邵安林 王汝杰 單長(zhǎng)征 靳曉波 石博強(qiáng)

(1:鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司 遼寧鞍山114021；2:北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083)

·技術(shù)分析·

大功率圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真

邵安林①1王汝杰1單長(zhǎng)征2靳曉波2石博強(qiáng)2

(1:鞍鋼集團(tuán)礦業(yè)公司 遼寧鞍山114021；2:北京科技大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 北京100083)

基于圓錐破碎機(jī)的液壓系統(tǒng)工作原理和各元器件選型，運(yùn)用AMESim軟件建立了圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)的仿真模型，得到了破碎機(jī)定錐鎖緊、過(guò)鐵釋放與清腔和排礦口大小調(diào)節(jié)三大支路執(zhí)行系統(tǒng)負(fù)載、流量以及工作壓力隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，結(jié)果表明：液壓系統(tǒng)在外部復(fù)雜條件下仍能有效地工作，從而驗(yàn)證了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。

圓錐破碎機(jī) 液壓系統(tǒng) AMESim軟件 建模與仿真

1 引言

礦山行業(yè)中物料的粉碎是一道不可或缺的重要工藝過(guò)程。在物料粉碎過(guò)程中，圓錐破碎機(jī)是一種典型設(shè)備，廣泛應(yīng)用在硬物料的中碎和細(xì)碎過(guò)程，尤其在產(chǎn)量要求大的礦山、建材、水利等行業(yè)，應(yīng)用十分廣泛。從國(guó)外引進(jìn)先進(jìn)的圓錐破碎機(jī)技術(shù)和設(shè)備，對(duì)發(fā)展我國(guó)破碎機(jī)行業(yè)和礦業(yè)都具有十分顯著的現(xiàn)實(shí)意義，引進(jìn)設(shè)備的關(guān)鍵在于消化和吸收以及將其國(guó)產(chǎn)化。因此在美卓HP800圓錐破碎機(jī)的基礎(chǔ)上研制了大功率圓錐破碎機(jī)，液壓系統(tǒng)是其研制過(guò)程中重要的部分。針對(duì)大功率圓錐破碎機(jī)在各種工況下的特點(diǎn)，對(duì)其液壓系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，最后對(duì)各元器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)性能分析。

2 大功率圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 液壓系統(tǒng)原理圖

針對(duì)圓錐破碎機(jī)應(yīng)具備的三大基本功能的研究和分析，破碎機(jī)的液壓系統(tǒng)控制三個(gè)基本回路的動(dòng)作。圓錐破碎機(jī)的液壓原理圖如圖1所示。左支路是定錐鎖緊回路，用于控制定錐液壓鎖緊液壓缸的動(dòng)作；中間支路是過(guò)鐵釋放和清理回路，用于控制過(guò)鐵釋放和清理破碎腔時(shí)液壓缸的動(dòng)作；右支路是排礦口大小調(diào)節(jié)回路，用于調(diào)節(jié)排礦口大小時(shí)液壓馬達(dá)的動(dòng)作。

圖1 大功率圓錐破碎機(jī)液壓原理圖

2.2 液壓系統(tǒng)工作原理

參照設(shè)計(jì)液壓系統(tǒng)原理圖，對(duì)應(yīng)著大功率圓錐破碎機(jī)的基本功能，表1顯示了各回路中的電磁換向閥的動(dòng)作順序。

表1 圓錐破碎機(jī)電磁閥的動(dòng)作順序(12個(gè)動(dòng)作)

注：黑點(diǎn)表示電磁鐵得電

2.2.1 定錐鎖緊回路

為了將定錐保持在調(diào)整環(huán)中的破碎位置，借以消除螺紋間的間隙，防止產(chǎn)生沖擊和磨損，需要通過(guò)鎖緊缸加壓加以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)回路壓力低于某一下限值時(shí)，開(kāi)啟電磁換向閥1DT。液壓油經(jīng)主進(jìn)油管路，流過(guò)節(jié)流閥和單向閥，進(jìn)入鎖緊缸，推動(dòng)活塞連接的調(diào)整環(huán)鎖緊定錐；同時(shí)給予蓄能器壓力；液壓油經(jīng)可變節(jié)流閥流入主回油管路。當(dāng)壓力達(dá)到某一上限值時(shí)，關(guān)閉電磁換向閥1DT。

2.2.2 過(guò)鐵釋放和清腔回路

通過(guò)非破碎物(過(guò)鐵)所產(chǎn)生的過(guò)大作用力會(huì)使調(diào)整環(huán)抬起，進(jìn)而使液壓缸中的活塞上行。此時(shí)，液壓油從缸的上油室被排入蓄能器，由蓄能器吸收過(guò)大的油路液壓。當(dāng)過(guò)鐵現(xiàn)象之后(破碎力達(dá)到正常值)，蓄能器釋放能量，將液壓油壓回液壓缸內(nèi)，使油缸活塞縮回。

