礦用大流量比例閥動態特性建模與仿真研究

22

(1.太原理工大學機械與運載工程學院， 山西太原 030024； 2.煤礦綜采裝備山西省重點實驗室， 山西太原 030024)

引言

目前，煤礦井下開采支護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仍然使用開關閥組進行控制。在一些需要通過閥組對液壓缸進行精確調整的工況下，如液壓支架姿態精確調整，對刮板輸送機的校直等，普通開關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、定位不準確等問題具有突破性進展。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，建立數學模型，分析動態特性及穩定性；利用軟件進行仿真，模擬直動與比例控制，得出結構參數對其性能的影響，為2D閥設計時關鍵結構的選取提供依據；最后進行試驗驗證，實驗結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型插裝閥穩定性及性能進行研究，建立相應的數學模型得出該閥的穩定性條件，發現主閥穩定性與先導閥的開口量及面積增益有關，并在SmiluationX軟件環境中建立該閥的仿真模型，得出關鍵結構參數對穩定性的影響，并利用實驗對其進行驗證。YE Zhengmao等[3]為研究插裝式比例換向閥阻尼孔堵死與漏油現象對換向閥的影響，建立AMESim仿真模型，研究結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。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特性的影響，為電液比例安全閥的設計提供數據支持。

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，得到最優控制信號，同時分析不同結構參數對比例閥的影響，研究結果對于新型比例閥的設計和性能優化具有重要參考意義。

1 比例閥結構原理介紹

如圖1所示新型礦用大流量比例閥結構圖，比例工作時，電機驅動絲杠螺母運轉帶動先導閥驅動件將先導閥進液閥芯打開，高壓液由進液流道進入主閥控制腔，首先將主閥芯回液口關閉，再繼續推動主閥進液閥芯右移，此時主閥進液閥芯節流窗口打開，輸出流量，直至先導閥進液閥芯再次關閉，先導進液閥嵌套在主進液閥芯中，存在機械位置反饋，實現主閥進液閥芯異步跟隨先導閥進液閥芯。關閉時，電機帶動絲杠螺母和先導閥驅動件向左移動，先導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，主閥進液閥芯異步跟隨先導回液閥芯左移，直到先導回液閥口再次關閉， 這樣關閉過程也實現三芯隨動控制。 由于輸入電信號與先導進液閥芯位移成比例， 主進液閥芯始終跟隨先導進液閥芯運動，根據流量公式，主閥輸出流量受控于主閥芯位移，這樣就實現了對流量的精確控制。

1.電機 2.先導進液閥 3.先導回液閥 4.主進液閥 5.主回液閥 6.絲桿圖1 新型礦用大流量比例閥結構圖

2 比例閥AMESim仿真分析

根據比例閥結構與工作原理，在AMESim中運用Hydraulic component Design庫和Mechanical庫建立比例閥模型。由于電機絲桿可看作比例延遲環節[5]，因此在信號庫可直接引入continuousdelay比例環節CD001子模型代替電機絲桿運動；比例閥模型考慮4部分結構：先導進液閥、先導回液閥、主進液閥、主回液閥。由于先導進液閥與先導回液閥具有相同位移量，先導進液閥與主進液閥具有位置反饋，故使用MECDSOB位移傳感器子模型對其進行級間位置反饋模擬；由于先導進液閥套由主進液閥芯組成，先導進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，設置相關參數模擬；通過建立比例閥AMESim模型，按照實際物理系統構建仿真模型[6]，用半實物化圖形的方式來模擬比例閥，可快速分析比例閥動態特性及相關結構參數對整閥性能的影響，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

階躍響應仿真主要研究輸入階躍信號時系統穩定性以及參數對性能的影響[7]。從圖3中可以看出系統在0.2 s時達到峰值，出現少量超調，大約有4%，但很快趨于穩定。先導閥打開后，先導流量瞬間進入主閥控制腔，最終穩定在5 L/min，流量的進入使主閥控制腔的壓力升高，最終穩定在開啟壓力22.5 MPa，這滿足實際使用要求，說明建立的仿真模型可靠。

2) 斜坡信號開啟

在0.1 s時對先導閥輸入斜坡信號，先導閥與主閥位移、速度曲線如圖4、圖5所示。隨著斜坡信號增大，先導閥芯開啟，主閥跟隨先導閥芯開啟，從圖中可以看出，在a點處時，主閥響應速度超過先導閥芯20倍，至使主閥閥芯產生振動，隨后趨于穩定，在b點時主閥芯速度與先導閥芯速度一致。因此在斜坡信號輸入時，應避免閥芯較小范圍的移動。

