成化、轻小型及一体化的方向发展。 ( 2 ) 为了适应机电一体化发展的要求，需开发一些高性能的液压元件。如开发控制 率较低的阀门、响应频率高的电液伺服阀、成本相对较低的比例阀及不需要辅助接口的 数字阀。 ( 3 ) 发展绿色的研究方式，提高无污染的液压技术。如开发一些新的绿色材料以及 绿色制造工艺，满足低噪声、少泄漏和高密封性等要求。 ( 4 ) 提高元件和系统的可靠性。影响系统可靠性的因素包括先进的科学设计、优质 的材料和成熟的工艺设计，此外，还包括系统的应用和维护、监测、故障诊断以及元件 的敏感性。因此，提高元件和系统的可靠性需要加强污染的控制以及新型工业材料的研 西安科技大学硕士学位论文 2 究。 ( 5 ) 利用与系统设计匹配的设计理论、方法和计算机对液压系统的自动控制进行研 究，从而提高工作效率，降低能量损耗。 支架具有特殊的工况特点，介质粘度低、工作压力高、流量大、工作环境恶劣、介 质污染较严重等特点。随着世界支架控制技术的发展，我国支架的液压控制技术也得到 了快速发展。为适应不同的需要，相继开发研究了直动式本架快速移架系统，手动先导 本架、邻架快速移架系统，支架电液控制系统，且在不同的条件下得到了推广应用，取 得了良好效果，为推动我国支架控制技术的发展起到了重要作用3。不过虽然支架配备 了液压控制系统后提高了支架动作控制的灵活性，但在使用过程中支架在功能的实现和 控制动作上仍还存在着一些问题需要解决，还有待完善。 1.1.2 当前液压系统仿真技术存在的问题及发展方向 液压系统仿真技术经过几十年的研究和发展， 通过不少科学家的不懈努力和刻苦钻 研， 迄今为止已积累了不少宝贵的经验。 但是由于我国液压系统仿真技术研究起步较晚， 目前普遍存在着许多问题。其中主要问题有44： ( 1 ) 系统建模不易，对于某些结构复杂的液压系统，根据数学方法建立系统模型难 度很大； ( 2 ) 系统仿真的精确度和可靠性不高； ( 3 ) 仿真的元件模型库不够完善： ( 4 ) 仿真软件的通用性不好； ( 5 ) 液压系统仿真技术对用户要求太高。 近年来，随着煤炭行业的迅速发展，工作面向高产高效化发展。液压支架作为大型 的采煤设备，支架液压系统的设计至关重要，而支架液压系统的建模与仿真大大减少了 设计周期。由于当前的液压系统仿真技术仍不太成熟，因此，今后液压仿真技术的发展 必须在以下方面进行深入研究： ( 1 ) 深入研究先进的建模方法； ( 2 ) 大力发展分布交互式仿真技术； ( 3 ) 进行面向对象仿真技术的研究； ( 4 ) 开展人机和谐仿真环境的研究； ( 5 ) 在液压系统仿真技术中引入数据库技术。 1 绪论 3 1.2 液压支架国内外的研究动态及发展趋势 1.2.1 国内外液压支架的研究现状 自 20 世纪 70 年代国外就开始对液压支架电液控制系统进行了设计与研制，到 80 年代开发研究工作已经进入了实践性的应用阶段，成功地完成了理论到实际的转变。在 90 年代，液压支架电液自动控制技术发展迅速，工作性能更好的满足了发展的要求，可 靠性强。越来越成熟的电液控制技术，使得液压支架成为发达国家综采工作面的主要设 备，而电液控制系统也成为液压支架的标准控制装备。目前，使用电液控制液压支架的 国家主要有美国、中国、俄罗斯、德国、澳大利亚、波兰、加拿大、南非、墨西哥、斯 洛文尼亚等多达 200 多个国家。 8 0 年代以来, 世界主要采煤国家积极应用新技术开发和研制高性能、高可靠性的新 型液压支架，以达到降低成本、减人提效、减面提产、实现矿井集中生产的目的。美国 早在1 9 9 0 年已成功采用额定压力为5 0 m p a 和额定流量为4 7 8 l/ min的乳化液泵站实现了 支架的快速移架，达到每秒 68 的成绩，成为了世界上最先进的采煤国家。 美国、澳大利亚、英国皆大力发展两柱掩护式液压支架，在性能方面各具优点。