高速開關(guān)閥先導(dǎo)驅(qū)動高水基大流量比例調(diào)速閥的設(shè)計與仿真

李永安, 朱明亮, 王宏偉, 付 翔

(1.山西省煤礦智能裝備工程研究中心, 山西 太原 030024; 2.太原理工大學(xué) 機械與運載工程學(xué)院, 山西 太原 030024;3.智能采礦裝備技術(shù)全國重點實驗室, 山西 太原 030032; 4.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 山西 太原 030024)

引言

近年以來煤礦智能化逐步走向廣泛的應(yīng)用[1],煤礦綜采工作面智能化技術(shù)與裝備在我國越來越多的煤礦進行推廣和應(yīng)用。與傳統(tǒng)采煤工藝相比,綜采智能化對裝備的可控性和控制精度提出了更高的要求。目前液壓支架在移架和推溜過程中采用的是通斷式電液元件,即無法通過控制流量對其速度進行精確控制[2],導(dǎo)致系統(tǒng)壓力波動和沖擊大,無法實現(xiàn)液壓支架推溜位置的精確控制,影響了刮板輸送機的調(diào)直度。調(diào)直問題已經(jīng)成為綜采工作面自動化建設(shè)亟需解決的關(guān)鍵問題[3-4]。因此,研制適用于支架液壓系統(tǒng)的高水基、高壓、大流量的比例調(diào)速閥,實現(xiàn)支架推溜油缸多種模式下的高效、精確控制是解決這一問題的直接、有效途徑。

現(xiàn)有液壓油介質(zhì)比例節(jié)流閥、調(diào)速閥均難以滿足井下高壓、高水基和抗污染能力弱等復(fù)雜工況。袁海麗等[5]針對某插裝式調(diào)速閥的工作原理和實際結(jié)構(gòu)進行研究,利用AMESim中的元件設(shè)計庫搭建其仿真模型,對調(diào)速閥關(guān)鍵參數(shù)進行仿真研究,提出了改善調(diào)速閥流量動態(tài)響應(yīng)的方案;陶柳等[6]設(shè)計了一種外控恒壓調(diào)速閥,利用AMESim仿真軟件建立仿真模型進行動態(tài)分析,仿真結(jié)果表明外控恒壓調(diào)速閥對系統(tǒng)流量穩(wěn)定提升有顯著作用;黃家海等[7-9]對多種先導(dǎo)型式驅(qū)動的比例調(diào)速閥做了詳細(xì)的研究。這些研究主要針對液壓油介質(zhì)調(diào)速閥展開,相關(guān)研究成果可供參考的內(nèi)容有限。靳天毅等[10]設(shè)計了一種適用于支架工況的新型旋轉(zhuǎn)式旁通型數(shù)字調(diào)速閥,該閥用步進電機驅(qū)動,主閥采用轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu),定差溢流閥采用滑閥結(jié)構(gòu);韓明興[11]研制了音圈電機驅(qū)動雙先導(dǎo)級大流量水壓比例插裝閥;德國某公司也有水壓大流量比例節(jié)流閥成熟產(chǎn)品;張增猛等[12]研究了一種音圈電機驅(qū)動水液壓節(jié)流閥,但均無壓力補償功能;朱碧海等[13-14]分別研究了水液壓數(shù)字比例閥和基于高速開關(guān)閥的三位四通水壓比例閥,為開關(guān)閥先導(dǎo)控制水壓比例閥做了有益的探索。本研究設(shè)計了一種基于高速開關(guān)閥作為先導(dǎo)級,主閥采用二通插裝閥結(jié)構(gòu),具備壓力補償功能,適用于綜采乳化液支架液壓系統(tǒng)高水基高壓大流量比例調(diào)速閥,并對該閥的相關(guān)功能、特性進行了仿真分析,為其研制提供理論支持。

1 三通比例調(diào)速閥結(jié)構(gòu)及工作原理

本閥設(shè)計額定流量400 L/min,額定壓力35 MPa,傳動介質(zhì)為高水基乳化液。傳統(tǒng)的滑閥式閥芯存在較大的泄漏、潤滑差、易卡死等缺點,因此調(diào)速閥的先導(dǎo)閥選用錐閥結(jié)構(gòu)的高速開關(guān)閥,主閥采用通油能力和抗污染能力強、響應(yīng)快[15-16]的二通插裝閥結(jié)構(gòu)。

