結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)液壓支架雙級(jí)安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響

蘇 波

（中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司葫蘆素煤礦，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017399）

液壓支架中的安全閥是液壓支架安全保護(hù)元件及安全控制系統(tǒng)中十分重要的部件，安全閥的質(zhì)量對(duì)液壓支架的整體性能有著非常重大的影響，在沖擊機(jī)械、攪拌機(jī)械、挖掘機(jī)械等大型設(shè)備的控制系統(tǒng)中，安全閥的一項(xiàng)重要作用就是確保系統(tǒng)的安全。

當(dāng)設(shè)備遭受超過(guò)其可承受的力或在工作中出現(xiàn)故障將對(duì)工作人員或設(shè)備產(chǎn)生危害時(shí)，安全閥能夠自動(dòng)卸荷分流進(jìn)而達(dá)到對(duì)人員設(shè)備的安全保護(hù)，預(yù)防重大事故的發(fā)生[1-4]。

1 雙級(jí)安全閥結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1 雙級(jí)安全閥結(jié)構(gòu)圖

2 雙級(jí)安全閥建模

忽略了瞬態(tài)的液動(dòng)力、閥芯的自重和運(yùn)動(dòng)摩擦力、閥口及安全閥內(nèi)部的泄漏、工作液等一些對(duì)仿真結(jié)果影響較小的參數(shù)。對(duì)雙級(jí)安全閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模。

（1）主閥芯進(jìn)液口流量方程

式中：Qs為主閥芯入口流量，m3/s；Ps為安全閥進(jìn)口壓力，MPa；β為液體彈性模量，N/m2；A1為小閥芯入口面積，m2；Vs1為直動(dòng)閥內(nèi)液體體積，m3。

（2）小閥芯出液口流量方程

式中：Q1為小閥芯流量，m3/s；W為過(guò)流濕周，m；Cd為流量系數(shù)；x1為小閥芯位移，m；Po為安全閥出口壓力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3。

（3）小閥芯運(yùn)動(dòng)方程

式中：m1為小閥芯質(zhì)量，kg；B為等效阻尼系數(shù)，N·s/m；Kt1為內(nèi)彈簧剛度，N/m；L1為內(nèi)彈簧預(yù)壓縮量，m；Ks為液動(dòng)力剛度系數(shù)，N/m。

（5）對(duì)外開(kāi)放程度的提升同樣對(duì)產(chǎn)城融合發(fā)展水平的提高具有一定的正向作用。對(duì)外開(kāi)放程度的影響系數(shù)為1.011，這說(shuō)明在其他因素保持不變的前提下，當(dāng)外商直接投資額每上升1個(gè)百分點(diǎn)，產(chǎn)城融合發(fā)展指數(shù)將上升1.011個(gè)百分點(diǎn)。這是因?yàn)殡S著外商直接投資額的不斷上升，大量先進(jìn)的生產(chǎn)技術(shù)、管理經(jīng)驗(yàn)被引入，增加了工作崗位，不但促進(jìn)了產(chǎn)業(yè)發(fā)展，也助力了城鎮(zhèn)化的推進(jìn)。

（4）主閥芯進(jìn)液口流量方程

式中：A2為主閥芯進(jìn)口截面積，m2；Vs2為主閥芯內(nèi)液體體積，m3。

（5）主閥芯出液口流量方程

式中：x2為主閥芯位移，m。

（6）主閥芯運(yùn)動(dòng)方程

因主閥芯與小閥芯的結(jié)構(gòu)差異，使得主閥芯受到環(huán)形差動(dòng)面積產(chǎn)生的軸向液壓力Ps·ΔA，所以主閥芯的運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：m2為主閥芯質(zhì)量，kg；ΔA為主閥芯的差動(dòng)面積，m2；Kt2為外彈簧剛度，N/m；L2為外彈簧預(yù)壓縮量，m。

根據(jù)式（1）～（6）,利用MATLAB/simulink模塊，將安全閥分為閥口流量方塊圖部分、連續(xù)性方塊圖部分和閥芯運(yùn)動(dòng)方塊圖部分，建立雙級(jí)安全閥仿真模型如圖2。

圖2 雙級(jí)安全閥差動(dòng)式結(jié)構(gòu)方塊圖

利用雙級(jí)安全閥的仿真模型對(duì)雙級(jí)安全閥工作特性進(jìn)行仿真，得到雙級(jí)安全閥的動(dòng)態(tài)特性曲線如圖3。

圖3 雙級(jí)安全閥的動(dòng)態(tài)特性曲線

由圖3 可知，雙級(jí)安全閥輸出壓力特性隨著時(shí)間呈階躍特性變化，在0.001 s 內(nèi)壓力上升至開(kāi)啟壓力最大值54 MPa，在0.001～ 0.004 s 出現(xiàn)波動(dòng)并隨著時(shí)間歷程約在0.004 s 穩(wěn)定在48 MPa 左右。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)雙級(jí)安全閥動(dòng)態(tài)特性的影響