美 国采用的两柱掩护式支架，使用寿命 810 年，可用率高达 95%98%；澳大利亚的支架 平均工作阻力为 7 6 4 0 k n ；英国的支架，在工作阻力方面也有了很大提高，达到 60008000k n 。 我国煤矿地质条件复杂，中小矿井多，回采工作面还大量使用单体液压支柱和摩擦 支柱等，但我国液压支架的发展也十分迅速。从 2 0 世纪 6 0 年代末开始液压支架的研究 和开发工作。7 0 年代分别从前苏联、波兰、德国和英国引进液压支架，经过复制、反复 试验，并不断从失败中总结经验教训。于 8 0年代，我国主要的煤矿设备研究部门对第 一套放顶煤液压支架进行了试验， 研究了其工作性能， 跨出了标志性的一步。 进而对低、 中、高位放顶煤支架进行了研制，同时我国在研制和应用液压支架方面取得了飞跃性的 进步。9 0 年代初期，我国的液压支架的发展逐渐成熟，到末期已经成功的达到了世界领 先水平5。 1.2.2 国内外液压支架存在的差距及发展趋势 我国液压支架经过 2 0多年的发展，尽管取得了显著成绩，在双高矿井建设中出现 过日产万吨、 甚至班产超万吨的记录， 但总体水平与世界先进采煤国家仍存在一定差距。 主要表现在以下几个方面6： ( 1 ) 在加工制造方面，我国国产液压支架的工艺技术、服务年限、使用性能、所用 材质到目前为止还停留在国外 3 0年前的技术水平。比如在结构材料上，我国使用的材 西安科技大学硕士学位论文 4 料屈服极限仅仅只有 3 5 0 m p a ，落后于德国 1 5 0 m p a ；而在加工工艺上，由于国内油缸 内壁不采用复镀，相比国外支架立柱，国内立柱容易出现划伤、斑点等泄漏现象，影响 支架工作性能。 ( 2 ) 在控制系统方面，国内液压支架控制系统的发展相比国外还处于落后阶段，使 得支架在工作性能上远远不如国外。2 0 世纪 8 0 年代可编程电液控制系统技术基本趋于 成熟，现如今已经广泛应用于世界上的几个主要产煤大国如美国、澳大利亚、英国及德 国等国家。但是我国仍采用相对落后的手动控制系统。 ( 3 ) 在液压元件方面，液压元件的发展速度赶不上液压支架发展的需求。液压元件 的可靠性直接影响着液压支架的各方面性能及可靠性。液压元件的技术性能是否满足生 产要求是液压支架能否成功应用于煤矿的关键因素。相比国外的大流量、灵敏度高、密 封性好及抗冲击载荷强的液压元件，国内仍处于落后状态。 今后 1 0 年，为了提高液压支架的移架的速度，我国将采用高压大流量乳化液泵站， 如额定压力 4 0 m p a 、额定流量 4 0 0 l / m i n 的泵站；同时，为了保证足够的支撑力，系统采 用环形或双向供液保证支架支撑顶板位置准确。总的来说，我国液压支架将从提高电液 控制阀利用率、加快移架速度和加强钢板强度等方面发展。 1.3 本课题主要研究内容与技术路线 本课题以某放顶煤液压支架液压系统为物理模型，通过对液压支架液压系统进行建 模与仿真，研究液压支架的一些动态特性，从而确定影响液压支架液压系统性能的一些 主要的因素。 首先对液压支架液压系统进行建模。液压支架液压系统可分为主供液系统和支架液 压系统。 其中主供液系统包括泵站、 高压过滤站、 顺槽进回液管路和工作面进回液管路； 支架液压系统包括立柱、千斤顶、换向阀、液控单向阀、过滤器、管路和接头等元器件。 因此先建立主供液系统以及中间支架液压系统各个控制回路的液压模型，然后再根据子 模型建立液压支架液压系统的模型。利用制作的人机交互界面进行参数设置，然后进行 联合仿真分析，从而研究液压支架液压系统的动态特性。 对液压支架液压系统模型进行简化处理，将原本系统中的电磁换向阀换成阻尼孔， 并将回路中的液控单向阀忽略，再对其进行仿真分析，根据仿真结果对液压支架液压系 统的压力损失进行计算。 1.3.1 主要研究内容 ( 1 ) 建立主供液系统和中间支架液压系统各个控制回路的子模型。 ( 2 ) 结合所建子模型建立液压支架液压系统的液压模型。 ( 3 ) 利用 v i s u a l b a s i c 软件制作的人机交互界面，制作出液压支架液压系统各回路 1 绪论 5 以及各元件的参数设置窗口。 ( 4 ) 编写 v i s u a l b a s i c 软件与仿真软件 a m e s i m 的接口程序。 ( 5 ) 联合仿真分析，研究液压支架液压系统的一些动态特性。 ( 6 ) 计算液压支架液压系统的压力损失。首先对液压支架液压系统模型进行简化， 然后进行仿真，最后利用仿真结果对液压支架液压系统的压力损失进行计算。 1.3.2 课题研究技术路线 课题研究技术路线如图 1 . 1 所示： 图 1.1 技术路线流程图 液压支架液压系统的建模与仿真 基于 amesim 的液 压支架液压系统的建模 液压支架系统 压力损失的计算 基于 visual basic 的 人机交互界面的制作 联合仿真分析 简化后液压支架 液压系统的建模与仿真 系统压力损失的计算 结果分析 结 论 西安科技大学硕士学位论文 6 2 液压支架液压系统 液压支架与乳化液泵站、装载机、刮板输送机和滚筒采煤机等配套使用，成为煤矿 综采工作面的主要机械设备。液压支架一般由架体、工作机构、液控系统及附件四大部 分组成。本章主要对液压支架的工作原理和工序，以及液压支架液压系统做一些简短的 介绍7。 2.1 液压支架 2.1.1 液压支架的特点 液压支架是以乳化液泵站的高压液体为动力，利用液控系统，使支架以及其附属装 置完成支撑、降柱、移架、推移输送机以及防护等动作，从而实现支护工作机械化19。 液压支架的工况除升柱支撑、 降柱卸载和移架等主要的工况之外， 还支架内部部件之间、 支架与邻近支架的相对运动等辅助工序，如调架、护壁、侧护、放倒、防滑等。而这些 辅助工序除调架必须在移架过程中进行外，其他的可以单独工作，也可以与其中某些主 要的工序同时工作。 在液压支架的支撑过程中，由于操纵阀的关闭，支架顶梁与工作面顶板的支撑关系 会发生变化，即由原来的主动支撑变为后来的被动支撑。因此支架的支撑过程可分为主 动支撑（初撑阶段）和被动支撑阶段（承载阶段）两种工况20。当液压支架开始降柱时， 由于液控单向阀的突然开启，主阀芯的受力不平衡，导致出现瞬态冲击的现象。而只有 将立柱内高压液体卸载（即卸载冲击）后，支架才能正常降柱。因此，在研究液压支架 的动态特性时，把卸载冲击作为一个独立的基本状况。液压支架的主要操作工序都对支 架的性能起着决定性的作用，其中卸载降柱严重影响支架的支护状态，而推溜与移架关 系着支架的移架速度和升柱支撑决定着支架的支撑性能。 长壁回采工作面的顶底板的地质条件具有必然性的差异，在不同工作面的液压支架 的基本工况可能相同也可能不同，而且在空间上和时间上都具有随机性。每台液压支架 都同时包括立柱控制回路和推移控制回路，因此出现不同工况的组合完全是正常现象， 如降柱与移架、升柱与推移输送机等20。 2.1.2 液压支架的工作原理 液压支架主要由顶梁、立柱、底座、推移千斤顶和控制阀等组成，其基本动作包括 升柱、降柱、移架和推溜38。 ( 1 ) 升柱初撑阶段 2 液压支架液压系统 7 如下图 2 . 1 所示为液压支架升柱过程原理图。将操纵阀置于升柱位置后，泵站排出 的高压液体经打开液控单向阀 3 进入立柱 1 下腔使支架升起，同时立柱上腔回液，液体 由操纵阀 4 流回液箱。打开操纵阀到支架顶梁接触到顶板的过程为升柱，此时立柱活塞 腔压力增加；顶梁接触顶板到关闭操纵阀的过程则为初撑，同时立柱活塞腔的压力相比 升柱时活塞腔的压力又有所增加。 1 - 立柱；2 - 安全阀；3 - 液控单向阀；4 - 换向阀 图 2 . 1 液压支架升柱过程原理图 在乳化液泵站的工作压力作用下，支架对顶板的最初支撑力，称为支架的初撑力， 用 p初表示。其计算公式为： npdp 泵初 2 4 = （2 . 