浅析煤矿掘进机液压管路仿真

浅析煤矿掘进机液压管路仿真

杨文启

安徽恒源煤电股份有限公司煤矿，安徽235100

摘要：随着煤矿机械化、装备化水平的提高，越来越多的煤矿企业使用上了掘进机，再配以胶带输送机，实现了连续化掘进，使生产工效大幅度提高。基于此，本文就煤矿掘进机液压管路仿真进行简要探讨。

关键词：煤矿；掘进机；液压管路；仿真；

1  煤矿掘进机液压系统组成及功能

系统是由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合而成、具有特定功能和明确目的的有机整体。掘进机液压系统亦属系统概念范畴，其液压系统是由主油泵、马达（包括行走、星轮、一运马达）、油缸（包括切割部升降油缸、切割部回转油缸、铲板油缸、后支撑油缸）、油箱、操作台以及相互连接的配管等组成。主油泵吸油后经液压管将压力油送达各执行元件（如马达、油缸），执行元件的回油经冷却器冷却后回到油箱，油箱油液又经主油泵吸入送至执行元件，如此循环，掘进机就实现了机器行走、星轮运转、第一运输机驱动切割部上下左右移动、铲板升降及后支撑升降等功能。通过以上功能的联合作用，即可实现掘进机在巷道掘进中需要完成的行走、装煤（矸）、运煤（矸）等功能。

2 悬臂式掘进机液压系统压力损失的计算

2.1 压力损失计算

（1）沿程压力损失

①油液流速

v=4Q/πd2 （1）

式中 Q——管路的平均流量，L/min；

d——管路内径，mm。

②雷诺数Re=vd/u （2）

式中 u——油液运动黏度，u=46.01 m2/s。

③沿程阻力系数管壁绝对粗糙度与管路内径的比值

t=ε/d （3）

式中 ε——管壁绝对粗糙度，ε=0.2。查摩迪图得胶管的沿程阻力系数 λ=0.034；胶管＋钢管的沿程阻力系数查摩迪图得到三联阀进油路λ＝0.055、回路钢管 λ=0.03、回路胶管 λ=0.034。

④沿程压力损失Δpf=λlρv2/2d （4）

式中 ——管路长度，mm；

ρ——管路中油液的密度，ρ=0.872 kg/L。

（2）局部压力损失胶管局部压力损失主要为减压阀和三联阀；胶管＋钢管局部压力损失主要为减压阀、三联阀和 90°弯管。局部压力损失

（5）

式中 ζ——局部阻力系数，ζ=0.145。

（3）回路总压力损失

（6）

各回路胶管的压力损失计算结果如表 1所示。

表 1液压胶管连接理论计算压力损失

各回路采用胶管+钢管后系统压力损失计算结果如表 1所示。

表 2液压胶管+钢管连接理论计算压力损失

2.2 压力损失对比

胶管压力损失与胶管+钢管压力损失对比如表2所示。

3 压力损失仿真分析

（1）掘进机液压管路系统建模仿真本文基于 AMESim 对各回路分别采用液压胶管连接和液压胶管+钢管连接进行了压力损失仿真，其仿真模型如图 1 所示。（2）模型参数设置对液压胶管连接和液压胶管+钢管连接的模型分别进行仿真。（3）仿真结果通过 AMESim 仿真得到各回路采用液压胶管连接和液压胶管+钢管连接的系统压力损失，如图 1所示。由图 1可知，右装载回路、左装载回路和刮板输送机运输回路具有相似的特性，回路在 0～1.5 s 内压力损失先逐步增大随后减小，在 1.5 s 后回路达到稳定，压力损失也趋于稳定，由图 1（a）、图 1（b）、图 1（c）可知，在采用液压胶管＋钢管后系统压力损失分别降低 0.236 MPa、0.341 MPa、0.379 MPa。 铲板油缸回路、后支撑油缸回路、截割回转油缸回路和截割升降油缸回路具有相似的特性，由图 1（d）可知，回路达到稳定的时间约为 0.5 s，回路在采用液压胶管＋钢管后压力损失分别降低 0.053 MPa、0.210 MPa、0.044 MPa 和 0.141 MPa。 右行走回路和左行走回路具有相似的特性，在 0～0.7 s 内，与装载回路比较压力损失变化较为复杂，但是其回路达到稳定的时间较短，在采用液压胶管+钢管后系统压力损失分别降低 0.435 MPa、0.457 MPa。

（a）右装载回路                           （b）左装载回路

（c）刮板输送机回路                        （d）铲板油缸回路

图 1压力损失仿真结果

4 理论结果与仿真结果分析

（1）对比仿真结果和理论结果发现，其误差值在0.06 MPa 以内，说明了仿真模型及其参数的设置是合理的。存在的误差主要是因为理论计算是管路内流量的平均值，而仿真结果为某一时刻的瞬时值。（2）对比仿真结果和理论结果发现，系统采用液压胶管+钢管连接可明显降低系统的压力损失，降幅的大小取决于钢管的材质、管径和长度。（3）从以上分析可看出，刮板输送机运输回路和截割回转油缸回路在采用液压胶管+钢管连接后其压损降幅较小，主要原因在于其回路所采用的钢管的长度较短，说明回路所采用的钢管长度是影响系统压力损失的重要因素。

结束语

针对掘进机液压系统管路采用液压胶管造成系统压力损失大、效率低等问题，本文以某型掘进机为例，基于理论计算和 AMESim 仿真分析的方法分别对掘进机液压系统各回路压力损失进行了分析，得出以下结果：（1）采用钢管代替部分液压胶管可以有效地降低回路的压力损失，提高系统性能，其压损降幅的大小主要取决于钢管的材质、长度和管径；（2）在掘进机液压系统中，油缸回路的压力损失远大于行走回路和装载回路的压力损失，其主要原因在于平衡阀处的压力损失较大；（3）当液压管路采用液压胶管+钢管时，装载运输回路压力损失降低约53 %，油缸回路压力损失降低约 5%，行走回路压力损失降低约 57%；（4）部分管路采用钢管连接，可有效提高管路的可靠性和寿命，降低液压系统的故障率。

参考文献：

［1］鲁德刚.掘进机液压系统的故障分析与排除［J］. 机电信息，2020（30）：165-166.

［2］沈千里,邱艳峰,石峰,等. 基于管路压力损失对液压系统可靠性影响的分析与研究［J］.液压气动与密封,2016,36(06):165-168＋141.

［3］李萍,殷晨波,叶仪,等. 基于 AMESim 的 21t 液压挖掘机液压管路系统压力损失计算［J］. 液压与气动,2013(03):179-182.