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(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院， 山西太原 030024； 2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西太原 030024)

引言

目前，煤礦井下開采支護(hù)工作面是由液壓支架提供安全的工作空間，液壓支架的高壓大流量液壓系統(tǒng)仍然使用開關(guān)閥組進(jìn)行控制。在一些需要通過閥組對液壓缸進(jìn)行精確調(diào)整的工況下，如液壓支架姿態(tài)精確調(diào)整，對刮板輸送機(jī)的校直等，普通開關(guān)閥組不能滿足支架精確定位的使用要求。因此研制高壓大流量比例控制閥，對解決液壓支架存在流量不可控、定位不準(zhǔn)確等問題具有突破性進(jìn)展。李勝等[1]以二維電液比例換向閥為研究對象，通過分析工作原理，建立數(shù)學(xué)模型，分析動態(tài)特性及穩(wěn)定性；利用軟件進(jìn)行仿真，模擬直動與比例控制，得出結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響，為2D閥設(shè)計(jì)時(shí)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的選取提供依據(jù)；最后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論仿真分析一致。張勇等[2]對采用流量放大原理的Valvistor型插裝閥穩(wěn)定性及性能進(jìn)行研究，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型得出該閥的穩(wěn)定性條件，發(fā)現(xiàn)主閥穩(wěn)定性與先導(dǎo)閥的開口量及面積增益有關(guān)，并在SmiluationX軟件環(huán)境中建立該閥的仿真模型，得出關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)對穩(wěn)定性的影響，并利用實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行驗(yàn)證。YE Zhengmao等[3]為研究插裝式比例換向閥阻尼孔堵死與漏油現(xiàn)象對換向閥的影響，建立AMESim仿真模型，研究結(jié)果為插裝式比例換向閥的故障診斷和維修提供了理論依據(jù)。WANG Xianfeng 等[4]利用仿真軟件AMESim建立了電液比例安全閥的模型，并根據(jù)不同階躍信號繪制閥口壓力特性曲線。研究了油的彈性模量對閥動態(tài)特性的影響，為電液比例安全閥的設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

本研究針對新型礦用大流量比例閥工作原理，利用AMESim仿真分析不同控制信號下閥芯性能，得到最優(yōu)控制信號，同時(shí)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對比例閥的影響，研究結(jié)果對于新型比例閥的設(shè)計(jì)和性能優(yōu)化具有重要參考意義。

1 比例閥結(jié)構(gòu)原理介紹

如圖1所示新型礦用大流量比例閥結(jié)構(gòu)圖，比例工作時(shí)，電機(jī)驅(qū)動絲杠螺母運(yùn)轉(zhuǎn)帶動先導(dǎo)閥驅(qū)動件將先導(dǎo)閥進(jìn)液閥芯打開，高壓液由進(jìn)液流道進(jìn)入主閥控制腔，首先將主閥芯回液口關(guān)閉，再繼續(xù)推動主閥進(jìn)液閥芯右移，此時(shí)主閥進(jìn)液閥芯節(jié)流窗口打開，輸出流量，直至先導(dǎo)閥進(jìn)液閥芯再次關(guān)閉，先導(dǎo)進(jìn)液閥嵌套在主進(jìn)液閥芯中，存在機(jī)械位置反饋，實(shí)現(xiàn)主閥進(jìn)液閥芯異步跟隨先導(dǎo)閥進(jìn)液閥芯。關(guān)閉時(shí)，電機(jī)帶動絲杠螺母和先導(dǎo)閥驅(qū)動件向左移動，先導(dǎo)閥回液閥芯與頂桿同步隨動左移，主閥控制腔液體與回液口連通，主閥進(jìn)液閥芯異步跟隨先導(dǎo)回液閥芯左移，直到先導(dǎo)回液閥口再次關(guān)閉， 這樣關(guān)閉過程也實(shí)現(xiàn)三芯隨動控制。 由于輸入電信號與先導(dǎo)進(jìn)液閥芯位移成比例， 主進(jìn)液閥芯始終跟隨先導(dǎo)進(jìn)液閥芯運(yùn)動，根據(jù)流量公式，主閥輸出流量受控于主閥芯位移，這樣就實(shí)現(xiàn)了對流量的精確控制。

