基于联合仿真技术的液压支架工作过程模拟.doc

原创性声明日期：，丫年歹月玉日本人在导师指导下完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属郑州大学。根据郑州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅；本人授权郑州大学可以将本学位论文的全部或部分编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或者其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。本人离校后发表、使用学位论文或与该学位论文直接相关的学术论文或成果时，第一署名单位仍然为郑州大学。保密论文在解密后应遵守此规定。日期：肼年月多日 摘要液压支架是井下煤矿开采中重要支护设备。它的性能对井下设备、工人的安全以及采煤的效率等都有着非常重要的影响。尽管液压支架已经得到了广泛应用，但是对其工作过程中的动态特性把握还不够。液压支架是以液压为动力，涉及机械、控制和液压多领域耦合的产品。本文采用双伸缩立柱的支撑掩护式支架为研究对象构建多领域仿真。首先，根据支架的二维图纸，利用三维建模中对液压支架的运动学进行分析，得到其升降柱曲线和顶梁前端点的水平轨迹等。从仿真结果可以知道，液压支架工作时重心的位移变化和四连杆的设计对支架稳定性的影响。然后，在中完成对支架的液压系统建模并进行仿真，得到各活塞腔的压力和流量的变化曲线。从仿真结果可以知道，支架各液压部件的的结构参数和泵站的压力流量对支架的工作性能的影响。最后，液压量完成多领域仿真模型构建。多领域仿真得到支架在升柱的机械系统的运动特性曲线和液压系统的压力流量曲线。细化模型后，将仿真得到的结果与单独的液压系统仿真作比较，分析了液压支架的动态特性。研究了机械系统和液压系统进行联合仿真的接口问题，为多领域仿真技术的应用提供了可以参考的实例。关键词：液压支架多领域仿真 ， 瓾瓼瑆 瓼 琩 嗔煊蚍抡婕际酢貉怪艿墓髟砑疤匦苑治觥 支架仿真模型的调试 立柱下腔乳化液对活塞的作用力 课题研究背景及意义增加亿吨标准煤，其中我国占增量的晔澜缑禾肯炎芰亿吨标准煤，比年增加亿吨标准煤，其中我国占增量的。受世界经济发展不确定性影响，以及应对气候变化减少温室气体排放的需求，煤炭需求增速放缓【。从国内可以看到，随着经济的发展以及城镇化速度的加快，煤炭的需求仍将增加。在能源需求加剧和煤机的大好发展形势下，国内的液压支架制造商将要面对如何优化他们的产品，提高液压支架的支撑稳定性，缩短液压支架“降、移、升”的循环时间，增加支架工作寿命的循环次数，增强井下液压支架的对不同地质条件的适应性等诸多问题。因此，提高液压支架的综合性能已成为各生产企业和相关院校研究的重要内容，以此提高我国煤炭开采行业的装备化水平。 多领域仿真技术及液压支架仿真研究现状工程中的产品往往都是由很多个分系统组成，不同的分系统一般都是隶属于不同的领域。工业产品的功能实现就是通过多领域相互耦合来完成的。随着产品功能的日益增多，产品的结构就会越来越复杂，当然其所涉及的领域就越宽广。对于复杂的工程产品，它的工作实现是由多个系统的耦合产生的，分系统的之间的关系也相对复杂。现在不少商用仿真软件都在其软件中提供与其它领域软件相结合的接口，将不同软件的优势结合，为用户带来更加精确的涉及多学科的仿真分析，也就是多领域的协同仿真【。当然，开发一个基于多领域的 压支架的整体动态特性进行了仿真分析 本文的主要研究内容液压支架作为以液压为动力的煤矿机械，从结构上分为液压系统和机械系工况分析，研究在工作阶段下液压支架的特点。 液压支架的组成撑力【】。立柱的理论初撑力： 立柱工作阻力： 图液压支架的工作原理简图液压支架的工作原理简图如图所示。从图中可以看到支架的液压元件在回路中的具体安装位置。液压支架的升柱、增阻承载和横阻承载等工作过程已在上面给出了介绍。