一種防爆負(fù)載敏感比例多路換向閥組的設(shè)計(jì)與仿真研究

(中國(guó)煤炭科工集團(tuán)太原研究院， 山西太原 030006)

引言

防爆電比例多路閥作為負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)中的主要控制元件，已廣泛應(yīng)用于煤礦井下自動(dòng)化、智能化裝備的負(fù)載敏感液壓控制系統(tǒng)中。該類(lèi)型元件集成化程度較高、加工難度較大，國(guó)內(nèi)相關(guān)設(shè)計(jì)及加工技術(shù)暫無(wú)法達(dá)到國(guó)外同等水平， 目前該元件在煤機(jī)裝備中以進(jìn)口德系、美系為主。但其采購(gòu)周期較長(zhǎng)約12個(gè)月，嚴(yán)重影響了井工煤機(jī)智能化裝備的設(shè)計(jì)周期及更新速度。開(kāi)發(fā)了一種防爆負(fù)載敏感電比例多路換向閥組，以在某種程度上部分(流量小于40 L/min)取代國(guó)外進(jìn)口的負(fù)載敏感防爆電比例多路閥。國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者未對(duì)疊加插裝式的防爆負(fù)載敏感比例閥組進(jìn)行研究。本研究設(shè)計(jì)的閥組在滿足負(fù)載敏感比例多路閥的工作要求的同時(shí)，加工制造周期大大縮短，將有效提高主機(jī)的設(shè)計(jì)周期、更新速度及市場(chǎng)響應(yīng)速度；同時(shí)，該閥組的設(shè)計(jì)研究也為相關(guān)技術(shù)的專(zhuān)業(yè)人員在設(shè)計(jì)負(fù)載敏感液壓系統(tǒng)的過(guò)程中，對(duì)負(fù)載敏感防爆電比例多路閥的設(shè)計(jì)和使用提供了新的思路。首先對(duì)防爆負(fù)載敏感比例多路閥原理進(jìn)行分析，提出閥組的設(shè)計(jì)要求并設(shè)計(jì)防爆負(fù)載敏感多路換向閥組的液壓原理圖，其次采用靜態(tài)理論分析對(duì)其進(jìn)行壓流特性研究，然后根據(jù)設(shè)計(jì)要求及負(fù)載敏感特性進(jìn)行閥組的設(shè)計(jì)及元部件選型，最后建立防爆負(fù)載敏感多路換向閥的AMESim仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)仿真，驗(yàn)證其正確性。結(jié)果顯示，設(shè)計(jì)的新型兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感多路換向閥組滿足系統(tǒng)的工作要求。

1 兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感多路換向閥組的液壓原理設(shè)計(jì)及分析

1.1 設(shè)計(jì)要求

防爆電比例多路閥液壓系統(tǒng)的特點(diǎn)為主閥芯換向控制為電磁鐵比例控制換向和壓流按需供給。壓流按需供給即該閥組同時(shí)控制的多個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)組合動(dòng)作或同時(shí)動(dòng)作時(shí)，執(zhí)行元件的壓力和流量按照?qǐng)?zhí)行機(jī)構(gòu)所需的壓力和流量按需供給且多聯(lián)供油壓流互不干涉[1-6]。參照防爆電比例多路閥的液壓工作原理及特點(diǎn)，防爆負(fù)載敏感比例多路閥組需滿足以下設(shè)計(jì)要求：

(1) 每聯(lián)換向閥主閥芯的換向控制采用電磁驅(qū)動(dòng)比例控制，使系統(tǒng)執(zhí)行元件具有無(wú)級(jí)調(diào)速功能[2]；

(2) 多路閥控制的執(zhí)行元件組合動(dòng)作或同時(shí)動(dòng)作時(shí)，每聯(lián)的壓力和流量按需供給互不干涉[7]；

(3) 多路閥組具有二次限壓的基本功能，保護(hù)多路閥及執(zhí)行元件超壓損壞；

(4) 換向閥主閥芯回中位執(zhí)行機(jī)構(gòu)停止動(dòng)作時(shí)，壓力反饋管路具有泄掉殘壓功能，使系統(tǒng)不會(huì)高壓待機(jī)[5]。