1.電機(jī) 2.先導(dǎo)進(jìn)液閥 3.先導(dǎo)回液閥 4.主進(jìn)液閥 5.主回液閥 6.絲桿圖1 新型礦用大流量比例閥結(jié)構(gòu)圖

2 比例閥AMESim仿真分析

根據(jù)比例閥結(jié)構(gòu)與工作原理，在AMESim中運(yùn)用Hydraulic component Design庫和Mechanical庫建立比例閥模型。由于電機(jī)絲桿可看作比例延遲環(huán)節(jié)[5]，因此在信號庫可直接引入continuousdelay比例環(huán)節(jié)CD001子模型代替電機(jī)絲桿運(yùn)動；比例閥模型考慮4部分結(jié)構(gòu)：先導(dǎo)進(jìn)液閥、先導(dǎo)回液閥、主進(jìn)液閥、主回液閥。由于先導(dǎo)進(jìn)液閥與先導(dǎo)回液閥具有相同位移量，先導(dǎo)進(jìn)液閥與主進(jìn)液閥具有位置反饋，故使用MECDSOB位移傳感器子模型對其進(jìn)行級間位置反饋模擬；由于先導(dǎo)進(jìn)液閥套由主進(jìn)液閥芯組成，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯與閥套之間存在相對位移，故采用BRP21球閥子模型模擬相對位移；由于主閥采用三角形非全周開口，故使用BA00022非全周開口子模型，設(shè)置相關(guān)參數(shù)模擬；通過建立比例閥AMESim模型，按照實(shí)際物理系統(tǒng)構(gòu)建仿真模型[6]，用半實(shí)物化圖形的方式來模擬比例閥，可快速分析比例閥動態(tài)特性及相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)對整閥性能的影響，建立仿真模型如圖2所示。

圖2 比例閥仿真模型

2.1 不同信號直接啟動分析

1) 階躍信號開啟

階躍響應(yīng)仿真主要研究輸入階躍信號時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性以及參數(shù)對性能的影響[7]。從圖3中可以看出系統(tǒng)在0.2 s時(shí)達(dá)到峰值，出現(xiàn)少量超調(diào)，大約有4%，但很快趨于穩(wěn)定。先導(dǎo)閥打開后，先導(dǎo)流量瞬間進(jìn)入主閥控制腔，最終穩(wěn)定在5 L/min，流量的進(jìn)入使主閥控制腔的壓力升高，最終穩(wěn)定在開啟壓力22.5 MPa，這滿足實(shí)際使用要求，說明建立的仿真模型可靠。

2) 斜坡信號開啟

在0.1 s時(shí)對先導(dǎo)閥輸入斜坡信號，先導(dǎo)閥與主閥位移、速度曲線如圖4、圖5所示。隨著斜坡信號增大，先導(dǎo)閥芯開啟，主閥跟隨先導(dǎo)閥芯開啟，從圖中可以看出，在a點(diǎn)處時(shí)，主閥響應(yīng)速度超過先導(dǎo)閥芯20倍，至使主閥閥芯產(chǎn)生振動，隨后趨于穩(wěn)定，在b點(diǎn)時(shí)主閥芯速度與先導(dǎo)閥芯速度一致。因此在斜坡信號輸入時(shí)，應(yīng)避免閥芯較小范圍的移動。

