劉 健 吉萬健 吳佑儉

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

閥口形狀對清塞機用多路閥動態(tài)性能的影響

劉 健1,2,3吉萬健1,2,3吳佑儉1,2,3

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司)

針對一般動態(tài)仿真僅對閥口處在某一具體穩(wěn)態(tài)工作點進行線性化求得動態(tài)響應，無法全面反應在閥芯移動過程中整個節(jié)流槽閥口對動態(tài)特性的影響情況。為此，將多功能液壓破碎清塞機用多路閥閥口形狀等效為過流面積，采用定步長的四階龍格-庫塔法求解變系數(shù)的動態(tài)微分方程，對多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)液壓系統(tǒng)進行了動態(tài)仿真，研究了不同節(jié)流閥口形狀對其液壓缸兩腔的壓力變化、速度、位移等動態(tài)特性的影響。仿真結(jié)果表明：節(jié)流閥口形狀所轉(zhuǎn)換的過流面積曲線斜率大小直接影響了多路閥的微調(diào)特性和緩沖能力，為多路閥節(jié)流槽閥口形狀的設計與優(yōu)化提供了依據(jù)。

節(jié)流槽 多功能液壓破碎清塞機 過流面積 多路換向閥 四階龍格-庫塔法

多路換向閥(簡稱多路閥)是礦山機械多功能液壓破碎清塞機的核心部分[1-2]，其節(jié)流槽的形狀對多路閥的性能具有直接影響，不同形狀節(jié)流槽的功能直觀地體現(xiàn)在其過流面積上，優(yōu)質(zhì)的過流面積曲線可減小執(zhí)行機構(gòu)運動的沖擊及精確控制執(zhí)行機構(gòu)的速度以滿足不同的工程要求。以往液壓系統(tǒng)的動態(tài)建模大多采用拉式變化而線性化建模方法，該類方法通過對求解的非線性問題進行線性近似，適合處理某一穩(wěn)態(tài)工作點的情況，無法準確描述閥口的非線性特性[3-4]。本研究通過構(gòu)建清塞機用多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)液壓系統(tǒng)的動態(tài)模型，采用定步長的四階龍格-庫塔法[5]求解變系數(shù)的動態(tài)微分方程，對多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)系統(tǒng)進行動態(tài)仿真，研究不同節(jié)流槽閥口對多路閥的微調(diào)特性和緩沖能力的影響。

1 多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)液壓原理

多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)液壓原理見圖1。由圖1可知：當閥芯向左移動時換向閥工作于右位，根據(jù)閥芯位移可分為3種工作狀態(tài)，即當閥芯位移為0～3 mm時1#、3#節(jié)流口均處于未打開狀態(tài)，液壓油通過中位節(jié)流口流回油箱；當閥芯位移為3～6 mm時多路閥工作于右位第2位，液壓油一部分經(jīng)3#節(jié)流口到達鏟斗缸無桿腔，另一部分通過中位節(jié)流口流回油箱，有桿腔油液通過1#節(jié)流口流回油箱；當閥芯位移為6～8 mm 時多路閥工作于右位第3位，液壓油經(jīng)3#節(jié)流口到達鏟斗缸無桿腔，有桿腔油液通過1#節(jié)流口流回油箱。

圖1 多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)液壓原理

2 節(jié)流閥口形狀與過流面積

根據(jù)表1所示的不同尺寸系列并結(jié)合現(xiàn)有節(jié)流閥口過流面積的計算公式[6]，便可得出多路閥鏟斗聯(lián)中P→A、B→T節(jié)流閥口不同尺寸系列的過流面積曲線(圖2)。

表1 不同尺寸系列節(jié)流閥口過流面積代號

3 動態(tài)數(shù)學模型構(gòu)建

設閥芯位移為3～8 mm時，多路閥工作于右位，對應節(jié)流閥口的開度為0～5 mm。

(1)主閥芯節(jié)流口流量方程?？杀硎緸?/p>

(1)

式中，Q1、Q2分別為液壓缸無桿腔流量和有桿腔流量，L/min；Cd為流量系數(shù)；A、A′分別為P→A閥口、B→T閥口的過流面積，m2；PS為多路閥進口供油壓力，MPa；P1、P2分別為液壓缸無桿腔壓力和有桿腔壓力，MPa；ρ為油液密度，kg/m3。

圖2 閥口過流面積曲線

(2)液壓缸流量連續(xù)性方程(忽略泄漏)?？杀硎緸?/p>

(2)

式中，A1、A2分別為液壓缸無桿腔活塞、有桿腔活塞的有效面積，m2；xp為液壓缸活塞的位移，mm；βe為有效體積彈性模量，Pa；V01、V02為液壓缸進油腔、出油腔的容積，mm3。

(3)液壓缸和負載的力平衡方程?？杀硎緸?/p>

(3)

式中，F(xiàn)L為作用于活塞的外負載力，N；M為活塞及負載折算到活塞上的總質(zhì)量，kg；Bp為活塞及負載的黏性阻尼系數(shù)。

.