1.2 原理設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，且多路閥每組換向聯(lián)工作原理相同，為便于分析簡(jiǎn)化多路閥原理，設(shè)計(jì)兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例閥組原理圖如圖1所示。防爆負(fù)載敏感兩聯(lián)比例多路閥組由首聯(lián)、中間換向聯(lián)、尾聯(lián)組成。中間換向聯(lián)為模塊化設(shè)計(jì)，每個(gè)換向聯(lián)的原理都相同，由壓差補(bǔ)償器3、防爆電比例換向閥4和梭閥5，6，7組成，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)的換向及流量控制；首聯(lián)由濾油節(jié)流器8、二次限壓閥9組成。每個(gè)中間換向聯(lián)中壓差補(bǔ)償器3用于補(bǔ)償換向閥4前后壓差，以保持換向閥4前后壓差保持不變；防爆電比例換向閥4采用防爆電磁鐵作用使主閥芯換向，使閥組具有MA認(rèn)證，符合煤礦井下準(zhǔn)入規(guī)定，同時(shí)換向閥可以比例換向，使閥組具備無(wú)級(jí)調(diào)速功能；單向閥5和6用于采集換向閥A，B口的負(fù)載壓力，并取兩者較高壓力進(jìn)行反饋；單向閥7負(fù)責(zé)反饋每聯(lián)閥組最高壓力并與其它聯(lián)進(jìn)行比較，反饋閥組多聯(lián)換向閥控制的所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載中的最高壓力。防爆負(fù)載敏感兩聯(lián)比例多路閥組的首聯(lián)中節(jié)流濾油器8負(fù)責(zé)泄掉壓力反饋管路中的殘壓，同時(shí)具有過(guò)濾功能，防止小節(jié)流孔堵塞；二次限壓閥9限制了多路閥控制系統(tǒng)的最高壓力，負(fù)責(zé)對(duì)多路閥的二次壓力保護(hù)。

1.3 流量特性分析

分析第一聯(lián)換向閥的流量特性，壓差補(bǔ)償器3的平衡方程為：

p1-p2=FS3/A4=Δp4

(1)

式中，p1—— 壓差補(bǔ)償器的出口壓力，也是換向閥4的入口壓力

p2—— 壓差補(bǔ)償器左端彈簧腔的作用壓力，也是換向閥4的出口壓力

A4—— 壓差補(bǔ)償器左端液壓油作用截面積，恒定不變

FS3—— 壓差補(bǔ)償器閥芯左端所受彈簧作用力，恒定不變

由于FS3/A4保持不變，換向閥4前后壓差Δp4保持不變。

換向閥4的流量方程為：

(2)

式中，Q4—— 通過(guò)換向閥4主閥芯的流量

（3）開(kāi)設(shè)“茶產(chǎn)品分析與檢驗(yàn)”課程是提高學(xué)生創(chuàng)新能力的需要。創(chuàng)新能力是大學(xué)生應(yīng)具備的基本能力之一，該課程的開(kāi)設(shè)對(duì)于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)技能、科研素質(zhì)、產(chǎn)品創(chuàng)新能力等均有重要作用。茶學(xué)學(xué)生在該課程之后的專(zhuān)業(yè)學(xué)習(xí)中，還會(huì)有“制茶學(xué)”“茶葉深加工與綜合利用”“畢業(yè)論文”等后續(xù)課程，還要開(kāi)展科技創(chuàng)新活動(dòng)，均會(huì)涉及到產(chǎn)品的分析檢驗(yàn)，以了解茶產(chǎn)品的品質(zhì)。所以，該課程的開(kāi)設(shè)，有利于學(xué)生今后的學(xué)習(xí)和創(chuàng)新能力的提高，從而促進(jìn)個(gè)人發(fā)展。

A4—— 閥芯的開(kāi)口面積

Δp4—— 閥芯前后壓差

Cd—— 流量系數(shù)

ρ—— 液壓油密度

流量系數(shù)和密度變化忽略不計(jì)，假定Cd，ρ保持不變。從式(2)可知，換向閥流量?jī)H與換向閥的開(kāi)口面積與閥口前后壓差有關(guān)。

由式(1)、式(2)可知，當(dāng)調(diào)定壓差補(bǔ)償器的彈簧壓力后，換向閥4的流量Q4與閥口的開(kāi)口面積A4線性正相關(guān)。

第二聯(lián)換向閥的調(diào)速原理與第一聯(lián)相同，即在系統(tǒng)流量飽和的情況下，每聯(lián)的流量?jī)H與每聯(lián)換向閥的閥芯開(kāi)度有關(guān)，多聯(lián)之間的流量互不干涉。該原理符合負(fù)載敏感比例多路閥的工作要求。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及選型

2.1 結(jié)構(gòu)布局設(shè)計(jì)

防爆負(fù)載敏感比例兩聯(lián)多路閥組采用板式閥、插裝閥和專(zhuān)用閥塊相結(jié)合的方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)布局。