3.1 主閥芯質(zhì)量

圖4 顯示了不同主閥芯質(zhì)量時(shí)雙級(jí)安全閥的動(dòng)態(tài)特性曲線。由圖可以看出，隨著閥芯質(zhì)量的增加，安全閥的輸出壓力峰值、波動(dòng)峰值均呈增加趨勢(shì)，波動(dòng)調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量不斷變大，但穩(wěn)定值幾乎不變，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)閥的結(jié)構(gòu)，盡可能減小主閥芯的質(zhì)量，保證安全閥擁有良好的動(dòng)態(tài)特性。

圖4 不同閥芯質(zhì)量下差動(dòng)式結(jié)構(gòu)仿真曲線

3.2 阻尼系數(shù)

對(duì)安全閥來(lái)說(shuō)阻尼系數(shù)嚴(yán)重影響其動(dòng)態(tài)特性。圖5 顯示阻尼系數(shù)不同時(shí)安全閥的動(dòng)態(tài)特性曲線。由圖5 可知：當(dāng)阻尼系數(shù)不斷增大時(shí)，雖然安全閥輸出壓力幅值逐漸減小，當(dāng)阻尼系數(shù)較大時(shí)，超調(diào)量比較小，波動(dòng)也較小，穩(wěn)態(tài)調(diào)整時(shí)間也較小，但阻尼系數(shù)的不同對(duì)安全閥的穩(wěn)定壓力沒(méi)有影響。

圖5 不同的阻尼數(shù)對(duì)安全閥輸出壓力的影響

3.3 彈簧剛度K

不同的彈簧剛度K 對(duì)溢流閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能也有著非常重要的影響，因此在設(shè)計(jì)溢流閥時(shí)必須慎重選取。圖6 給出了在不同的彈簧剛度K 條件下安全閥的動(dòng)態(tài)特性變化。彈簧剛度取值分別為4.8×105N/m、3.8×105N/m 和2.8×105N/m。由圖可以看出，隨著彈簧剛度K 的變化，閥的進(jìn)口壓力也跟著不斷變化，且隨著K 變大負(fù)超調(diào)也不斷變大。不同彈簧剛度K 下的輸出壓力變化如圖6。

圖6 不同彈簧剛度K 下的輸出壓力變化

3.4 差動(dòng)面積A

在第二級(jí)大流量差動(dòng)式結(jié)構(gòu)中差動(dòng)面積A 是十分重要的參數(shù)，不同的差動(dòng)面積對(duì)差動(dòng)級(jí)的動(dòng)態(tài)特性會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。差動(dòng)式結(jié)構(gòu)與直動(dòng)式結(jié)構(gòu)相比其最大的優(yōu)點(diǎn)就是噪聲小，工作平穩(wěn)，并且可以增加安全閥的使用時(shí)間。由圖7 可知采用不同的差動(dòng)面積時(shí)安全閥的動(dòng)態(tài)特性變化，當(dāng)差動(dòng)面積不斷變大，顯示出閥的動(dòng)態(tài)特性也在變好，隨著調(diào)定壓力不斷增大動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的時(shí)間不斷減小，并且超調(diào)量也變得越來(lái)越好，穩(wěn)定時(shí)間也縮小了。因此差動(dòng)面積的選擇對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性有著非常重要的影響。

圖7 不同差動(dòng)面積下輸出壓力的變化

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)雙級(jí)安全閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行仿真，主要得到如下結(jié)論：

（1）隨著閥芯質(zhì)量m 的變化，安全閥的輸出壓力并沒(méi)有太大的改變，但是隨著主閥芯的質(zhì)量不斷增大，動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間、超調(diào)量也在不斷變大。

（2）進(jìn)口橫截面積過(guò)大，會(huì)使得閥的控制不穩(wěn)定，而進(jìn)口面積過(guò)小時(shí)會(huì)使輸出壓力變得過(guò)大，而且很難控制。反而當(dāng)進(jìn)口橫截面積過(guò)大時(shí)，輸出壓力就會(huì)變小，不能夠達(dá)到預(yù)先所要求的控制壓力，且動(dòng)態(tài)調(diào)整時(shí)間較長(zhǎng)。

（3）當(dāng)阻尼系數(shù)不斷增大時(shí)，雖然安全閥幅值逐漸減小，幅度變化卻不大。當(dāng)阻尼較大時(shí)，超調(diào)量比較小，波動(dòng)也較小，穩(wěn)態(tài)調(diào)整時(shí)間也較小，但阻尼系數(shù)的不同對(duì)安全閥的進(jìn)口壓力卻沒(méi)有影響。

（4）隨著彈簧剛度K 的變化，閥的進(jìn)口壓力也跟著不斷變化，且隨著K 變大負(fù)超調(diào)也不斷變大。

（5）當(dāng)差動(dòng)面積不斷變大，閥的動(dòng)態(tài)特性也在變好，隨著調(diào)定壓力不斷增大動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的時(shí)間不斷減小，并且超調(diào)量也變得越來(lái)越好，穩(wěn)定時(shí)間也縮小了。