青島黃海學(xué)院 宋海燕 陳繼濤

0 引言

目前，工程上應(yīng)用較多的液壓支架用液壓閥加載系統(tǒng)只能做簡單的實(shí)驗(yàn)，且是在恒定加載條件下，觀察液壓閥是否能夠打開來判斷其是否合格。采用這種檢查方法合格的液壓閥在實(shí)際使用中仍有近10%會出現(xiàn)故障現(xiàn)象。加載系統(tǒng)是在理想（靜態(tài)）加載壓力條件下進(jìn)行的，與液壓閥的實(shí)際工況不符，所以會出現(xiàn)判斷誤差。必須研制一套符合液壓支架實(shí)際工況的液壓閥檢測加載系統(tǒng)，使被檢測的液壓閥在接近實(shí)際工況下進(jìn)行測試來驗(yàn)證其是否合格。

由于液壓閥的流動存在復(fù)雜性、非線性和不確定性，要對突然出現(xiàn)的某一故障進(jìn)行準(zhǔn)確定位，如果用傳統(tǒng)的方式對液壓閥進(jìn)行分析，很難做到短時間內(nèi)解決問題。液壓測試技術(shù)正向指標(biāo)全面、自動化程度高、性能測試好的方向發(fā)展，所以，綜合加載實(shí)驗(yàn)臺需要獲取多源動態(tài)信息。

1 液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

文中所研究的液壓閥綜合加載測試系統(tǒng)包括液壓系統(tǒng)電氣控制和數(shù)據(jù)處理三個系統(tǒng)組成。根據(jù)要求，搭建的綜合加載測試實(shí)驗(yàn)臺工作原理如圖1所示。

圖1 加載系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

1.2 液壓系統(tǒng)

液壓實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在電氣控制系統(tǒng)的作用下，完成液壓支架用閥的各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)，是整個綜合加載系統(tǒng)中最為重要的一部分。它主要由實(shí)驗(yàn)臺架和液壓泵站組成，其中實(shí)驗(yàn)臺架由液箱與組件、多套液壓閥組、過濾裝置、液壓管路組件、液壓檢測元件、整體機(jī)械框架結(jié)構(gòu)等部件組成；液壓泵站主要包括電機(jī)和變量泵。

1.3 電氣控制與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

液實(shí)驗(yàn)臺架電氣控制系統(tǒng)主要指的是電氣控制柜，控制系統(tǒng)通過對液壓系統(tǒng)的控制，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)所要求的各項(xiàng)動作及各項(xiàng)安全防護(hù)措施。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、采集卡、傳感器、打印機(jī)等部件。

1.4 系統(tǒng)工作方式

當(dāng)電磁鐵線圈通電后先導(dǎo)閥芯在電磁鐵的推動下?lián)Q向，此時進(jìn)液口打開，回液口關(guān)閉，電磁先導(dǎo)閥控制液推動換向閥換向，乳化液就會經(jīng)過兩位三通換向閥和高壓管進(jìn)入需要工作的執(zhí)行元件，執(zhí)行元件將運(yùn)動傳遞給機(jī)械部分，這樣通過控制電磁鐵的電流就進(jìn)一步控制了機(jī)械部分的運(yùn)動，此時執(zhí)行元件回液腔的乳化液經(jīng)過換向閥流回液箱。當(dāng)電磁鐵線圈斷電后兩位三通換向閥及電磁先導(dǎo)閥在復(fù)位彈簧的推動下關(guān)閉，此時執(zhí)行元件的兩個工作腔和回液腔連通。

圖2 系統(tǒng)工作方式

2 加載系統(tǒng)仿真分析

2.1 仿真研究方案

在AMESim中建立綜合測試液壓系統(tǒng)仿真模型，設(shè)立各檢測件的檢測條件和參數(shù)，設(shè)定運(yùn)動循環(huán)條件，統(tǒng)計(jì)各檢測件故障檢出曲線，獲得仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果。對于液壓加載系統(tǒng)來說，AMESim所實(shí)現(xiàn)功能可以體現(xiàn)在下面三個方面：

（1）優(yōu)化液壓泵，提高立柱性能

在AMESim中對液壓泵的靜動態(tài)性能進(jìn)行分析，可減少其在使用中對立柱造成的液壓沖擊。

（2）降低單向閥的液壓沖擊

在實(shí)際工況下，液壓支架受到頂板的支撐作用，立柱下腔壓力因支撐作用持續(xù)增高，立柱缸體發(fā)生彈性變形。在AMESim中進(jìn)行仿真分析，可分析出對閥體、閥芯和支柱產(chǎn)生壓力沖擊影響因素，從而減少因?yàn)閴毫_擊對液壓系統(tǒng)帶來的危害。