2.2.3 排礦口大小調(diào)節(jié)回路

當(dāng)需要調(diào)整排礦口的大小時(shí)，可通過(guò)本回路來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)液壓馬達(dá)的正反轉(zhuǎn)，再通過(guò)大小齒輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)定錐的螺旋上下運(yùn)動(dòng)。電磁換向閥3DT通電，此時(shí)定錐鎖緊缸回路處于卸壓狀態(tài)。接通電磁換向閥5DT和9DT，液壓油分別流經(jīng)換向閥到達(dá)液壓馬達(dá)，液壓馬達(dá)上的小齒輪帶動(dòng)調(diào)整環(huán)來(lái)增大排礦口。

3 液壓系統(tǒng)建模與仿真

3.1 液壓系統(tǒng)模型的建立

利用AMESim軟件對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模，對(duì)液壓系統(tǒng)進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，但遵循不改變系統(tǒng)特性的原則，液壓系統(tǒng)模型建立如圖2所示。

圖2 在AMESim軟件平臺(tái)上建立的液壓系統(tǒng)模型

3.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在AMESim軟件仿真時(shí)，各元件主要參數(shù)設(shè)置如下：油液密度900kg/m3，體積模量700MPa；電機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min；液壓泵排量80ml/rev，轉(zhuǎn)速1500r/min；液壓馬達(dá)排量90ml/rev，轉(zhuǎn)速150r/min；三位四通換向閥各通路流量100L/min；主油路溢流閥最大工作壓力為20.5MPa；蓄能器預(yù)充壓力16MPa，容量6.5L。過(guò)鐵液壓缸內(nèi)徑250mm，活塞桿直徑140mm，行程0.4m；鎖緊缸內(nèi)徑80mm，活塞桿直徑61mm，行程30mm。

4 液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果

4.1 排礦口大小調(diào)節(jié)回路仿真結(jié)果

為確保圓錐破碎機(jī)排礦口大小的精度要求，排礦口大小的調(diào)整過(guò)程中需平穩(wěn)且無(wú)較大沖擊波動(dòng)，這就要求仿真系統(tǒng)中液壓馬達(dá)運(yùn)行平穩(wěn)，軸輸出速度無(wú)較大波動(dòng)。圖3的兩個(gè)峰值是由于換向閥變向時(shí)產(chǎn)生的軸扭矩，軸扭矩的正負(fù)值僅代表轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。如圖4所示，在換向閥打開(kāi)的初期，液壓馬達(dá)的速度瞬間達(dá)到150r/min，而且在運(yùn)行中并無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象。隨著時(shí)間的變化，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速會(huì)小幅度下降，是由于為了更真實(shí)的反應(yīng)液壓系統(tǒng)的特性，在仿真初期的參數(shù)設(shè)定中，設(shè)定了泵和液壓馬達(dá)的泄露系數(shù)，因此馬達(dá)轉(zhuǎn)速的小幅下降進(jìn)而表明仿真結(jié)果與實(shí)際相符。

圖3 液壓馬達(dá)軸扭矩的曲線(xiàn)

圖4 液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)速曲線(xiàn)

4.2 過(guò)鐵釋放和清腔回路仿真結(jié)果

如圖5所示，無(wú)法破碎的鐵塊在破碎腔內(nèi)受擠壓產(chǎn)生足以迫使定錐及上機(jī)架通過(guò)釋放缸活塞向上位移的力時(shí)，排礦口增大到可允許鐵塊通過(guò)，則鐵塊在自重作用下滑落，即鐵塊通過(guò)排礦口所需的時(shí)間為3s左右。過(guò)鐵釋放全過(guò)程所需時(shí)間控制在6.6s左右，設(shè)計(jì)要求所需時(shí)間為7s之內(nèi)，因此仿真的系統(tǒng)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

圖5 過(guò)鐵釋放過(guò)程中回路的壓力

圖6 蓄能器壓力和流量的變化

如圖6所示，在0～3s是由于過(guò)鐵致使釋放缸活塞向上位移，把支路中的油液壓入蓄能器中，從而使蓄能器體內(nèi)的壓力和流量分別增加至20MPa和80ml左右，在鐵塊通過(guò)排礦口后，蓄能器的壓力和流量分別恢復(fù)至16MPa和0ml。從仿真圖形可以觀察到蓄能器內(nèi)壓力和蓄能器口的流量基本符合理論分析。