除了以上介绍的液压支架工作过程外，液压支架还有卸载降柱：即当采煤机不断向前推进的过程中，支架须对新裸露的项板进行及时的支护，这时候需要将方向操纵阀置于降柱的回路位置；乳化液泵站的的液体经操纵阀流入立柱的上腔钊饲，同时立柱下腔的高压液体液体也会在由于泵站的高压液体顶开液控单向阀，而经操纵阀流回油箱。这样，立柱在泵站的 研究支架顶梁与底座的载荷分布必须了解其影响因素，包括支架与直接和底板建立的接触状态、岩层产生的载荷和由于支架阻力产生的底板变形。支架与直接顶和底板建立的接触状态是变化的，可能从顶梁和底座全面积接触到几个局部点接触。支架主动支撑项板醭后处于被动承载状态，围岩与支架相互作用的载荷使支架顶梁相对底座产生下沉猛。支架顶梁与底座均不是刚性的，直接项与底板一般也不是刚性的。作用在支架上的力的分布取决于支架结构的弹性变形和由于支架阻力引起的直接顶岩层变形。支架力学分析表明，立柱是作用在支架顶梁上的主要内力。对于掩护支架，平衡千斤顶力与顶梁与掩护梁铰点处的力要小得多。因此可粗略认为外力作用点接近立柱连接点。力的分布同样取决于项梁的弯曲刚度。完全刚性顶梁载荷分布是线性分布的，而弹性结构由于其内力和外力的作用产生变形。图采煤工作面板组成奥浯麵严洞鳬弯曲下沉带 茸目妻羹萎要三篓竺警竺詈塑舰可以将立柱简恸二赢翥蒜：。耋品警篇警心或蟹黢并船缴生了萎形磊；纛翟裟矗向阵竺以：差詈竺窒考警篓灾5溃惺艿牧蟾趴梢苑治#轴 周向应力和径向应力的计算可以采用梅拉公式，昵：馈丛!一冬一外缸的计算可以参考以上中缸的应力状态计算。 图甋顶梁端点的运动轨迹支架液压系统特性分析在本章的第一节中己对液压支架的组成做了简单介绍。液压系统作为支架主要的动力系统和控制系统。为了更好的实现联合仿真，需要对支架的液压系统有比较全面的认识和了解，理解各个液压元件结构组成，并能认识到具体参数对支架性能的影响。故在此小节中对支架液压系统具体组成和特点作一些介绍。液压支架的液压系统主要有动力油缸、控制阀门、辅助元件组成。各类主要元件通过辅助元件连接，将液压油泵提供的液体动力，经过液压阀控制液压油进入液压油缸实现往复运动。 对支架在受到液压冲击时保持其稳定性有重要的影响【】。 双伸缩立柱工作性能分析双伸缩双作用立柱；三伸缩双作用立柱。图等负载不等初撑力不等压双伸缩立柱 建模软件疎建立其仿真的运动学模型。 操作。对称的零件建模，只需创建一半，再利用镜像命令生成另一半零件模型。平面，便于后续的修改材料属性，更改颜色，名字等。 图液压支架的装配图 简化模型，需要采用布尔合并减少构件。如将顶梁的几十个零件合并为一个件都掉下去，证明运动学模型的初步构建完成。过简化模型后，在运动副的添加和运动仿真中更加方便。表液压支架各部件间约束关系 完成运动副的施加后，接下来进行驱动的添加。液压支架在升柱过程中其主要的执行元件是立柱和平衡千斤顶。故需要在立柱和千斤顶分别添加驱动。适用于薄煤层，它采用的为等负载不等初撑力不等压的立柱。由前面的立柱运动分析可知，液压支架的升降过程中，先有下活柱上升，后上活柱再上升。内缸之间的驱动函数为琌，甇。平衡千斤顶的液压缸与活塞 位置移动到最高位置的过程。由第二章可知，顶梁端点的运动轨迹的一般要求双纽线，而双纽线的摆动量是液压支架四连杆设计的一个重要参数。在顶梁前图顶梁前端点的水平位移变化图液压支架立柱高度变化 液压系统建模方法的研究液压系统的动特性指在控制系统在收到信号以后，从初始状态到最终状态一 称为系统的传递函数。上式表明，液压系统在初值为零的条件下，其输出量的拉氏变换与输入解析法建模还有任意排列的方程组建模方法、方框图和信号流图建模方法、向量矩阵建模方法等。这些方法由于比较成熟，虽然已经有一些成功的案例，但未能在液压行业被广泛采用。主要有两个方面的原因：一是传统的建模方法没有包含液压系统中存在的如紊流等非线性因素；二是无法从模型中直接得到液压系统的详细特性曲线，或者说不太可能得到。是美国腍 图溢流阀的功率键合图功率键合图用于表示系统中的功率流向。它的特点主要体现在：一方面功率键合图对功率流描述的模块化结构与系统本身的物理机构及动态因素之间有直观而形象的一一对应关系，便于理解和以后的正确分析；另一方面，它与系统动态数学模型即状态方程之间又存在着严格的逻辑上的一致性，可以根据系统的功率键合图推导响应的数学模型。