液压支架立柱动态性能仿真研究

摘要： 通过对液压支架立柱的动态特性进行仿真，研究了立柱活柱腔的压力变化特征，为液压支架立柱防冲击系统研究提供必要的理论基础。

Abstract: The post live column cavity pressure variation characteristics are analyzed through the study of the simulation of dynamic performance of hydraulic support column to provide necessary theoretical basis for the study of the hydraulic support column brace system.

关键词：立柱；动态特性；仿真

Key words: column；dynamic performance；simulation

中图分类号：TD355文献标识码：A文章编号：1006-4311（2014）23-0055-02

0引言

液压支架立柱是液压支架重要的支撑部件，其性能和可靠性直接影响着综采工作面的安全和生产效率。由于工作面顶板快速来压造成支架立柱活塞腔的瞬间压力成倍增高，进而导致立柱压弯、压粗、爆裂，顶梁及底座箱焊接件开焊与断裂等破坏现象。

因此，研究立柱活塞腔的压力动态特性对设计开发新型抗冲击立柱具有重要的意义。本文以液压支架双伸缩立柱为研究对象，利用功率键合图法对顶板快速来压时立柱的动态特性进行仿真，研究立柱活塞腔的压力变化特性，为液压支架立柱防冲击系统研究提供必要的理论基础。

1物理模型

[1][2][3][B][W][A][RP][F1][m1][m2][C1][C2][A2][A1][R溢][SQ][4][C]

图1双伸缩防冲击立柱的简化模型

液压支架双伸缩立柱属于双伸缩式液压缸，主要由活柱、中缸、大缸筒和底阀组成，根据双伸缩立柱的工作原理形成其结构和简化原理模型如图1所示。在顶板快速来压时，顶板沉降速度可达240~600mm/s，有时甚至更高，使得支架立柱中缸内的瞬间压力可能升高数倍，直接导致立柱压弯、压粗、爆裂、顶梁及底座箱焊接件开焊与断裂等破坏现象。因此，研究双伸缩立柱中缸内的压力动态特性对设计开发支架立柱具有重要的意义。

2功率键合图

功率键合图以一组一阶微分方程作为数学模型形式，能够清晰、形象地反映液压系统中几乎所有部件对该系统动态特性的影响状况，真实地反映系统的动态特性。根据系统的简化物理模型和系统功率流的作用，功率建和图模型如图2所示。

[R溢][3][Sq][1][1][4][TF][A2][5][0][7][TF][8][10][1][TF][11][13][0][(2)q2p2][V6F6(6)][(9)q9 p9][A1][A1][V12F12(12)][SF]

图2功率建合图模型

3状态方程

根据功率键合图模型建立状态方程：

2=Sq-

・

V2-

P6

6=

V2A2-

V9A1

9=A1（

P6-

P12）

12=

V9A1-SF

以某司的320缸径的双伸缩立柱为例计算，其中，B为液压的体积弹性模量（乳化液的B≈2.1×109Pa），立柱完全升起后中缸和大缸的体积V1=0.09474m3，V2=0.17584m3，R溢为安全阀的简化阻性元，对于一般的系统分析，在键合图中可以表示为从0节点引出的一个R元，根据立柱安全阀的特性取R溢=4.78×109Pa/(m3/s)；惯性元I1=m1=557kg，I2=m2=778.5kg；活塞作用面积A1=0.0660185m2，A2=0.1256m2， 顶板来压约为Se=5000kN。

4仿真

通过Simulink模型进行立柱大缸和中缸压力仿真计算，得出如下仿真曲线（图4）。

从曲线中看出，中缸冲击压力峰值达到约118MPa，压力稳定后压力值约为82MPa，中缸压力基本上是大缸压力的2倍，大缸、中缸压力震荡波动在0.15s和0.22s后趋于稳定定值，大缸压力波动明显好于中缸压力波动，主要是大缸设置有安全阀，能够有效地进行压力释放，中缸设置底阀，压力无法释放，故在设计立柱时要充分考虑立柱中缸的强度和底阀主密封件的强度。

5结束语

通过对双伸缩立柱动态性能的仿真研究，得出双伸缩立柱大缸和中缸的压力曲线，为双伸缩立柱的设计提供理论计算依据，并在产品性能分析上提供新的方法和手段。

参考文献：

[1]王国法等.高端液压支架及先进制造技术[M].北京：煤炭工业出版社，2010.

[2]李海宁，白志峰，赵书明等.双伸缩立柱在冲击力作用下的动态分析[J].煤矿机械，2010，31(3)：90-92.

[3]刘欣科，赵忠辉，赵锐.冲击载荷作用下液压支架动态特性研究[J].煤炭科学技术，2012，40(12)：66-70.