4.3 定錐鎖緊回路仿真結(jié)果

由圖7所示的仿真結(jié)果可知：在定錐鎖緊回路中需要鎖緊缸的活塞桿向上移動(dòng)，活塞桿理想的位移變化如圖線(xiàn)2所示，但由于考慮到系統(tǒng)中各液壓元件的泄漏，因此在仿真建模的參數(shù)設(shè)定了各個(gè)液壓元件的泄漏系數(shù)，故仿真得到的活塞桿的位移變化如圖中線(xiàn)1所示。考慮到油液的泄漏，活塞桿實(shí)際位移直線(xiàn)比理想位移直線(xiàn)的斜率小，即同樣的位移，活塞移動(dòng)實(shí)際所需時(shí)間比理想所需時(shí)間要長(zhǎng)。

圖7 鎖緊缸活塞桿位移變化

圖8 液壓泵出口壓力和流速曲線(xiàn)

在定錐鎖緊回路正常工作的情況下，如圖8所示，液壓泵出口壓力和流量隨時(shí)間的變化曲線(xiàn)，液壓泵由零負(fù)載到滿(mǎn)負(fù)載壓力需要0.3s；并無(wú)明顯波動(dòng)，液壓泵出口的流速也趨于穩(wěn)定。從仿真圖形可以觀察到液壓泵出口的壓力和流速基本符合理論分析。

5 結(jié)論

利用AMESim軟件對(duì)圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真，在仿真結(jié)果中得到一些重要的參數(shù)曲線(xiàn)圖。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，大功率圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)仿真結(jié)果中的多處重要參數(shù)接近設(shè)計(jì)理想值，且符合實(shí)際工況，從而證明仿真成功，本套液壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及選型可取。

[1]高瀾慶，王文霞，馬飛．破碎機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)[M].冶金設(shè)備，2001(4):13-14.

[2]楊培元，朱福元．液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)明手冊(cè)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[3]高有茂,杜金霞,郜紅莉.國(guó)內(nèi)分級(jí)破碎機(jī)的研究現(xiàn)狀及方向[J].礦山機(jī)械,2008,Vol.35(12):95-97.

[4]周寶花,牛波,亓玉.液壓圓錐破碎機(jī)液壓系統(tǒng)及潤(rùn)滑系統(tǒng)原理方案設(shè)計(jì)[J].液壓氣動(dòng)與密封,2010(1):38-39.

[5]司癸卯,張青蘭,段立立,等.基于AMESim的液壓破碎錘液壓系統(tǒng)建模與仿真[J].中國(guó)工程機(jī)械學(xué)報(bào),2010,Vol.8(2):179-183.

[6]趙文祥,嚴(yán)世榕.基于AMESim的輪式裝載機(jī)工作裝置建模與仿真研究[J].機(jī)床與液壓,2014,Vol.42(1):123-127.

[7]王小龍.基于AMESim的液壓制動(dòng)集能系統(tǒng)的建模與仿真[J].成都大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(2):22.

[8]唐威．慣性圓錐破碎機(jī)結(jié)構(gòu)原理與應(yīng)用研究[J]．礦山機(jī)械，2001(1)：31-33．

[9]付永領(lǐng)，祁曉野．AMESim系統(tǒng)建模和仿真[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[10]余佑國(guó)，龔國(guó)芳等．AMESim仿真技術(shù)及其在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用[J] ．液壓氣動(dòng)與密封，2005(3)：28-31.

DesignandSimulationaboutHighPowerHydraulicSystemofConeCrusher

Shao Anlin1Wang Rujie1Shan Changzheng2Jin Xiaobo2Shi Boqiang2

(1:Anshan I/S Group Co., Mining Company, Anshan 114021; 2:University of Science and Technology, Beijing 100083)

Based on the hydraulic system working principle of cone crusher and the components selection, simulation model of hydraulic system of cone crusher was established by applying the software AMESim. Got crusher cone lock, iron release and cavity and row ore mouth size to adjust the three branch execution system load, flow rate and pressure changing with time curve, the results show that the hydraulic system in the outside still can work effectively under complicated conditions, so as to verify the rationality of the design of the hydraulic system.

Cone crusher Hydraulic system AMESim software Modeling and simulation

邵安林，男，1963年出生，畢業(yè)于東北大學(xué)，博士，教授級(jí)高工，現(xiàn)任鞍山鋼鐵集團(tuán)副總經(jīng)理兼礦業(yè)公司經(jīng)理，遼寧科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院院長(zhǎng)

TD451 TB115

A

10.3969/j.issn.1001-1269.2014.05.006

2014-05-22)