該調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由節(jié)流閥塊、比例節(jié)流閥組件、阻尼孔、定差溢流閥組件組成。比例節(jié)流閥主要包括LVDT位移傳感器、復(fù)位彈簧、節(jié)流閥芯、節(jié)流閥套和高速開關(guān)閥組成,定差溢流閥組件主要包括彈簧、閥芯和閥套,并在溢流閥彈簧腔前加入一個阻尼孔來穩(wěn)定溢流閥的調(diào)定壓差。

1.節(jié)流閥塊 2.NC高速開關(guān)閥 3.LVDT位移傳感器 4.復(fù)位彈簧 5.節(jié)流閥芯 6.節(jié)流閥套 7.NO高速開關(guān)閥 8.節(jié)流孔 9.閥套 10.彈簧 11.閥芯

圖1中高速開關(guān)閥組成一個A型液壓半橋,控制節(jié)流閥下控制腔,彈簧用于閥芯復(fù)位,主閥芯開口量由LVDT位移傳感器檢測,實現(xiàn)節(jié)流閥芯閉環(huán)位置控制。當(dāng)高速開關(guān)閥一直處于關(guān)閉狀態(tài)時,流量經(jīng)過節(jié)流閥芯上的壓力平衡孔使閥芯受力平衡,節(jié)流閥關(guān)閉,流量全部經(jīng)過溢流閥的溢流口溢流,溢流壓力約為0.5～0.7 MPa。當(dāng)節(jié)流閥處于開啟狀態(tài),進油口處液壓油抵達(dá)節(jié)流閥塊進油口以及溢流閥非彈簧腔,同時工作口處液壓油經(jīng)阻尼孔引入溢流閥彈簧腔,定差溢流閥通過溢流來調(diào)整節(jié)流閥閥口壓差約等于定差溢流閥設(shè)定壓力。

圖2為三通比例調(diào)速閥的液壓原理圖,高速開關(guān)閥S1,S2作節(jié)流閥的先導(dǎo)控制閥,S1,S2可以看作兩個可變的阻尼孔,構(gòu)成A型液壓半橋控制節(jié)流閥芯下控制腔的壓力。系統(tǒng)乳化液到達(dá)調(diào)速閥進油口A,同時引出一部分液壓油到達(dá)先導(dǎo)閥,通過控制高速開關(guān)閥S1,S2的開口大小來控制調(diào)速閥閥芯開度。定差溢流閥一方面用于穩(wěn)定節(jié)流閥進出口壓差,另一方面在節(jié)流閥關(guān)閉時,系統(tǒng)流量可以低壓卸荷至液箱。

圖2 高水基三通比例調(diào)速閥液壓原理圖

流量調(diào)節(jié)原理可根據(jù)節(jié)流閥流量方程進行分析:

(1)

式中,Cdm—— 節(jié)流閥流量系數(shù)

ωm—— 節(jié)流閥面積梯度

x—— 節(jié)流閥芯開度

ρ—— 油液密度

p1—— 進口壓力

p2—— 出口壓力

節(jié)流閥進出口壓力差p1-p2基本維持恒定,由定差溢流閥確定,通過節(jié)流閥口的流量與節(jié)流閥閥芯位移成正比。高速開關(guān)閥通過頻繁啟閉控制進入節(jié)流閥下控制腔的流量,進而控制下控制腔的壓力,實現(xiàn)對節(jié)流閥芯位移的控制,通過LVDT位移傳感器檢測節(jié)流閥芯開度,實現(xiàn)節(jié)流閥芯開度的閉環(huán)精確控制。

2 基于AMESim的三通比例調(diào)速閥模型構(gòu)建

根據(jù)三通調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)與工作原理,利用AMESim搭建出各個元件和回路的仿真模型,為保證仿真模型的準(zhǔn)確性以及方便對某些局部參數(shù)進行仿真研究,關(guān)鍵元件采用AMESim中HCD庫中的元件進行建模。本研究參考文獻[17-21],搭建仿真模型如圖3所示,主要結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 三通比例調(diào)速閥仿真模型主要參數(shù)

圖3 三通比例調(diào)速閥仿真模型

如圖3所示,節(jié)流閥芯的控制方式為閉環(huán)PID控制。對于給定的閥芯位移信號,節(jié)流閥芯上的位移傳感器輸出其實際位移,將其與給定的位移信號進行對比,隨后產(chǎn)生偏差信號到達(dá)PID控制器,PID控制器對輸入的偏差進行運算發(fā)出控制信號,從而輸出變占空比的PWM信號到達(dá)高速開關(guān)閥,實現(xiàn)對節(jié)流閥下控制腔壓力的控制,進而實現(xiàn)對節(jié)流閥芯位置的閉環(huán)控制。