圖3 階躍響應(yīng)下壓力-位移-流量曲線

圖4 斜坡信號位移曲線

圖5 斜坡信號速度曲線

2.2 不同信號比例開啟分析

1) 階躍信號比例開啟

新型礦用大流量比例閥既可實(shí)現(xiàn)比例控制，也可作為開關(guān)閥使用。實(shí)現(xiàn)比例控制，實(shí)際要求先導(dǎo)級與主級結(jié)構(gòu)能夠較好匹配[8]。因此對大流量比例閥的比例開啟-關(guān)閉過程進(jìn)行仿真，首先輸入階躍信號進(jìn)行比例開啟，如圖6先導(dǎo)進(jìn)液閥與主閥位移曲線，圖7先導(dǎo)進(jìn)液閥與主閥速度曲線，圖8啟閉過程先導(dǎo)閥流量曲線所示，A-B為比例開啟階段，先導(dǎo)閥快速開啟，先導(dǎo)閥進(jìn)液閥液體進(jìn)入主閥控制腔，導(dǎo)致控制腔壓力提升，使主閥跟隨響應(yīng)。從圖中可以看出，小開啟量時(shí)，主閥超調(diào)量較大，響應(yīng)速度較快，主閥速度為先導(dǎo)閥速度6倍，可見閥芯沖擊較大[9]，但隨著開啟量變大，主閥超調(diào)量變小，響應(yīng)速度變慢。B-C為比例關(guān)閉階段，先導(dǎo)進(jìn)液閥比例關(guān)閉，主閥控制腔不再進(jìn)液，先導(dǎo)回液閥打開，主閥彈簧使主閥復(fù)位，主閥異步跟隨關(guān)閉。無論開啟還是關(guān)閉過程，都實(shí)現(xiàn)先導(dǎo)進(jìn)液閥、先導(dǎo)回液閥、主進(jìn)液閥的異步跟隨運(yùn)動，從而對流量進(jìn)行精確控制。從圖8中可以看出，在比例啟閉過程中，先導(dǎo)回液閥有輕微的泄漏，對于整閥的影響可以忽略。

圖6 先導(dǎo)進(jìn)液閥與主閥位移曲線

圖7 先導(dǎo)進(jìn)液閥與主閥速度曲線

2) 斜坡信號比例開啟

參照對于比例閥的階躍與斜坡信號的直動分析，設(shè)置斜坡信號和階躍信號的比例開啟過程，比較兩種控制信號優(yōu)缺點(diǎn)，最終得出較好的控制信號。對先導(dǎo)閥輸入階段型的斜坡信號，比例閥閥芯位移、速度如圖9、圖10所示。A-B段時(shí)以斜坡信號階段開啟，主閥跟隨先導(dǎo)閥運(yùn)動，在速度圖中d點(diǎn)速度要比e點(diǎn)速度大1.5倍，所以在峰值點(diǎn)a處超調(diào)要比b處稍大，但相對于比例階躍信號的開啟超調(diào)量要小97%，最大速度也要小10 mm/s，因此以斜坡信號進(jìn)行比例控制效果較好。

圖8 啟閉過程先導(dǎo)閥流量曲線

圖9 斜坡開啟階段閥芯位移曲線

圖10 斜坡開啟階段閥芯速度曲線

2.3 主要參數(shù)對主閥性能影響

1) 主閥控制腔直徑影響

主閥控制腔直徑是比例閥設(shè)計(jì)過程的重要參數(shù)之一。從圖11與圖12中可以看出，主閥控制腔直徑越大，表示主閥腔容積越大，系統(tǒng)超調(diào)量變小，但是相應(yīng)響應(yīng)速度變小。因此設(shè)計(jì)過程中要合理考慮主閥控制腔直徑，仿真結(jié)果表明主閥控制腔直徑選25 mm時(shí)最佳。

圖11 不同主閥控制腔直徑閥芯位移曲線

圖12 不同主閥控制腔直徑閥芯速度曲線

2) 主閥彈簧剛度的影響

從圖13中可以看出，隨著主閥彈簧剛度增大，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間變慢，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，但是這種影響很小，這是由于主閥彈簧只對閥芯起到復(fù)位作用，彈簧力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他作用于閥芯上的力，因此設(shè)計(jì)時(shí)主閥彈簧剛度不宜過大。

圖13 不同主閥彈簧剛度閥芯位移曲線

3) 主閥質(zhì)量的影響

主閥質(zhì)量是影響閥芯穩(wěn)定性的重要因素[10]，從圖14中可以看出，隨著主閥質(zhì)量的增加，系統(tǒng)穩(wěn)定性變差，振蕩加劇。所以設(shè)計(jì)時(shí)主閥質(zhì)量應(yīng)盡可能小，取值在100～200 g之間。