1 ） 式中 初 p 支架的初撑力，n ； d 支柱活塞直径，m m ； 泵p 乳化液泵站的工作压力，m p a ； n 每架支架的支柱数。 ( 2 ) 支架承载 初撑结束后，将操纵阀置于中间位置，立柱下腔的工作液体被液控单向阀 3 封闭， 使支架保持对顶板的支撑状态。随着顶板下沉，立柱下腔液体压力升高，使支架对顶板 产生更大的支撑力以阻止或延缓顶板下沉。这是支架的增阻阶段。当立柱下腔液体压力 达到安全阀 2 调定压力 a p 时，安全阀开启溢流，立柱收缩，支架随顶板下降。当立柱下 腔压力低于 a p 时，安全阀即关闭。这就是支架的恒阻阶段。如图下 2 . 2 所示液压支架承 载阶段原理图。 当达到安全阀的调定压力 （即卸载压力） 时， 支架对顶板的最大支撑力， 用 x p 表示， 其计算公式为： npdpx a 2 4 = （2 . 2 ） 式中 x p支架的工作阻力，n ； 西安科技大学硕士学位论文 8 d 支柱活塞直径，c m ； ap 安全阀的调定压力，m p a ； n 每架支架的支柱数。 1 - 立柱；2 - 安全阀；3 - 液控单向阀；4 - 换向阀 图 2 . 2 液压支架工作原理图 ( 3 ) 降柱卸载 当支架需要向前移动时，首先必须降柱，使支架卸载。降柱时，将操纵阀置于降柱 位置，高压液体进入立柱上腔，同时打开液控单向阀 3 ，立柱下腔回液，活柱回缩，支 架下降，使顶梁脱离顶板。如下图 2 . 3 所示液压支架降柱过程原理图。 1 - 立柱；2 - 安全阀；3 - 液控单向阀；4 - 换向阀 图 2 . 3 液压支架降柱过程原理图 ( 4 ) 移架与推溜 支架和输送机的前移，都是由底座上的推移千斤顶来完成的。当需要移架时，先降 柱卸载，然后通过操纵阀使高压液体进入推移千斤顶的活塞杆腔，活塞腔回液，以输送 机为支点，缸体前移，把整个支架拉向煤壁，完成支架的移架过程。 当支架进行支撑需要推移输送机时，使高压液体进入千斤顶活塞杆腔的另一工作腔 回液，以支架为支点，使活塞杆伸出，把输送机推向煤壁，实现推溜。 千斤顶活塞腔进入高压液体产生的推力的计算公式为： 泵推 pdp 2 4 = （2 . 3 ） 2 液压支架液压系统 9 式中 推 p 千斤顶的推力，n ； d 千斤顶的活塞直径，m m ； 泵p 乳化液泵站的工作压力，m p a 。 2.2 液压支架液压系统的特点 综采工作面支架液压系统主要有泵站、供液、回液管路和并联在供回液管路上的端 头支架和中间支架组成。供液与回液管路的布置方式有简单单线供液、环形供液、单线 分支供液、梯形网络供液和半工作面供液等。 液压支架的液压系统具有下列特点7: ( 1 ) 液压系统庞大，元件多。液压支架沿采煤工作面全长铺设，铺设长度大( 可达 2 0 0 m ) 。液压系统中有大量的立柱( 8 0 1 0 0 0 根) 和千斤顶( 8 0 1 5 0 0 根) ，还有数量很多 的安全阀、液控单向阀、操纵阀，以及大量的高压软管、管接头等，因而整个系统错综 复杂。系统中各部件的密封性和可靠性对支架工作影响很大。 ( 2 ) 工作压力高。液压支架在工作面支护顶板，要求有较大的支撑力，与初撑力有 关的是泵站的工作压力，一般为 1 0 3 5 m p a 。初撑以后，立柱活塞腔被封闭，到工作阻 力时的液压力可达 4 0 6 0 m p a 。因此，要求液压元件有足够的耐高压强度。 ( 3 ) 供液路程长，压力损失大。液压支架的立柱和千斤顶的工作液体是由设在工作 面下顺槽的泵站供应，液压能需要长距离输送，压力损失较大，尤其是移架和推移输送 机时，支架液压系统中有很大容量的工作液体进行循环流动，所以要求主管路有足够的 过流断面。 ( 4 ) 工作环境恶劣、潮湿、粉尘多，工作空间有限，采场条件经常变化。检修不方 便，要求液压元件可靠，工作时间长。 ( 5 ) 对液压元件要求高。