如圖2所示為設(shè)計(jì)的防爆負(fù)載敏感比例兩聯(lián)多路閥的三維模型圖。防爆電比例換向閥使用板式閥，壓差補(bǔ)償閥、溢流閥、單向閥、泄油節(jié)流堵使用插裝閥。設(shè)計(jì)專(zhuān)用閥塊，其內(nèi)部流道按照原理圖進(jìn)行流道設(shè)計(jì)鉆直孔、斜孔和工藝孔，加工可供板式閥、插裝閥安裝的標(biāo)準(zhǔn)安裝孔和插件孔，閥塊外部共用P，R，T，LS口，盡量減少外部膠管數(shù)量。

圖2 三聯(lián)電磁換向閥組的三維模型圖

2.2 元件選型設(shè)計(jì)

兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例多路閥組主要功能性閥件包括5種合計(jì)12個(gè)，主要閥件的選型表如表1所示。首聯(lián)由溢流閥和節(jié)流濾油器組成，溢流閥CP208-3-B-0-A-C-290實(shí)現(xiàn)多路閥的二次壓力保護(hù)，壓力可調(diào)，調(diào)定壓力為21 MPa，泄油節(jié)流堵用于卸掉負(fù)載反饋管路中的殘留壓力，泄油節(jié)流堵孔徑僅為0.51 mm，具備防堵過(guò)濾功能。2個(gè)換向聯(lián)結(jié)構(gòu)相同，分別由1個(gè)防爆比例電磁換向閥、1個(gè)壓差補(bǔ)償閥、3個(gè)單向閥組成，防爆電比例換向閥GDBFW-02-3C40-D24A/52具備MA防爆認(rèn)證，其主閥芯由防爆電磁鐵比例驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)閥口與電流大小比例變化；壓差補(bǔ)償閥LPBC-XFN用于補(bǔ)償換向閥閥口前后壓差功能， 實(shí)現(xiàn)換向閥閥口前后壓差保持0.7 MPa恒定不變；3個(gè)單向閥取每聯(lián)換向閥中壓力油A，B口的最高壓力，反饋給壓差補(bǔ)償閥，同時(shí)A，B口的最高壓力通過(guò)單向閥與其它聯(lián)的反饋壓力進(jìn)行對(duì)比，選高壓反饋至負(fù)載敏感泵。

表1 兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例多路閥組閥件選型表

3 壓流特性仿真分析

3.1 負(fù)載敏感系統(tǒng)模型建立

根據(jù)兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例閥組液壓系統(tǒng)原理圖(圖1)建立AMESim仿真模型[8-12]，如圖3所示。

圖3 兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例閥組AMESim仿真模型

該模型由1個(gè)負(fù)載敏感泵模型、兩個(gè)負(fù)載敏感比例換向閥模型、4個(gè)模擬負(fù)載三部分組成。如圖3所示，變量泵1、變排量機(jī)構(gòu)2、壓力切斷閥3、LS閥4構(gòu)成負(fù)載敏感泵模型；壓差補(bǔ)償器5、單向閥6、梭閥7、電比例換向閥8組成第一聯(lián)換向閥；壓差補(bǔ)償器11、單向閥12、梭閥13、電比例換向閥14構(gòu)成第二聯(lián)換向閥；可調(diào)壓溢流閥9和10分別模擬第一聯(lián)控制的負(fù)載壓力，可調(diào)壓溢流閥15和16分別模擬第二聯(lián)控制的負(fù)載壓力。設(shè)定變量泵的排量為145 mL/r，轉(zhuǎn)速為1480 r/min。為驗(yàn)證負(fù)載敏感比例換向閥多執(zhí)行結(jié)構(gòu)的流量不受負(fù)載變化的影響，設(shè)定第一聯(lián)負(fù)載9和10的負(fù)載模擬壓力為15 MPa，第二聯(lián)負(fù)載15和16的負(fù)載模擬壓力為12 MPa，同時(shí)設(shè)定壓差補(bǔ)償器5和11的彈簧預(yù)壓力為0.7 MPa；為驗(yàn)證比例換向閥的流量比例特性，設(shè)定主閥芯8和主閥芯14的閥口形式為兩個(gè)4 mm×1.8 mm×4 mm的矩形口，主閥芯0～4 mm位移、閥口面積0～14.4 mm2與輸入電流0～80 mA線性比例變化；LS閥4彈簧預(yù)壓力為2 MPa，為負(fù)載敏感泵待機(jī)壓力；壓力切斷閥3彈簧預(yù)壓力為25 MPa。

