綜采液壓支架大流量水壓比例閥階躍響應特性研究＊

趙東升 魏李玉

（1.中煤華晉集團有限公司，山西河津 043300；2.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西太原 030024）

0.引言

液壓支架在煤礦綜采工作面起著重要的作用，但現有的液壓支架多采用開關閥組作為控制閥，無法實現流量的精確調節。因此急需一種適用于高壓大流量工況下的二位三通比例換向閥，且在不同工況下和負載波動的條件下，具有良好的穩定性[1]。針對先現有比例閥不能滿足煤礦井下的工況條件，提出新型比例換向閥。通過仿真獲得比例閥空載條件下的階躍響應與閥芯的隨動特性，并在負載產生階躍變化的情況下，研究了比例閥的穩定性。最后通過試驗研究仿真模型的正確性與設計的可行性。

1.結構原理

如圖1所示為水壓比例方向閥的結構簡圖，其工作原理如：初始狀態下，電機無輸入信號，電磁開關閥斷電，O口與A口連通。比例閥開啟時，伺服電機驅動絲杠螺母運動，從而推開先導進液球閥，P口的高壓液體通過先導進液閥進入控制腔，控制腔液體通過單向閥推動回液閥芯關閉，控制腔壓力繼續升高，達到開啟壓力，驅動主進液閥芯向右運動，使得P口與工作A口連通。主進液閥芯在向右運動過程中，先導回液閥芯在先導回液彈簧的作用力下保持關閉且跟隨主進液閥芯運動，當主進液閥芯運動距離等于先導進液閥芯開度大小時，先導進液閥口關閉，主進液閥芯停止運動，保持平衡狀態。進液閥口關閉或需要減小閥口開度時，伺服電機輸入反向信號，驅動絲杠螺母，帶動隨動桿與先導回液閥芯向左運動，控制腔液體通過先導回液閥芯產生泄漏與壓降，打破平衡狀態，在液壓力的作用下，主進液閥芯向左運動，直到進液閥芯運動距離等于先導回液閥芯開度大小，最終實現進液閥芯閥口開度的減小或關閉[2]。

圖1 比例方向閥結構簡圖

先導進液閥芯和先導回液閥芯都由球閥組成，其閥座都集成在主進液閥芯內部，因此，閥口開度取決于先導級與主級之間的位移差值，從而構成內部位移反饋，實現了閥芯的隨動特性。

2.仿真分析

根據比例閥結構原理分析，采用AMESim軟件對比例閥進行建模仿真。主要結構包括電機、絲杠螺母，先導進液閥芯、先導回液閥芯、進液閥芯和回液閥芯。空載時，工作口A直接連接油箱。為了研究比例閥負載響應特性，使用溢流閥調整閥口進出口壓差，實現階躍響應負載。管道采用默認子模型，忽略管道慣性，帶來的液壓沖擊[3-4]。仿真模型如圖2所示。

圖2 AMESim仿真模型

2.1 輸入階躍響應特性

如圖3所示為比例閥的開啟階躍響應曲線，以先導進液閥芯為輸入信號，主進液閥芯為輸出信號，由比例閥的機構原理可知，延遲時間 主要是由主回液閥芯的運動引起，其時長約為42ms。上升時間 約為30ms，瞬態恢復時間 即響應時間約為84ms，無超調量。

圖3 全行程階躍響應特性

如圖4所示為比例閥在空載條件下的全行程開關響應特性，供液壓力為31.5MPa，流量為1000L/min。比例閥的開啟響應時間約為84ms，關閉響應時間約為37ms。控制腔壓力在第一階段上升至0.5MPa左右，此時，主回液閥芯開始運動，運動至終點時，關閉O口，控制腔壓力繼續上升至主進液閥芯的開啟壓力21.9MPa，主進液閥芯完全打開時，控制腔壓力約為4.3MPa，主進液閥芯完全關閉時，控制腔壓力重新恢復至21.4MPa[5]。

圖4 比例閥壓力-位移曲線

如圖5所示為主進液閥芯在進出口壓差為1MPa情況下的階躍響應曲線，分別測試了主進液閥芯在1mm～5mm不同行程下的特性曲線，可以看出比例閥響應特性良好。

圖5 階躍響應特性

2.2 負載階躍響應特性

使用溢流閥作為負載，使用50%的額定工作壓力使系統達到穩定狀態，再使用100%的額定工作壓力加載，研究在突變的載荷下系統的穩定性[6]。

如圖6(a)所示為比例閥對負載階躍變化的響應曲線，工作口溢流閥的壓力從15.75MPa，階躍變化至31.5MPa。可以看出主進液閥芯從5mm處階躍變化至3.75mm，但很快恢復至5mm處，其瞬態恢復時間 為40ms。如圖6(b)所示為比例閥控制腔壓力，比例閥的開啟壓力約為25MPa，當負載階躍變化時，主進液閥芯運動至3.5mm處，由于先導進液閥芯位移不變，先導進液閥口打開，高壓液體進入控制腔，控制腔壓力也產生近似階躍響應，推動主進液閥芯重新運動至5mm處。

圖6 負載階躍變化

3.結語

（1）在額定壓力和流量下，比例閥的全行程開啟響應時間和關閉響應時間分別為84ms和37ms，主進液閥芯的開啟壓力約為24.9MPa。在1MPa壓差下，比例閥的不同行程階躍響應特性良好。（2）負載從50%額定壓力階躍變化至100%額定壓力時，控制腔壓力隨之產生階躍響應，主進液閥芯經過40ms，重新恢復至平衡狀態。比例閥具有良好的抗干擾特性。