圖14 不同主閥質(zhì)量閥芯位移曲線

4) 先導(dǎo)閥前端阻尼孔直徑的影響

先導(dǎo)閥前端阻尼孔直徑的大小直接影響進(jìn)入主閥控制腔的流量，進(jìn)而影響主閥性能[11]，從圖15、圖16中可以看出，阻尼孔越小，系統(tǒng)響應(yīng)越慢，但是隨著阻尼孔變大，系統(tǒng)響應(yīng)變快，速度變大，超調(diào)量增大，阻尼孔對于主閥性能影響較大，通過理論及仿真分析，設(shè)計(jì)先導(dǎo)閥前端阻尼孔取0.8 mm時(shí)，系統(tǒng)性能最好。

圖15 不同先導(dǎo)閥前端阻尼孔直徑閥芯位移曲線

圖16 不同阻尼孔直徑閥芯速度曲線

5) 先導(dǎo)回液閥參數(shù)影響

比例閥開啟過程中，先導(dǎo)流量進(jìn)入主閥控制腔，先導(dǎo)回液閥關(guān)閉，不使液體從先導(dǎo)回液閥泄漏，同時(shí)要求先導(dǎo)回液閥始終跟隨主閥運(yùn)動，才能使主閥控制腔壓力達(dá)到要求，所以先導(dǎo)回液閥是否能夠很好的關(guān)閉對于主閥性能也具有影響。在此對于先導(dǎo)回液閥進(jìn)行研究。如圖17所示，先導(dǎo)回液彈簧剛度越大，先導(dǎo)回液閥芯被打開的幅度越小，泄漏量也就越小，穩(wěn)定性越好，但是大于80 N/mm時(shí)會產(chǎn)生振動，因此設(shè)計(jì)時(shí)先導(dǎo)回液彈簧剛度取50 N/mm最合適；如圖18所示，先導(dǎo)回液閥芯質(zhì)量過大過小都會使閥芯振動嚴(yán)重[12]，故先導(dǎo)回液閥芯質(zhì)量取5 g左右較為合適。

圖17 先導(dǎo)回液彈簧剛度對先導(dǎo)回液閥影響

圖18 先導(dǎo)回液閥質(zhì)量對先導(dǎo)回液閥影響

3 結(jié)論

對于新型礦用大流量比例閥結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行介紹，利用AMESim軟件搭建比例閥仿真模型進(jìn)行仿真分析，通過比較不同控制信號優(yōu)劣，得出最優(yōu)控制信號；同時(shí)分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對主閥動態(tài)性能的影響，得出以下結(jié)論：

(1) 通過 AMESim 仿真實(shí)驗(yàn)，對斜坡信號和階躍信號下的直動與比例控制的閥芯性能進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)無論在斜坡信號還是在階躍信號下，閥芯在小開口時(shí)的超調(diào)量較大，大開口時(shí)的超調(diào)較小，但是階躍信號時(shí)，比例閥直接開啟性能更好；斜坡信號的比例控制相較于階躍信號的比例控制最大超調(diào)量要小97%，所以主級能更好的跟隨先導(dǎo)級運(yùn)動，能夠滿足快速、穩(wěn)定的使用要求。因此在直接開啟時(shí)，使用階躍信號控制整閥性能較好；在比例開啟時(shí)，使用斜坡信號控制整閥性能更優(yōu)；

(2) 研究主閥彈簧剛度、主閥質(zhì)量、主閥控制腔直徑、先導(dǎo)閥前端阻尼孔直徑在階躍信號下的比例閥響應(yīng)性能，發(fā)現(xiàn)主閥彈簧剛度相對于其他參數(shù)對比例閥性能影響較小，但仍不宜過大；主閥質(zhì)量應(yīng)該控制在100～200 g之間；先導(dǎo)閥前端阻尼孔取0.8 mm；主閥控制腔直徑取25 mm；同時(shí)對于先導(dǎo)回液閥在比例啟閉過程中是否能夠達(dá)到使用要求進(jìn)行分析，得出先導(dǎo)回液閥質(zhì)量取5 g、先導(dǎo)回液彈簧剛度取50 N/mm時(shí)，先導(dǎo)回液閥能夠達(dá)到良好的工作性能。