【導(dǎo)讀】在地下煤炭的綜合機(jī)械化開采中，常常由于頂板沖擊使液壓支架遭受破壞。沖擊性能，對(duì)其進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)，并在其上面配置大流量安全閥，蓄能器以及其它一些元件，構(gòu)成液壓支架的抗沖擊保護(hù)裝置，其系統(tǒng)原理如圖所示。許多成果，并已獲得多項(xiàng)專利權(quán)。而我國(guó)只是近幾年才開始研究，盡管在實(shí)際應(yīng)用中也已。取得許多問(wèn)題，有待進(jìn)一步加以解決。本文將對(duì)抗沖擊保護(hù)裝置的大流量安全閥進(jìn)行設(shè)計(jì)。

　　

【正文】 （頁(yè)面底端居右） 31 1A —— 閥入口面積 , 2m 2p —— 差動(dòng)腔壓力 , Pa cA —— 差動(dòng)腔面積 , 2m Kv—— 當(dāng)量系數(shù) ,m ? ?sin 2v q v mK C C D??? (3— 10) Cv—— 流速系數(shù) 流過(guò)阻尼孔的流量方程 線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 ? ? ? ? ? ?1 [ 2 1 ]coQ s K p s p s?? (3— 11) 式中 coK —— 小阻尼孔的特征系數(shù) , 5/m Ns 400128condK cl? ?? (3— 12) n—— 小阻尼孔的個(gè)數(shù) 0d —— 小阻尼孔的直徑 ,m 0l —— 小阻尼孔的長(zhǎng)度 , m μ —— 液體的動(dòng)力粘度 , 2/Ns m c—— 入口層流修正系數(shù) 流過(guò)小阻尼孔的 流量方程線 性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 ? ? ? ? ? ?12cc VQ s A sx s sp s??? (3— 13) 式中 cV —— 差動(dòng)腔的容積 , 3m β —— 液體的容積彈性模數(shù) , 2/Nm 線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 111h VA s y s Q s s p s A s x s Q s?? ? ? ? (3— 14) 式中 hA —— 立柱活塞的面積 , 2m 2V —— 柱腔的容積 , 3m 大流量安全閥設(shè)計(jì) （頁(yè)面底端居右） 32 y—— 立柱的下降量 ,m 線性化后的拉普拉斯變換表達(dá)式 ? ? ? ? ? ? ? ?222 1hM s c s y s T s A p s? ? ? (3— 15) 式中 2M —— 活柱及運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量 ,kg 2c —— 當(dāng)量粘性系數(shù) ,Ns/m T—— 頂板對(duì)支架立柱的沖擊力 , N 考慮到 ? ? ? ?sy s V s? 為立柱的下降速度 ,式 (5)與式 (6)可變?yōu)? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?2 111h VA V s Q s s p s A s x s Q s?? ? ? ? (3— 16) ? ? ? ? ? ? ? ?2 2 1hM sV s c V s T s A p s? ? ? (3— 17) 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （頁(yè)面底端居右） 33 仿真的概念 仿真是以相似性原理、控制論、信息技術(shù)及相關(guān)領(lǐng)域的有關(guān)知識(shí)為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)和各種專用物理設(shè)備為工具，借助系統(tǒng)模型對(duì)真實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究的一門綜合性技術(shù)。它利用物理或數(shù)學(xué)方法來(lái)建立模型，類比模擬現(xiàn)實(shí)過(guò)程或者建立假想系統(tǒng)，以尋求過(guò)程的規(guī)律，研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，從而達(dá)到認(rèn)識(shí)和改造實(shí)際系統(tǒng)的目的 系統(tǒng)仿真涉及相似論、控制論、計(jì)算機(jī)科學(xué)、系統(tǒng)工程理論、數(shù)值計(jì)算、概率論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)、時(shí)間序列分析等多種學(xué)科。 相似性原理是仿真主要的理論依據(jù)。所謂相似，是指各類事務(wù)或?qū)ο箝g存在的某些共性。相似性 是客觀世界的一種普遍現(xiàn)象，它反映了客觀世界不同事物之間存在著某些共同的規(guī)律。采用相似性技術(shù)建立實(shí)際系統(tǒng)的相似模型就是仿真的本質(zhì)過(guò)程。 計(jì)算機(jī)仿真 計(jì)算機(jī)仿真是在研究系統(tǒng)過(guò)程中根據(jù)相似原理，利用計(jì)算機(jī)來(lái)逼真模擬研究對(duì)象。研究對(duì)象可以是實(shí)際的系統(tǒng)，也可以是設(shè)想中的系統(tǒng)。在沒有計(jì)算機(jī)以前，仿真都是利用實(shí)物或者它的物理模型來(lái)進(jìn)行研究的，即物理仿真。物理仿真的優(yōu)點(diǎn)是直接、形象、可信，缺點(diǎn)是模型受限、易破壞、難以重用。 計(jì)算機(jī)作為一種最重要的仿真工具，已經(jīng)推出了模擬機(jī)、模擬數(shù)字機(jī)、數(shù)字通用機(jī)、仿真專 用機(jī)等各種機(jī)型并應(yīng)用在不同的仿真領(lǐng)域。