3.2 動(dòng)態(tài)仿真分析

為充分分析負(fù)載敏感比例多路閥的動(dòng)態(tài)特性，輸入第一聯(lián)和第二聯(lián)比例換向閥的電流驅(qū)動(dòng)主閥芯位移相同，閥芯位移變化圖如圖4所示，輸入第一聯(lián)和第二聯(lián)的負(fù)載壓力不同，負(fù)載變化圖如圖5所示。系統(tǒng)仿真40 s，采樣時(shí)間間隔為0.01 s，主閥芯完成中位-右位-中位-左位-中位的一個(gè)完整循環(huán)運(yùn)動(dòng)。圖6為第一聯(lián)A口、B口和第二聯(lián)A口、B口的流量實(shí)時(shí)變化圖；圖7為壓差補(bǔ)償器5和11的壓差實(shí)時(shí)變化圖。

圖4 閥8和閥14主閥芯位移變化圖

圖5 負(fù)載模擬壓力實(shí)時(shí)變化圖

圖6 負(fù)載流量實(shí)時(shí)變化圖

圖7 壓差補(bǔ)償器壓差實(shí)時(shí)變化圖

0～5 s，換向閥8和14主閥芯位移為0閥口未開(kāi)啟，可知兩聯(lián)多路閥流量都為0，如圖7所示，壓差補(bǔ)償器入口壓力約為3 MPa，該壓力相較于負(fù)載敏感泵的待機(jī)壓力2 MPa略高的原因是由于泵啟動(dòng)時(shí)泵的沖擊壓力被泵出口單向閥鎖壓保壓造成；

5～10 s，主閥芯從0直線比例向右移動(dòng)至4 mm，兩個(gè)換向閥8和14的A口的開(kāi)口度從0線性變化至14.4 mm2。圖6可知，兩個(gè)換向閥A口流量都隨主閥芯比例位移而比例增大到約25 L/min，負(fù)載壓力15 MPa 的第一聯(lián)的流量波動(dòng)比第二聯(lián)負(fù)載壓力12 MPa 的流量波動(dòng)較大；圖7所示，第一聯(lián)換向閥8的壓差補(bǔ)償器5的出口壓力(即換向閥8閥口入口壓力)和出口壓力(即負(fù)載反饋壓力)在換向閥閥口開(kāi)啟初始狀態(tài)時(shí)壓力有波動(dòng)，持續(xù)約1 s，之后壓差保持0.7 MPa不變，恒定的閥口壓差，保證了閥口流量?jī)H和開(kāi)口度大小成線性比例關(guān)系；分析可知兩聯(lián)換向閥流量比例特性較好；

10～15 s，主閥芯保持最大開(kāi)口度14.4 mm2。圖6所示兩聯(lián)換向閥流量都基本保持不變，約為25 L/min；圖7所示閥口前后壓差保持約0.7 MPa不變；分析可知，多路閥兩聯(lián)壓力不同，但兩聯(lián)流量相同，流量與負(fù)載變化無(wú)關(guān)，兩聯(lián)流量互不影響；

15～20 s，主閥芯從4 mm比例直線移動(dòng)至0，即閥芯開(kāi)口度從最大變化至零，圖6可知流量從約25 L/min線性變化至0，圖7所示的閥口前后壓差基本保持不變；

20～40 s，主閥芯向左運(yùn)動(dòng)，仿真結(jié)果與0～20 s閥芯先右運(yùn)動(dòng)基本相同。

運(yùn)動(dòng)仿真結(jié)果顯示，換向閥的流量與閥芯開(kāi)口度線性比例特性較好，兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例多路閥每聯(lián)的流量不受負(fù)載不同影響。

4 結(jié)論

本研究采用靜態(tài)理論分析、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、動(dòng)態(tài)模擬仿真相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)一種防爆負(fù)載敏感比例多路換向閥組。通過(guò)分析負(fù)載敏感比例多路閥的特性，設(shè)計(jì)了板式閥、插裝閥和專(zhuān)用閥塊相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式的兩聯(lián)防爆負(fù)載敏感比例多路閥組，通過(guò)靜態(tài)理論分析和AMESim動(dòng)態(tài)仿真分析顯示該閥組具備負(fù)載敏感比例多路閥的壓流特性，結(jié)果顯示新型防爆電比例多路閥組(單聯(lián)流量小于40 L/min)的流量比例特性和壓流互不影響特性滿足設(shè)計(jì)要求，可替代進(jìn)口的負(fù)載敏感比例多路閥。該閥組的設(shè)計(jì)將為相關(guān)設(shè)計(jì)人員尤其煤礦智能裝備設(shè)計(jì)人員提供了負(fù)載敏感系統(tǒng)及元件開(kāi)發(fā)的新的思路和選擇。下一步將對(duì)大流量疊加插裝式防爆負(fù)載敏感比例多路閥組進(jìn)行進(jìn)一步研究，以擴(kuò)大疊加插裝式防爆負(fù)載敏感比例多路閥的應(yīng)用范圍。