3 仿真分析與特性研究

3.1 節(jié)流閥芯位置控制特性研究

1) 兩種先導(dǎo)級液壓半橋?qū)﹂y芯位置閉環(huán)控制的影響

如圖3所示,控制節(jié)流閥開口大小的先導(dǎo)級采用的是A型液壓半橋,即輸入和輸出均為可變液阻,圖4采用的是C型液壓半橋,即輸入為可變液阻,輸出為固定液阻。對比兩種先導(dǎo)液壓半橋?qū)?jié)流閥位移的控制效果。在仿真開始2 s后給定節(jié)流閥芯3 mm的階躍控制信號,持續(xù)時間2 s,隨后再給定一個持續(xù)時間2 s的階躍位移7 mm的控制信號,圖5為兩種先導(dǎo)液壓半橋的閥芯實際位移響應(yīng)曲線。

圖4 C型液壓半橋控制下的調(diào)速閥仿真模型

圖5 兩種半橋控制下的節(jié)流閥芯位移響應(yīng)曲線

如圖5所示,A型液壓半橋相比C型液壓半橋能夠更快的響應(yīng)所給定的階躍位移控制信號,且超調(diào)值較小,但是閥芯位移不如C型半橋穩(wěn)定,會存在一定的波動。由于C型半橋先導(dǎo)控制節(jié)流閥芯響應(yīng)較慢,且超調(diào)較大,超調(diào)后調(diào)節(jié)修正幅度較緩,因此采用A型液壓半橋。

2) 節(jié)流閥下控制腔容積以及彈簧剛度對節(jié)流閥芯響應(yīng)給定階躍信號的影響

節(jié)流閥下控制腔容積對閥芯響應(yīng)階躍信號的影響曲線,如圖6所示。通過改變節(jié)流閥芯臺肩直徑的大小來改變下控制腔容積的大小。仿真開始1 s后給定節(jié)流閥芯3 mm的階躍位移信號,持續(xù)時間3 s。

圖6 不同臺肩直徑閥芯對階躍信號的響應(yīng)曲線

如圖6所示,下控制腔節(jié)流閥芯直徑不變,隨著臺肩直徑的增大,下控制腔容積變大,在最初階段節(jié)流閥芯響應(yīng)階躍信號變慢,但是隨后能快速的達(dá)到給定的位置,且閥芯位移波動較小,有利于其前后壓差的穩(wěn)定,進而維持輸出流量的穩(wěn)定。分析可知,最初的響應(yīng)階躍信號變慢是由于控制腔容積變大,而工作介質(zhì)填充容積腔需要一定的時間,隨后較快的達(dá)到給定信號是由于其液壓作用面積變大,因此能夠更快、更穩(wěn)定的到達(dá)指定位置。

節(jié)流閥塊中復(fù)位彈簧剛度的大小對閥芯響應(yīng)階躍信號也有一定的影響,給定閥芯同圖6中的階躍信號進行仿真,仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明,隨著復(fù)位彈簧剛度的降低,閥芯響應(yīng)階躍信號更快。

圖7 彈簧剛度對閥芯響應(yīng)階躍信號的影響曲線

如圖8所示,對于給定的多個階躍控制信號,節(jié)流閥芯都可以到達(dá)指定的位置。驗證了閉環(huán)PID+PWM信號控制高速開關(guān)閥進而控制節(jié)流閥開口的可行性。

圖8 節(jié)流閥閥芯位移響應(yīng)曲線

3.2 壓差穩(wěn)定對調(diào)速閥特性的影響

1) 節(jié)流閥位移-流量特性仿真曲線

如圖9所示,給定節(jié)流閥芯0～4 mm的位移控制信號,觀察調(diào)速閥所輸出的流量。圖10所示設(shè)置不同溢流閥調(diào)定壓差下的調(diào)速閥流量曲線。經(jīng)過計算,設(shè)定彈簧預(yù)緊力304.18, 506.0, 709.8 N分別模擬調(diào)定壓差0.3, 0.5, 0.7 MPa。