液压支架的工作液体采用乳化液，水占 9 5 % 左右，故粘度 低，润滑性能和防锈性能都不如矿物液压油，因此，要求液压元件的材料好、精度高， 具有较好的防锈、防腐蚀能力。 2.3 液压支架液压系统的基本组成 综采工作面支架液压系统属于液压传动中的泵一缸系统，主要由主供液系统和支架 液压系统组成。主供液系统包括泵站、供液、回液管路。支架液压系统主要包括并联在 供液回液管路上的端头支架和中间支架液压系统。 2.3.1 乳化液泵站 ( 1 ) 乳化液泵站的用途 乳化液泵站是一种转换装置，它能把机械能转变成液压能，是煤矿综采工作面的机 西安科技大学硕士学位论文 10 械设备的主要装备之一。综采工作面的液压支架是通过利用乳化液泵站不断地排除高压 液体，再由供液管路将高压液体输送至中间支架的各个千斤顶，使各个千斤顶动作完成 升柱、降柱、移架、推溜、护壁、侧护、防滑等动作。所以说，乳化液泵站是液压支架 的动力源，而供液及回液管路是桥梁8。 在综采工作面，乳化液泵站除了给液压支架供给系统所需的压力液外，还给工作面 其他元件供给高压液，如可弯曲刮板输送机上的紧链液压马达、桥式转载机中的固定与 推移千斤顶、采煤机牵引链的张紧千斤顶以及工作面上、下出口处用来作超前支护用的 单体液压支柱等。由此可见，乳化液泵站在综采工作面占十分重要的地位。 ( 2 ) 乳化液泵站的组成 乳化液泵又简称泵站， 是给液压支架提供工作液体的动力装置。 它主要由乳化液泵、 乳化液箱和一些附属设备组成。泵站在实际使用时，往往是同时安装两台乳化液泵和一 个乳化液箱，所以通常称“两泵一箱” 。 如下图 2 . 4 所示为泵站液压系统在正常工作时 的供液线路。同时安装两台乳化液泵的好处是在正常工作情况下，一台泵运转，另一台 泵作为备用或进行轮换检修78。当工作面液压支架等液压设备需要增加供液量时，也 可让两台乳化液泵并联工作，从而满足生产的需要。 图 2.4 泵站液压系统在正常工作时的供液线路 乳化液泵站中除乳化液泵是直接给系统进行供液以外，其他一些辅助设备也很关 键。其中乳化液箱通过存储和回收系统中的工作液，并过滤和沉淀回收的液体，使系统 中的液体能够安全的循环使用；吸液过滤器是用于过滤乳化液的；而自动卸荷阀能够在 乳化液泵站 泵用安全阀 手动卸载阀 自动卸载阀 超过调定压力时，安全阀卸液保护液压系统 主要用于卸载启动 超过泵站额定压力时自动卸载，供液压力降 到额定压力的 70%左右时泵站恢复稳定供液 缓解压力脉动，保证卸载阀 稳定工作 蓄能器 向液压系统正常供液 乳化液泵站 泵站液压系统的另一套装置 2 液压支架液压系统 11 乳化液泵站压力过高时自动对系统中的压力进行卸载，起到保护整个系统以及乳化液泵 的作用。 ( 3 ) 乳化液泵站的卸载原理 乳化液泵站液压系统中加装有卸载阀，支架液压系统不需要工作液时，泵排出的乳 化液通过泵站的卸载回路卸载，乳化液直接返回液箱，而不进入支架液压系统。乳化液 泵的排液口直接与卸载阀连接。从图 2 . 5 泵站的卸载原理图中可以看出，卸载阀实际集 单向阀、先导控制阀、溢流主阀的功能为一体。 图 2.5 泵站的卸载原理图 工作面支架液压系统的工作压力为卸载阀的控制压力，当对支架液压系统供液时， 卸载阀中的溢流主阀与先导控制阀都处于关闭的状态，由泵排出的液体经过单向阀，通 过供液管路输送至支架的液压执行元件；而当系统中的工作压力升高至先导控制阀的控 制压力时，先导控制阀控制溢流阀开启，使泵排出的乳化液和系统中的高压液体全部卸 载至乳化液箱。同时由于在系统内液体的压力高于卸载阀内单向阀的关闭压力，使得单 向阀自动关闭，从而使泵处于空载的状态；当系统压力下降至卸载阀的恢复压力时，卸 载阀关闭，单向阀开启，泵站继续向支架液压系统供液 11。 2.3.2 供液回路 在液压支架液压系统中，工作液是由液压泵沿供液管路输送至支架液压系统的，然 后由该系统沿回液管路返回泵站液箱。