值，并且在对单个液压元件进行建模分析时，它的数学模型阶次一般也较高。液压系统仿真的主要目的就是为了获得系统在工作过程的状态变量的变化、主要元件参数对性能的影响、为液压系统的设计和提升性能提供参考仿真数据。“灰箱”建模法是一种理论分析和实验辨识相结合的一种建模方法；它将液压系统视为“灰箱”，其中有些参数如元件和系统的结构参数是己知的，而有些性能 图“灰箱法”建模的步骤液压元件酉低的子模型是“灰箱”建模法的基础。同一个液压元件，在不同的系统中或不同功能下，其子模型的形式也不同。若忽略液动力、库仑摩擦、粘性阻尼和阀芯重力的影响，则液控单向阀开启时的阀芯运动方程为，一一控制腔油压及作用面积；浚珹】一一高压油腔油压及作用面积；，一一低压腔油压及作用面积； 愿，弹簧刚度及预压缩量。液控单向阀开启后，通过液控单向阀的流量为 模块化建模在系统级仿真中得到了大量的应用，经过工程积累和不断的研究，现在大多数仿真软件都采用模块化的方法来构建研究对象的系统级仿真模型。以液压元件模型为基本模块酉低，模块直接通过信号或功率键的连接实现数据传递。对于功率的传递，采用功率流的方法利用功率键实现双向数据传递，从而使元件连接可读性强：对于控制信号连接采用信号流的方法实现单向传递。当然，也可以将两种类型的信号整合在一起，元件之间通过端口实现数据传递。端既可以传递功率信号，也可以传递控制或者其他数据信号。支架液压系统模型的建立液压支架的升降柱是由执行元件立柱和平衡千斤顶共同完成的。所以，为 导致阀芯的振荡，对立柱控制回路产生液压冲击；可见，安全阀的性能的好坏图安全阀结构简图绝对运动无活塞杆的活塞腔编号替代；带有环形节流孔的阀芯就用图安全阀的模型 图液控单向阀的结构简图编号；液控单向阀阀芯用环形截面的阀芯来替代，模型为图液控单向阀的模型 端口沽狼莼钊本钊酥本钊酥本 痳局本钊酥本钊本钊酥 图操纵阀的模型图操纵阀的参数设置如图为液压支架在升架时，输入信号和操纵阀的参数设置截图。在接下来的仿真调试过程中，可能需要多次修改输入的阶跃信号值；具体的修改都是根据具体的过程来修改阶跃阶段。由模型的帮助文件可知，输入信号的值大小和正负决定了操纵阀的开度与液压流路。由操纵阀的参数设置窗口可以看到，其额定电流为。所以输入参数为为阀口全开，且为正时谟隑 型。双伸缩立柱一级液压缸对大地做绝对运动，二级液压缸对一级做相对运动。 锥谓崾皇以诹阄灰剖背獠炕钊本钊酥本钊酥本皇以诹阄灰剖背狼莼 特别说明：由于采用等负载不等初撑力不等压双伸缩立柱的运动方式，故：炒；朕渤癬；鏰膚。辧由掀甮蚊縟約糠膏糠懒叫谢期蚴图喽栽硕柿靠镸的参数设置 的升起速度明显大于中缸的速度。 纭啊薄斑啊啊“喇莂 概述图联合仿真路线图 建立联合仿真模型在仿真时候出现必须安装到电脑的根目录鏒：，装在桃部桑灰W霸谄渌。 取一级液压缸所受的液压力魑狝模型的输入。液压支架所受要为输出和输入变量以状态变量的形式进行定义和赋值。 仿真时所需要的一些系统信息。需要对模型换软件做一些修改。”将使用“”将安装目录下库“添加到现在路径列表右侧的库树 下的“续屠肷罢呤墙腁模型数据完全导入到液压仿真软件中去，但后者是在两个软件的接间进行数据传递的。可以遇见到，连续模式所需要占用的资源以及仿真时间都是很大的。故用离散模式进行仿真是个不错的选择。设置完后，就会出现接口图标，连接各单元端口完成模型构建。析的联合仿真模型已经基本完成。联合仿真模型如图所示。图中凳嵌岳醋訟的位移进行修改 型由图和图可知：在联合仿真刚开始，可以看到由于有容积腔的作用， 由图可知，顶梁在联合仿真时期高度的变化趋势，顶梁在立柱液压缸力的作用下高度增加了。 总结架工况分析，研究了液压支架运动过程的特点。展望本文应用多领域仿真技术对液压支架进行了工作过程的模拟，对液压支架的运动学和液压系统进行了分析。通过这种耦合的仿真分析可以提高对液压支架结构和以及工作时的状态信息的认识，对支架的设计和改进带来一些帮助。但本文中也存在很多不足，为了提高仿真精度和获取对设计更有价值的物理状态信息，可以从以下方面进行考虑：真模型。 参考文献【克未好罚泄茉葱枨笤庥肽茉唇峁寡芯俊綣】学术与交流，【抗曳购透母镂被幔禾抗捣埂笆濉惫婊恐哦埽罱醣