綜采液壓支架大流量水壓比例閥階躍響應(yīng)特性研究＊

趙東升 魏李玉

（1.中煤華晉集團(tuán)有限公司，山西河津 043300；2.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)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(xiàn)有的液壓支架多采用開關(guān)閥組作為控制閥，無法實(shí)現(xiàn)流量的精確調(diào)節(jié)。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(fù)載波動(dòng)的條件下，具有良好的穩(wěn)定性[1]。針對(duì)先現(xiàn)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(yīng)與閥芯的隨動(dòng)特性，并在負(fù)載產(chǎn)生階躍變化的情況下，研究了比例閥的穩(wěn)定性。最后通過試驗(yàn)研究仿真模型的正確性與設(shè)計(jì)的可行性。

1.結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示為水壓比例方向閥的結(jié)構(gòu)簡圖，其工作原理如：初始狀態(tài)下，電機(jī)無輸入信號(hào)，電磁開關(guān)閥斷電，O口與A口連通。比例閥開啟時(shí)，伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)絲杠螺母運(yùn)動(dòng)，從而推開先導(dǎo)進(jìn)液球閥，P口的高壓液體通過先導(dǎo)進(jìn)液閥進(jìn)入控制腔，控制腔液體通過單向閥推動(dòng)回液閥芯關(guān)閉，控制腔壓力繼續(xù)升高，達(dá)到開啟壓力，驅(qū)動(dòng)主進(jìn)液閥芯向右運(yùn)動(dòng)，使得P口與工作A口連通。主進(jìn)液閥芯在向右運(yùn)動(dòng)過程中，先導(dǎo)回液閥芯在先導(dǎo)回液彈簧的作用力下保持關(guān)閉且跟隨主進(jìn)液閥芯運(yùn)動(dòng)，當(dāng)主進(jìn)液閥芯運(yùn)動(dòng)距離等于先導(dǎo)進(jìn)液閥芯開度大小時(shí)，先導(dǎo)進(jìn)液閥口關(guān)閉，主進(jìn)液閥芯停止運(yùn)動(dòng)，保持平衡狀態(tài)。進(jìn)液閥口關(guān)閉或需要減小閥口開度時(shí)，伺服電機(jī)輸入反向信號(hào)，驅(qū)動(dòng)絲杠螺母，帶動(dòng)隨動(dòng)桿與先導(dǎo)回液閥芯向左運(yùn)動(dòng)，控制腔液體通過先導(dǎo)回液閥芯產(chǎn)生泄漏與壓降，打破平衡狀態(tài)，在液壓力的作用下，主進(jìn)液閥芯向左運(yùn)動(dòng)，直到進(jìn)液閥芯運(yùn)動(dòng)距離等于先導(dǎo)回液閥芯開度大小，最終實(shí)現(xiàn)進(jìn)液閥芯閥口開度的減小或關(guān)閉[2]。

圖1 比例方向閥結(jié)構(gòu)簡圖

先導(dǎo)進(jìn)液閥芯和先導(dǎo)回液閥芯都由球閥組成，其閥座都集成在主進(jìn)液閥芯內(nèi)部，因此，閥口開度取決于先導(dǎo)級(jí)與主級(jí)之間的位移差值，從而構(gòu)成內(nèi)部位移反饋，實(shí)現(xiàn)了閥芯的隨動(dòng)特性。

2.仿真分析

根據(jù)比例閥結(jié)構(gòu)原理分析，采用AMESim軟件對(duì)比例閥進(jìn)行建模仿真。主要結(jié)構(gòu)包括電機(jī)、絲杠螺母，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯、先導(dǎo)回液閥芯、進(jìn)液閥芯和回液閥芯。空載時(shí)，工作口A直接連接油箱。為了研究比例閥負(fù)載響應(yīng)特性，使用溢流閥調(diào)整閥口進(jìn)出口壓差，實(shí)現(xiàn)階躍響應(yīng)負(fù)載。管道采用默認(rèn)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(yīng)特性

如圖3所示為比例閥的開啟階躍響應(yīng)曲線，以先導(dǎo)進(jìn)液閥芯為輸入信號(hào)，主進(jìn)液閥芯為輸出信號(hào)，由比例閥的機(jī)構(gòu)原理可知，延遲時(shí)間 主要是由主回液閥芯的運(yùn)動(dòng)引起，其時(shí)長約為42ms。上升時(shí)間 約為30ms，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間 即響應(yīng)時(shí)間約為84ms，無超調(diào)量。

圖3 全行程階躍響應(yīng)特性

如圖4所示為比例閥在空載條件下的全行程開關(guān)響應(yīng)特性，供液壓力為31.5MPa，流量為1000L/min。比例閥的開啟響應(yīng)時(shí)間約為84ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間約為37ms。控制腔壓力在第一階段上升至0.5MPa左右，此時(shí)，主回液閥芯開始運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)時(shí)，關(guān)閉O口，控制腔壓力繼續(xù)上升至主進(jìn)液閥芯的開啟壓力21.9MPa，主進(jìn)液閥芯完全打開時(shí)，控制腔壓力約為4.3MPa，主進(jìn)液閥芯完全關(guān)閉時(shí)，控制腔壓力重新恢復(fù)至21.4MPa[5]。

圖4 比例閥壓力-位移曲線

如圖5所示為主進(jìn)液閥芯在進(jìn)出口壓差為1MPa情況下的階躍響應(yīng)曲線，分別測(cè)試了主進(jìn)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(yīng)特性良好。

圖5 階躍響應(yīng)特性

2.2 負(fù)載階躍響應(yīng)特性

使用溢流閥作為負(fù)載，使用50%的額定工作壓力使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，再使用100%的額定工作壓力加載，研究在突變的載荷下系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。

如圖6(a)所示為比例閥對(duì)負(fù)載階躍變化的響應(yīng)曲線，工作口溢流閥的壓力從15.75MPa，階躍變化至31.5MPa?？梢钥闯鲋鬟M(jìn)液閥芯從5mm處階躍變化至3.75mm，但很快恢復(fù)至5mm處，其瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)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(dāng)負(fù)載階躍變化時(shí)，主進(jìn)液閥芯運(yùn)動(dòng)至3.5mm處，由于先導(dǎo)進(jìn)液閥芯位移不變，先導(dǎo)進(jìn)液閥口打開，高壓液體進(jìn)入控制腔，控制腔壓力也產(chǎn)生近似階躍響應(yīng)，推動(dòng)主進(jìn)液閥芯重新運(yùn)動(dòng)至5mm處。

圖6 負(fù)載階躍變化

3.結(jié)語

（1）在額定壓力和流量下，比例閥的全行程開啟響應(yīng)時(shí)間和關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間分別為84ms和37ms，主進(jìn)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(yīng)特性良好。（2）負(fù)載從50%額定壓力階躍變化至100%額定壓力時(shí)，控制腔壓力隨之產(chǎn)生階躍響應(yīng)，主進(jìn)液閥芯經(jīng)過40ms，重新恢復(fù)至平衡狀態(tài)。比例閥具有良好的抗干擾特性。