目前我国采用的供液回路多为单线供液布置的方 式，如图 2 . 6 所示7。沿顺槽和工作面单线布置的是主供液、主回液管路。从主供液和 主回液到各节支架液控系统的操纵阀之间的管路分别被称为支路供液和支路回液管路。 在支路供液管路上设有过滤器和截止阀，截止阀是用来防止在维修单节支架或支架液控 系统时出现泄漏，而影响供液系统，而在支路回液管路上设置单向阀，则是由于在支架 降柱时，回液管路压力较高，有时还有瞬时液压冲击，因此用来防止降柱时影响其他支 架立柱的支撑状态。 西安科技大学硕士学位论文 12 图 2.6 单线供液系统的布置方式 2.3.3 中间支架液压系统 中间支架液压系统主要由千斤顶控制回路构成，如图 2.7 所示支架液压系统原理框 图。 图 2.7 中间支架液压系统原理图 支架 1 支架 2 支架 i 支架 n-1 支架 n 截止阀 供液管 泵 站 2 液压支架液压系统 13 如图所示中间支架液压系统包括前立柱、后立柱、推移控制回路、前梁千斤顶控制 回路、平衡千斤顶控制回路、护帮千斤顶控制回路、侧推千斤顶控制回路以及其他千斤 顶。这些控制回路基本由液压缸、液压阀等液压元件和各种辅助装置等构成。中间支架 的液压缸（如立柱、千斤顶）种类和数量虽然很多，但其液压系统都是采用多执行元件 的并联回路。 2.4 本章小结 本章首先对液压支架的特点作了初步的介绍， 其次详细介绍了液压支架升柱、 承载、 降柱、推溜以及移架等工序的工作原理，然后重点阐述了液压支架液压系统的特点和基 本组成结构。 西安科技大学硕士学位论文 14 3 液压支架液压系统的建模 3.1 amesim 软件介绍 amesim（advanced modeling environment for simulations of engineering systems） 是一个专门对液压或机械系统进行建模和仿真分析的高级软件。它拥有直观的图形界 面，以及多个领域的元件库，使得用户可以从繁琐的数学建模中解放出来，给系统工程 提供了高级的建模与仿真平台。目前，amesim 已经应用于航空航天、越野设备、重型 设备工业以及车辆等多个学科领域，成为流体、机械、电磁及控制等复杂系统建模和仿 真的优选平台2733。 3.1.1 amesim 的功能 由于数学模型的建立是相当复杂的一项工作，且模型直接影响到仿真研究的结果。 因此，近几年来国外的一些国家，尤其是欧洲国家，针对复杂的数学模型与计算机结合 做了很多方面的努力。 从而逐渐研制出一些面向对象的， 更为实用的液压机械仿真软件， 并得到了广泛的应用。其中基于图形化建模方式的仿真软件 amesim 就是成果之一。 amesim 全称为 advanced environment for performing simulations of engineering systems(高级工程系统仿真建模环境)，是由法国 imagine 公司推出的建模仿真软件。 该软件提供给用户一个建模、仿真以及动力分析的友好平台，使用户更为方便的研究不 同领域元件以及各种回路的动态特性。 amesim 是由一系列软件构成，其中包括 amesim、ameset、amecustom 和 amerun，这四部分有其各自的功能和特性52。. （1）amesim图形化工程系统建模、仿真和动态性能分析工具； （2）ameset模型与文档生成器，用于开发和维护用户自已的模型库； （3）ame custom数据库创建工具，用户在其中可以为子模型或超模型创建定制 的用户界面和参数设置，使用 amecustom 可以建立专有的模型数据库； （4）amerun用户运行版本，amerun 使得工程师广泛地和最终用户共享验证 和定制过的模型。 3.1.2 amesim 的特点 amesim 软件基于图形化的建模方式能够更为直接的描述出各个元件的特性以及 元件与元件之间的相互关系，甚至系统的工作原理与工作状况。