(4)

式(4)即為多路換向閥的動態(tài)數(shù)學模型。

4 仿真分析

4.1 參數(shù)設置

表2 動態(tài)仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

對表1給出的4類不同過流面積的節(jié)流閥口進行仿真，發(fā)現(xiàn)在0～0.25 s內(nèi)(閥口開度0～5 mm)系統(tǒng)的動態(tài)曲線并未完全達到平衡。因此將仿真時間設定為0～0.5 s，其中0～0.25 s內(nèi)輸入信號為各閥口過流面積，0.25～0.5 s內(nèi)閥芯不再移動，各過流面積始終保持最大值，即：A為74.259 7 mm2，A′為20.546 0 mm2。選擇0.25 s時刻各參數(shù)的輸出值作為初始值計算微分方程組。為便于比較，本研究增加1個過流面積為階躍信號的曲線(即在0～0.5 s內(nèi)A、A′始終處于最大值)進行仿真，結(jié)果如圖3～圖6所示。

圖3 無桿腔壓力曲線

由圖3可知：當過流面積曲線為一階躍信號的無節(jié)流槽閥口形式時，無桿腔的壓力沖擊較大，超調(diào)量達15%，且期間出現(xiàn)2次較大振蕩，其余4類曲線呈現(xiàn)出一定的差異：(31#,11#)、(33#,13#)作用下的液壓缸無桿腔壓力在整個動態(tài)過程中較平穩(wěn)，在閥口剛打開時壓力沖擊較小，(32#,12#)、(34#,14#)作用下液壓缸無桿腔的壓力在閥口剛打開時斜率較高，即閥芯的微小位移即可引起P1在較大范圍內(nèi)的變動，可見在閥口剛打開時過流面積越大產(chǎn)生的壓力沖擊越大。

圖4 有桿腔壓力曲線

由圖4可知：P2與P1性質(zhì)類似。

圖5 液壓缸速度曲線

由圖5可知：過流面積曲線為一階躍信號時，液壓缸運轉(zhuǎn)速度變化快，易帶來沖擊，速度超調(diào)量達33%。(31#,11#)、(33#,13#)作用下的液壓缸運轉(zhuǎn)速度變化較平穩(wěn)，在閥口剛打開時，(32#,12#)、(34#,14#)作用下流壓缸運轉(zhuǎn)速度變化較大，微操作性能差，可見在閥口剛打開時過流面積越大產(chǎn)生的速度沖擊越大。

圖6 液壓缸位移曲線

由圖6可知：當閥口剛打開時，節(jié)流槽閥口的過流面積越小液壓缸的運動出現(xiàn)的滯后性越強烈，產(chǎn)生的死區(qū)范圍越大。

5 結(jié) 語

為準確描述多路閥閥口的非線性特性，對多路閥轉(zhuǎn)錘聯(lián)系統(tǒng)進行了仿真研究，詳細分析了不同節(jié)流槽閥口對多路閥的微調(diào)特性和緩沖能力的影響，可為多路閥節(jié)流槽閥口形狀的優(yōu)化設計提供參考。

[1] 楊華勇，曹 劍，徐 兵，等.多路換向閥的發(fā)展歷程與研究展望[J].機械工程學報，2005，41(10)：1-5.

[2] 李 強，劉 健.清塞機用六通多路閥節(jié)流閥口的數(shù)值模擬分析[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2015(8)：215-217.

[3] 王春行.液壓控制系統(tǒng)[M].北京：機械工業(yè)出版社，1999.

[4] 張書元.多路換向閥沖擊動態(tài)特性分析[J].煙臺大學學報：自然科學版，1996(1)：62-65.

[5] 熊光楞.控制系統(tǒng)數(shù)字仿真[M].北京：清華大學出版社，1982.

[6] 冀 宏，傅 新，楊華勇.幾種典型液壓閥口過流面積分析及計算[J].機床與液壓，2003(5)：14-16.

·記者在線·

河鋼礦業(yè)公司開展安全隱患“隨手拍”活動

為引導職工自主安全管理，鼓勵職工主動參與隱患排查，實現(xiàn)長周期安全生產(chǎn)的目標，河鋼礦業(yè)公司從11月開始開展安全隱患“隨手拍”活動。

活動由公司工會和安全管理部共同組織，動員、鼓勵公司全體職工利用相機、手機等拍照工具，隨時隨地抓拍身邊的安全隱患，由各單位安全科每月對隱患照片進行匯總、初步審核，報公司工會和安全管理部復審，選取符合條件的安全隱患照片，給予拍照職工一次性獎勵。

各單位安全科負責對隱患照片進行嚴格把關、審核，對每一項隱患，要明確整改措施、整改時限和整改責任人，確保隱患整改閉環(huán)管理。

2015-09-01)

劉 健(1988—)，男，助理工程師，碩士，243000 安徽省馬鞍山市經(jīng)濟技術開發(fā)區(qū)西塘路666號。