（3）安全閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

作為直接影響液壓支架安全型的一個核心部件，工程中大多安全閥的失效直接造成液壓支架的使用故障，在AMESim中根據(jù)實(shí)際工作參數(shù)對安全閥進(jìn)行設(shè)置，通過調(diào)試結(jié)構(gòu)參數(shù)分析其工作時壓力、流量及閥桿位移的變化，從而改善其動態(tài)性能以提高其使用性能和壽命。

2.2 模型建立

AMESim元件庫具有豐富的常用液壓元器件庫，包括液壓泵/液壓馬達(dá)及常見的各種液壓閥和壓力表，軟件可以根據(jù)工況要求設(shè)置乳化液的性質(zhì)屬性。該系統(tǒng)的液壓系統(tǒng)圖中常用的液壓元器件都可以直接調(diào)用。

連接液壓泵和電磁換向閥，如圖3(a)所示對液控單向閥的模型進(jìn)行仿真，驗(yàn)證其正確性。電磁換向閥輸入信號如圖3(b)所示。

圖3 液控單向閥模擬仿真

設(shè)定泵的流量為150L/min，壓力源的壓力設(shè)定為前10s為0MPa、后5s為32MPa，液壓缸的活塞桿長度為0.3m，仿真時間長度設(shè)為15s，間隔時間為0.01s，運(yùn)行仿真，繪制液壓缸前端質(zhì)量塊10的位移曲線，如圖4所示。從圖中看出前5s液控單向閥正向開啟，液壓缸的活塞桿伸出0.3m，后5s液控單向閥反向開啟，液壓缸活塞桿退回初始位置，可知上述液控單向閥模型是正確的。

圖4 質(zhì)量塊位移曲線

經(jīng)過對關(guān)鍵元件進(jìn)行建模并仿真分析，確定其合適仿真參數(shù)，在AMESim中利用HYD庫以及Signal庫中的子模型，建立綜合加載測試實(shí)驗(yàn)臺總模型如圖5所示。

圖5 液壓系統(tǒng)建模圖

2.3 結(jié)果分析

現(xiàn)有泵站的壓力為21MPa，需要設(shè)置增壓缸提高壓力實(shí)現(xiàn)對安全閥的測試。為了提高單獨(dú)測試安全閥時的效率，方便操作，單獨(dú)增加了一條手動換向閥（實(shí)際仿真過程中采用電磁閥代替）、經(jīng)過交替閥（實(shí)際仿真過程中采用梭閥代替），手動增壓。整個系統(tǒng)壓力增加過程如圖6所示，壓力仿真曲線可看出，在增壓過程中，低壓腔壓力增加到21MPa，高壓腔壓力為60MPa，從結(jié)果可以看出，該實(shí)驗(yàn)臺液壓缸可提供實(shí)驗(yàn)所需的壓力，滿足實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 增壓過程高/低壓腔端口流量曲線

在被測口位置對安全閥進(jìn)行建模，安全閥的充液回路為：首先打開電磁先導(dǎo)閥，控制兩位三通換向閥供液，液壓液通過交替閥至被測安全閥，為其充液。安全閥的增壓回路為：手動操作三位四通換向閥，控制交替閥換向，液體打開單向閥從而給液壓缸充液，增壓缸的活塞桿伸出，推動液壓缸的活塞桿給液壓缸增壓，從而實(shí)現(xiàn)對被測安全閥加載，壓力由0逐步上升，至被測閥開啟120ms，然后立即切斷供液，至壓力表計(jì)數(shù)為穩(wěn)定值時為實(shí)驗(yàn)的全部過程，然后卸荷，觀察安全閥泄漏情況，為一次啟溢閉特性實(shí)驗(yàn)和泄漏實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果如圖7所示，可以看出：系統(tǒng)開始供壓后，從0～20ms，安全閥的閥口壓力從零上升到約32MPa，開始溢流，在20～140ms，系統(tǒng)保壓，保壓過程中壓力出現(xiàn)微小波動。在140ms時刻，開始泄壓迅速泄壓，泄壓完成后，壓力趨于零。

圖7 安全閥的啟溢閉特性曲線

圖8 電磁換向閥的壓力特性曲線

電磁先導(dǎo)閥動作，從而控制兩位三通換向閥與進(jìn)行換向動作，之后油液進(jìn)入雙向鎖向液壓缸上下腔供液，控制液壓缸動作，來模擬液壓支架井下各部位液壓缸動作。液壓缸完成一次循環(huán)動作，被測閥完成一次換向動作。液壓缸的壓力變換如圖8所示。

上述動作中，電磁先導(dǎo)閥的動作信號為如圖9所示。

3 結(jié)語

圖9 電磁先導(dǎo)閥的閥的動作

本文完成了液壓加載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，并應(yīng)用AMESim仿真軟件對綜合加載實(shí)驗(yàn)臺的液壓系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)的合理性。文中所設(shè)計(jì)的液壓加載系統(tǒng)可以極大地提高結(jié)果的可信性，對于液壓支架的精確控制和可靠性工作有著重要的意義。

引文

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