利用 amesim 软件能 够建立与系统工作原理几乎相同的物理模型。与其他仿真软件相比较，操作起来更为方 3 液压支架液压系统的建模 15 便。此外它还拥有不同领域的元件库，而且这些元件可以相互连接使用。amesim 软件 同时还具有稳态仿真、动态仿真、批处理仿真、间断连续仿真等多种仿真运行方式，可 以得到精度和稳定性很高的仿真结果52。 该软件具有的特点33： （1）amesim 在统一的平台上实现了多学科领域的系统工程的建模与仿真，包括 液压、机械、电磁及气动等多个领域，使不同领域之间的元件能够以物理连接的方式直 接相连。 （2）amesim 的智能求解器能够根据用户所建立模型的数学特性来自动选择最佳 的算法，并动态地切换算法和调整步长，以缩短仿真时间和提高仿真精度。 （3）amesim 具有从物理系统中提取构成系统工程最小要素的基本元素理念。使 用户用尽可能少的要素来反映足够复杂的系统模型。 （4）amesim 建模的语言属于工程技术语言，因此只能局限于工程技术人员使用。 基于图形化的建模方式使仿真模型的修改通过界面进行，不需要编写任何程序代码。 （5）amesim 系列产品中的 ameset 为用户提供了一个标准化、规范化和图形化 的二次开发平台，使用户不仅可以直接调用 amesim 中所有模型的源代码，而且还可 以把用户自己的 c 或 fortran 代码模型以图形化模块的方式综合进 amesim 软件包52。 （6）amesim 保留了 4 个层次的建模方式，如基本元素级、元件级、方块图级及 数学方程级。 用户可以根据自己需要选择适合的建模方式， 或者是多种方式的综合使用。 （7）amesim 为了方便用户更好的分析和优化自己研究的系统，提供了如根轨迹 分析、nyquist 图、bode 图、特征值求解等的线性化分析工具，频谱分析工具以及模态 分析工具。 （8）amesim 具有如稳态、动态、间断、连续及批处理等多种仿真运行模式。 （9）amesim 提供了丰富的与其他软件的接口。 1) 控制软件接口：matrixx，matlab ； 2) 多维软件接口：adams，simpaek，virtuallabmotion，flux； 3) 实时仿真软件接口：xpc，dspace； 4) 优化软件接口：isight，optimus； 5) 数据处理接口：excel。 通常由于建立数学模型的难度大，导致建模过程十分复杂，甚至使参数不易确定。 而 amesim 软件利用已有的物理模型进行建模，只需根据物理结构就能确定出参数， 大大的降低了建模的难度。 3.1.3 amesim 软件的仿真步骤 amesim 软件的工作环境具体包括四种工作模式，即草图模式、子模型模式、参数 西安科技大学硕士学位论文 16 模式和仿真模式33。 （1）草图模式（sketch mode） 草图模式是仿真建模的第一个步骤。在这个模式下从应用库中选取所需要的元件， 按照工作原理图对系统进行搭建。图 3.1 即为软件应用库中的液压元件模型库。在此模 式下可以对系统中的元件进行添加、修改或删除。 图 3.1 amesim 软件所提供的液压元件 （2）子模型模式（submodel mode） 系统搭建完成后就可以进入子模型（submodel）模式下选择子模型。图 3.2 为元件 型号选择窗口。但若系统模型没有连接完整或者系统不合理，则不能进入此模式的工作 环境。 图 3.2 元件型号选择窗口 3 液压支架液压系统的建模 17 （3）参数模式（parameter mode） 在参数模式下，可以对子模型的参数进行检查、拷贝或修改，同时也可以对全局参 数进行设置。当进入此模式时，amesim 就会对系统进行编译，产生一个可执行文件后 才能进行仿真。设置参数时直接点击该元件的图标即可，图 3.3 即为元件参数的设置窗 口。 