圖9 位移-流量特性曲線

圖10 不同壓差下位移-流量特性曲線

如圖9所示,在節(jié)流閥閥口關(guān)閉時,系統(tǒng)流量通過定差溢流閥全流量溢流,當(dāng)節(jié)流閥開口緩慢變大時,節(jié)流閥所輸出的流量也會相應(yīng)的逐漸變大,經(jīng)過溢流閥所溢流的流量逐漸減小,兩者之和等于系統(tǒng)流量,仿真結(jié)果與理論分析吻合。圖10所示仿真曲線表明,不同壓差下該閥均可保持較好流量調(diào)控性能;閥口流量增益隨著閥口開度增大而趨于變小。

2) 溢流閥彈簧剛度對壓差穩(wěn)定的影響

為了研究定差溢流閥剛度對壓差穩(wěn)定性的影響,如圖11所示,用比例溢流閥模擬調(diào)速閥出口的負(fù)載壓力。由于調(diào)速閥的壓差是由定差溢流閥芯上的彈簧調(diào)定的,對其彈簧剛度做批量仿真,給定節(jié)流閥芯同圖8中的控制信號。

圖11 比例溢流閥模擬的突變負(fù)載變化曲線

如圖12所示,由于溢流閥在應(yīng)對突變負(fù)載工況實現(xiàn)壓力補償時其閥芯位移較小,只有在節(jié)流閥處于關(guān)閉狀態(tài)的2 s內(nèi),由于全部流量從溢流閥溢流產(chǎn)生的壓力沖擊使其位移達(dá)到了1.1 mm左右,在其他不同的節(jié)流閥開口下,其位移都比較小。2～4 s的波動是由于節(jié)流閥過流面積的波動產(chǎn)生的,不同彈簧剛度對其調(diào)定壓差影響較小。

圖12 定差溢流閥閥芯位移曲線

圖13 不同彈簧剛度下的溢流閥調(diào)定壓差曲線

3) 溢流閥調(diào)定壓差對調(diào)速閥輸出流量的影響

如圖14所示,對定差溢流閥的調(diào)定壓差進行批量仿真,觀察其不同壓差下調(diào)速閥的輸出流量曲線。溢流閥的調(diào)定壓差的改變通過設(shè)置其彈簧預(yù)緊力實現(xiàn)[13]。經(jīng)過計算,設(shè)定彈簧預(yù)緊力304.2, 507.0, 709.8, 912.5 N分別模擬調(diào)定壓差0.3, 0.5, 0.7, 0.9 MPa,給定節(jié)流閥芯3 mm的階躍信號。

圖14 不同調(diào)定壓差下的調(diào)速閥流量曲線

仿真結(jié)果表明,節(jié)流閥開度不變的情況下,隨著壓差的增大,調(diào)速閥輸出流量也會穩(wěn)定的增長,調(diào)速閥流量穩(wěn)定性較好。

4) 調(diào)速閥突變負(fù)載工況下壓力補償特性分析

如圖15所示,在仿真開始1 s時給定節(jié)流閥芯3 mm 的階躍位移信號,使閥芯節(jié)流閥維持在一固定開度,通過給定比例節(jié)流閥不同電信號模擬負(fù)載突變的工況,仿真表明,該三通調(diào)速閥可以實現(xiàn)負(fù)載突變下的壓力補償功能,保證調(diào)速閥輸出的流量只與節(jié)流閥的過流面積有關(guān),不受突變負(fù)載的影響,調(diào)速閥具有良好的流量調(diào)節(jié)剛度。

圖15 三通比例調(diào)速閥在負(fù)載突變下的流量曲線

4 結(jié)論

通過對高水基三通比例調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計、建模、仿真分析和特性研究,得出以下結(jié)論:

(1) 高速開關(guān)閥先導(dǎo)驅(qū)動節(jié)流閥閥芯的位置閉環(huán)控制相關(guān)仿真表明,在本案中A型先導(dǎo)液壓半橋相比C型對于閥芯的位置控制效果更佳, 可以較快到達(dá)指定位置且超調(diào)較小;

(2) 節(jié)流閥下控制腔容積越大,閥的響應(yīng)越慢,控制腔內(nèi)液壓力作用面積越大,閥芯位移波動越小。彈簧剛度越小,節(jié)流閥芯位移響應(yīng)越快;

(3) 調(diào)速閥進出口壓差穩(wěn)定相關(guān)仿真表明,定差溢流閥彈簧剛度對壓差穩(wěn)定性影響不大;

(4) 基于高速開關(guān)閥為先導(dǎo)閥的高水基三通比例調(diào)速閥原理、功能正確,具有良好的流量調(diào)節(jié)特性,可為該閥的開發(fā)提供理論參考。