除了計(jì)算機(jī)這種主要的仿真工具外還有兩類專用仿真器：一類是專用物理仿真器，如在飛行仿真中得到廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)臺(tái)，各種風(fēng)洞、水洞等；另一類是用于培訓(xùn)目的的各種訓(xùn)練仿真器，如培訓(xùn)原子能電站、大型自動(dòng)化工廠操作人員和訓(xùn)練飛行員、宇航員的培訓(xùn)仿真器、仿真工作臺(tái)和仿真機(jī)艙等。 仿真的作用 仿真技術(shù)具有很高的科學(xué)研究?jī)r(jià)值和巨大的經(jīng)濟(jì)效益。由于仿真技術(shù)的特殊功效，特別是安全性和經(jīng)濟(jì)性，使得仿真技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。首先由于仿真技術(shù)在應(yīng)用上的安全性，使得航空、航天、核電站等成 為仿真技術(shù)最早的和最主要的應(yīng)用領(lǐng)域。 歸納起來(lái)，仿真技術(shù)的主要用途有如下幾點(diǎn)： (1) 優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。在實(shí)際系統(tǒng)建立以前，通過(guò)改變仿真模型結(jié)構(gòu)和調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。如控制系統(tǒng)、數(shù)字信號(hào)處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)常要靠仿真來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能。 (2) 系統(tǒng)故障再現(xiàn)，發(fā)現(xiàn)故障原因。實(shí)際系統(tǒng)故障的再現(xiàn)必然會(huì)帶來(lái)某種危害性，這樣做是不安全的和不經(jīng)濟(jì)的，利用仿真來(lái)再現(xiàn)系統(tǒng)故障則是安全的和經(jīng)濟(jì)的。 大流量安全閥設(shè)計(jì) （頁(yè)面底端居右） 34 (3) 驗(yàn)證系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。 (4) 對(duì)系統(tǒng)或其子系統(tǒng)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)和分析。多為物理仿真，如飛機(jī)的疲勞試驗(yàn)。 (5) 訓(xùn)練系統(tǒng)操作員。常見于各種模擬器，如飛行模擬器、坦克模擬器等。 (6) 為管理決策和技術(shù)決策提供支持。 仿真算法 在建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型后，需要將其轉(zhuǎn)變成能夠在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型。由于計(jì)算機(jī)只能進(jìn)行離散的數(shù)值計(jì)算，因而必須推導(dǎo)出連續(xù)系統(tǒng)的遞推數(shù)學(xué)公式，如解微分方程的龍格庫(kù)塔算法。這實(shí)際上屬于數(shù)值計(jì)算的內(nèi)容，其發(fā)展已經(jīng)相當(dāng)完善了。其實(shí)這就是計(jì)算機(jī)仿真算法的設(shè)計(jì)，即把數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)化為能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的仿真模型。 通常這些仿真算法并不需要仿真人員去編制，因?yàn)檫@些仿真算法往往已經(jīng)內(nèi)嵌于各種 面向仿真用途的專用軟件中了。但是對(duì)這些算法的了解無(wú)疑有助于用戶更好地完成仿真任務(wù)。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)仿真算法有如下幾類： (1) 集中參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。 (2) 分布參數(shù)系統(tǒng)仿真算法。 (3) 離散時(shí)間系統(tǒng)仿真算法 計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程 計(jì)算機(jī)仿真的一般過(guò)程可以表述如下： (1) 描述仿真問(wèn)題，明確仿真目的。 (2) 項(xiàng)目計(jì)劃、方案設(shè)計(jì)與系統(tǒng)定義。根據(jù)仿真目的確定相應(yīng)的仿真結(jié)構(gòu) (實(shí)時(shí)仿真還是非實(shí)時(shí)仿真，純數(shù)學(xué)仿真還是半物理仿真等 )，規(guī)定相應(yīng)仿真系統(tǒng)的邊界條件 與約束條件。 (3) 數(shù)學(xué)建模：根據(jù)系統(tǒng)的先驗(yàn)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及其機(jī)理研究，按照物理原理或者采取系統(tǒng)辨識(shí)的方法，確定模型的類型、結(jié)構(gòu)及參數(shù)。注意要確保模型的有效性和經(jīng)濟(jì)性。 (4) 仿真建模：根據(jù)數(shù)學(xué)模型的形式、計(jì)算機(jī)類型、采用的高級(jí)語(yǔ)言或其它仿真工具，將數(shù)學(xué)模型轉(zhuǎn)換成能在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的程序或其他模型，也即獲得系統(tǒng)的仿真模型。 (5) 試驗(yàn)：設(shè)定實(shí)驗(yàn)環(huán)境 /條件和記錄數(shù)據(jù)，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并記錄數(shù)據(jù)。 (6) 仿真結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求和仿真目的對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析處理 (整理及文檔化 )。 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （頁(yè)面底端居右） 35 圖 計(jì)算機(jī)仿真流程圖 Simulated flow chart of puter Simulink 簡(jiǎn)介 Simulink 是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包。使用 Simulink 來(lái)建模、分析和仿真各種動(dòng)態(tài)系統(tǒng) (包括連續(xù)系統(tǒng)、離散系統(tǒng)和混合系統(tǒng) )，將是一件非常輕松的事情。它提供了一種圖形化的交互環(huán)境，只需用鼠標(biāo)拖動(dòng)的方法便能迅速地建立起系統(tǒng)框圖模型，甚至不需要編寫一行代碼。 利用 Simulink 進(jìn)行系統(tǒng)的建模仿真，其最大的優(yōu)點(diǎn)是易學(xué)、易用，并能依托 MATLAB 提供的豐富的仿真資源。這里對(duì) Simulink 的強(qiáng)大功能進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 1. 交互式、圖形化的建模環(huán)境 Simulink 提供了豐富的模塊庫(kù)以幫助用戶快速地建立動(dòng)態(tài)系統(tǒng)模型。建模時(shí)只需使用鼠標(biāo)拖放不同模塊庫(kù)中的系統(tǒng)模塊并將它們連接起來(lái)。 2. 交互式的仿真環(huán)境 Simulink 框圖提供了交互性很強(qiáng)的仿真環(huán)境，既可以通過(guò)下拉菜單執(zhí)行仿真，也可以通過(guò)命令行進(jìn)行仿真。菜單方式對(duì)于交互工作非常方便，而命令行方式對(duì)于運(yùn)行一大類仿 大流量安全閥設(shè)計(jì) （頁(yè)面底端居右） 36 真如蒙特卡羅仿真非常有用。 3. 專用模塊庫(kù) (Blocksets) 作為 Simulink 建模系統(tǒng)的補(bǔ)充， MathWorks 公司還開發(fā)了專用功能塊程序包，如 DSP Blockset 和 Communication Blockset 等。通過(guò)使用這些程序包，用戶可以迅速地對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真與分析。更重要的是用戶還可以對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行代碼生成，并將生成的代碼下載到不同的目標(biāo)機(jī)上。 4. 提供了仿真庫(kù)的擴(kuò)充和定制機(jī)制 Simulink 的開放式結(jié)構(gòu)允許用戶擴(kuò)展仿真環(huán)境的功能：采用 MATLAB、 FORTRAN 和C 代碼生成自定義模塊庫(kù)，并擁有自己的圖標(biāo)和界面。因此用戶可 以將使用 FORTRAN 或C 編寫的代碼鏈接進(jìn)來(lái)，或者購(gòu)買使用第三方開發(fā)提供的模塊庫(kù)進(jìn)行更高級(jí)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)、仿真與分析。 5. 與 MATLAB 工具箱的集成 由于 Simulink 可以直接利用 MATLAB 的諸多資源與功能，因而用戶可以直接在Simulink 下完成諸如數(shù)據(jù)分析、過(guò)程自動(dòng)化、優(yōu)化參數(shù)等工作。工具箱提供的高級(jí)的設(shè)計(jì)和分析能力可以融入仿真過(guò)程。 簡(jiǎn)而言之， Simulink 具有以下特點(diǎn)： (1) 基于矩陣的數(shù)值計(jì)算。 (2) 高級(jí)編程語(yǔ)言。 (3) 圖形與可視化。 (4) 工具箱 提供面向具體應(yīng)用領(lǐng)域的功能。 (5) 豐富的數(shù)據(jù) I/O 工具。 (6) 提供與其它高級(jí)語(yǔ)言的接口。 (7) 支持多平臺(tái) (PC / Macintosh / UNIX)。 (8) 開放與可擴(kuò)展的體系結(jié)構(gòu)。 安全閥的 Simulink 仿真 通過(guò)第 3 章的數(shù)學(xué)建模，建立了安全閥的數(shù)學(xué)模型，由公式（ 3— 3）可以得到系統(tǒng)的傳遞方程，建立系統(tǒng)的方塊流程圖 4— 2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） （頁(yè)面底端居右） 37 圖 系統(tǒng)的方塊流程圖 Fig systematic block flow charts 當(dāng) 32MPa 時(shí)，示波器的輸出曲線 圖 當(dāng) 時(shí)，示波器的輸出曲線 大流量安全閥設(shè)計(jì) （頁(yè)面底端居右） 38 圖 當(dāng) 40MPa 時(shí)，示波器的輸出曲線 圖 當(dāng) 時(shí)，示波器的輸出曲線 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）