圖3 階躍響應下壓力-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現比例控制，也可作為開關閥使用。實現比例控制，實際要求先導級與主級結構能夠較好匹配[8]。因此對大流量比例閥的比例開啟-關閉過程進行仿真，首先輸入階躍信號進行比例開啟，如圖6先導進液閥與主閥位移曲線，圖7先導進液閥與主閥速度曲線，圖8啟閉過程先導閥流量曲線所示，A-B為比例開啟階段，先導閥快速開啟，先導閥進液閥液體進入主閥控制腔，導致控制腔壓力提升，使主閥跟隨響應。從圖中可以看出，小開啟量時，主閥超調量較大，響應速度較快，主閥速度為先導閥速度6倍，可見閥芯沖擊較大[9]，但隨著開啟量變大，主閥超調量變小，響應速度變慢。B-C為比例關閉階段，先導進液閥比例關閉，主閥控制腔不再進液，先導回液閥打開，主閥彈簧使主閥復位，主閥異步跟隨關閉。無論開啟還是關閉過程，都實現先導進液閥、先導回液閥、主進液閥的異步跟隨運動，從而對流量進行精確控制。從圖8中可以看出，在比例啟閉過程中，先導回液閥有輕微的泄漏，對于整閥的影響可以忽略。

圖6 先導進液閥與主閥位移曲線

圖7 先導進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缺點，最終得出較好的控制信號。對先導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段時以斜坡信號階段開啟，主閥跟隨先導閥運動，在速度圖中d點速度要比e點速度大1.5倍，所以在峰值點a處超調要比b處稍大，但相對于比例階躍信號的開啟超調量要小97%，最大速度也要小10 mm/s，因此以斜坡信號進行比例控制效果較好。

圖8 啟閉過程先導閥流量曲線

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計過程的重要參數之一。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，系統超調量變小，但是相應響應速度變小。因此設計過程中要合理考慮主閥控制腔直徑，仿真結果表明主閥控制腔直徑選25 mm時最佳。

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，系統響應時間變慢，系統穩定性變差，但是這種影響很小，這是由于主閥彈簧只對閥芯起到復位作用，彈簧力遠遠小于其他作用于閥芯上的力，因此設計時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) 主閥質量的影響

主閥質量是影響閥芯穩定性的重要因素[10]，從圖14中可以看出，隨著主閥質量的增加，系統穩定性變差，振蕩加劇。所以設計時主閥質量應盡可能小，取值在100～200 g之間。

圖14 不同主閥質量閥芯位移曲線

4) 先導閥前端阻尼孔直徑的影響

先導閥前端阻尼孔直徑的大小直接影響進入主閥控制腔的流量，進而影響主閥性能[11]，從圖15、圖16中可以看出，阻尼孔越小，系統響應越慢，但是隨著阻尼孔變大，系統響應變快，速度變大，超調量增大，阻尼孔對于主閥性能影響較大，通過理論及仿真分析，設計先導閥前端阻尼孔取0.8 mm時，系統性能最好。

圖15 不同先導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) 先導回液閥參數影響

比例閥開啟過程中，先導流量進入主閥控制腔，先導回液閥關閉，不使液體從先導回液閥泄漏，同時要求先導回液閥始終跟隨主閥運動，才能使主閥控制腔壓力達到要求，所以先導回液閥是否能夠很好的關閉對于主閥性能也具有影響。在此對于先導回液閥進行研究。如圖17所示，先導回液彈簧剛度越大，先導回液閥芯被打開的幅度越小，泄漏量也就越小，穩定性越好，但是大于80 N/mm時會產生振動，因此設計時先導回液彈簧剛度取50 N/mm最合適；如圖18所示，先導回液閥芯質量過大過小都會使閥芯振動嚴重[12]，故先導回液閥芯質量取5 g左右較為合適。

圖17 先導回液彈簧剛度對先導回液閥影響

圖18 先導回液閥質量對先導回液閥影響

3 結論

對于新型礦用大流量比例閥結構原理進行介紹，利用AMESim軟件搭建比例閥仿真模型進行仿真分析，通過比較不同控制信號優劣，得出最優控制信號；同時分析不同結構參數對主閥動態性能的影響，得出以下結論：

(1) 通過 AMESim 仿真實驗，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行分析，發現無論在斜坡信號還是在階躍信號下，閥芯在小開口時的超調量較大，大開口時的超調較小，但是階躍信號時，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量要小97%，所以主級能更好的跟隨先導級運動，能夠滿足快速、穩定的使用要求。因此在直接開啟時，使用階躍信號控制整閥性能較好；在比例開啟時，使用斜坡信號控制整閥性能更優；

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