图 3.3 元件参数设置窗口 （4）仿真模式（simulation mode） 在该模式下可以对系统仿真的初始时间、时间间隔、步长以及误差限制进行设置。 图 3.4 即为运行参数的设置窗口。 图 3.4 运行参数设置窗口 西安科技大学硕士学位论文 18 3.2 主供液系统的建模 主供液系统主要由乳化液泵站、主供液管路、主回液管路、支路供液管路、支路回 液管路组成。其中乳化液泵站是液压能装置，是液压支架液压系统最重要的部件。主供 液系统是通过乳化液泵站向系统中输送高压工作液来保证液压支架所有液压执行机构 的功能的，而供液及回液管路主要是作为传输乳化液的桥梁。 3.2.1 主供液系统的状态方程 乳化液泵站在正常工作时，只有乳化液泵、自动卸载阀和蓄能器对系统的动态特性 有影响。对于定量乳化液泵，若忽略转动的惯性以及运动件之间的内摩擦，可以认为是 一个速度源 q s。泵的排液腔用容性元 b c 表示，忽略蓄能器的阻性仅按容性 a c 处理。自 动卸荷阀可以看作是具有控制线的阻性元 x r 。 对于供液回路， 可以采取分段集中参数模 型来处理。将供液回路划分为若干单元，并把每一单元的阻性元 r(i)、容性元 c(i)和感 性元 i(i)依次按顺序连接7。下述即是供液回路及乳化液泵站的状态方程。 (1) 主供液管路的状态方程为： h h h (1)(2)11 (1) (1)(1)(1)(2)(2)(2) (1)(1)(1) (1) (1)(1) (1)( )111 ( ) (1)(1)( )( )(1) (1) (1)(1) ahh ahhhhhh ahhh ahh hh hhhhhihig hih hhi vvv v c rcrrcr vvpr p cci v iv i vi c ir ic ir ir irr v iv c ir ic =+ = =+ + + + + m h () (1)( )( )( ) ( ) (1)( )( ) hihig hkkk hhh rr v iv ip i r i pi c ic iii + = m （3 . 1 ） h h (1)( )11 ( ) (1)(1)( )( ) (1)( )( ) ( )( ) (1)( )( ) hknh hhkknhngnh hhh h hhh v nv nv vn c nr nc nr nrrc v nv np n pnr n c ninc n =+ + = (2) 主回液管路的状态方程为： 3 液压支架液压系统的建模 19 () pgl l l l l l l p lll l ll l l l ll l l l l l idilil il ll l idillll l ll l l srr i p c v p r s rrc v rc v v ii irip ic iv ic iv ip rrc v iric iv rririric iv iric iv iv += + += = + + + + + + + + + = ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 ( ) 1 () 1 ( 1 )2( 1 ) 1 ( ) 1 ( )2()2( )2( ) 1 ( )( )()( ) 1( ) 1( )( )( )( )() 1() 1( ) 1( 1 ) 1( 1 )( 1 )( )( ) 1() 1( ) 1( )( m （3 . 2 ） (3) 支路供液管路的状态方程为： )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( )( 1 1 ndnl nl nl l l nl nl nl m j ndnll l ndnlnl nl nl al idil il il l l il il il m j idill l idilil il il il r