高壓大流量水壓比例閥負(fù)載特性研究*

張 恒，廖瑤瑤,2，廉自生,2，趙瑞豪

(1.太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，太原 030024；2.煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

0 引言

水液壓技術(shù)具有無污染、安全性高、阻燃性以及動(dòng)態(tài)特性較好的優(yōu)點(diǎn)[1]，因此被廣泛用于核反應(yīng)、深海裝備、煤礦機(jī)械等領(lǐng)域[2]。在煤礦領(lǐng)域，現(xiàn)有液壓支架電液控制系統(tǒng)多用開關(guān)換向閥組，其開關(guān)瞬間存在較大壓力沖擊，且流量不能精確調(diào)節(jié)，因此需要一種適用于煤礦井下工況條件的水壓比例閥換向閥[3-4]。

WANG等[5]提出了一種帶有液壓位置反饋的二位二通比例閥，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與模糊PID控制策略實(shí)現(xiàn)壓差反饋與閉環(huán)控制，其在7 MPa壓差時(shí)，額定流量為100 L/min。HAN等[6]提出了一種音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙先導(dǎo)級(jí)水壓比例閥，先導(dǎo)級(jí)采用兩個(gè)二位二通閥，其主級(jí)采用二位二通插裝閥，通過PID控制策略實(shí)現(xiàn)對(duì)主閥芯的位置閉環(huán)控制，額定壓力為25 MPa，額定流量為1100 L/min。WANG等[7]提出一種二位二通水壓比例閥，其壓差在5 bar時(shí)，最大流量可達(dá)1843 L/min。XU等[8]提出使用高速開關(guān)閥組控制的三位四通水壓比例閥，但其額定流量?jī)H為30 L/min，額定壓力為10 MPa。XU等[9]提出了動(dòng)圈式比例閥，其采用比例電磁鐵直接驅(qū)動(dòng)閥芯，在閥口壓差為3.5 MPa的情況下，閥口流量為60 L/min。

針對(duì)先現(xiàn)有比例閥不能滿足煤礦井下的工況條件，提出一種新型比例換向閥。在斜坡信號(hào)輸入下研究了比例閥的穩(wěn)態(tài)控制特性，空載條件下的階躍響應(yīng)與閥芯的隨動(dòng)特性，并在供液條件與負(fù)載不匹配的情況下，研究了比例閥的穩(wěn)定性。最后通過試驗(yàn)研究了比例閥近似階躍響應(yīng)特性，驗(yàn)證了仿真模型的正確性。

1 結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示為比例方向閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其工作原理如下：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)桿向左運(yùn)動(dòng)，先導(dǎo)回液閥口打開，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。

圖1 比例方向閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

由伺服電機(jī)和絲杠螺母組成電機(jī)械轉(zhuǎn)換器，相比于電磁鐵具有輸出力大，行程長(zhǎng)等特點(diǎn)。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?？蛰d時(shí)，工作口A直接連接油箱。為了研究比例閥負(fù)載特性，使用液壓缸作為執(zhí)行器，并使用質(zhì)量彈簧阻尼負(fù)載，其中質(zhì)量塊添加摩擦力。管道采用默認(rèn)子模型，忽略管道慣性，帶來的液壓沖擊。仿真模型如圖2所示。

圖2 AMESim仿真模型

仿真模型中的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。

表1 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)參數(shù)

2.1 空載特性

在研究過程中，由于電機(jī)、絲杠螺母不屬于研究重點(diǎn)，因此，在以下分析過程中，以先導(dǎo)進(jìn)液閥芯的位移為輸入量。由于比例閥閥口流量特性與閥口形狀、閥口開度、壓差等因素有關(guān)，因此，以下分析中，以主進(jìn)液閥芯的位移為控制輸出量。如圖3～圖6所示。

圖3 穩(wěn)態(tài)控制特性 圖4 斜坡響應(yīng)特性

圖5 斜坡壓力特性 圖6 全行程階躍響應(yīng)特性

當(dāng)先導(dǎo)進(jìn)液閥芯位移達(dá)到最大值5 mm時(shí)，主進(jìn)液閥芯位移為最大值5 mm，且開啟過程中，主進(jìn)液閥芯的位移近似等于先導(dǎo)進(jìn)液閥芯的位移，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)近似成正比關(guān)系，比例閥具有良好的比例特性。

在斜坡輸入信號(hào)下，控制腔壓力在第一階段上升至0.5 MPa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21.9 MPa，主進(jìn)液閥芯完全打開時(shí)，控制腔壓力約為4.3 MPa，主進(jìn)液閥芯完全關(guān)閉時(shí)，控制腔壓力重新恢復(fù)21.4 MPa。控制腔壓力隨著閥口的打開逐步平滑減小，隨閥口的關(guān)閉而逐步平滑增大，表明比例閥具有良好的控制特性。

在階躍輸入信號(hào)下，比例閥的開啟響應(yīng)時(shí)間約為46 ms，關(guān)閉響應(yīng)時(shí)間約為37 ms。由于先導(dǎo)級(jí)的閥口開度取決于先導(dǎo)級(jí)和主級(jí)之間的位移差，因此閥芯隨動(dòng)特性良好。

2.2 負(fù)載特性

當(dāng)供液條件與負(fù)載不匹配時(shí)，液壓閥的動(dòng)態(tài)特性較差，在外負(fù)載條件不變的情況下，較小的供液流量與壓力會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性造成很大影響。當(dāng)供液壓力為31.5 MPa，不同供液流量下，主進(jìn)液閥芯的位移曲線特性如圖7所示。無桿腔壓力-流量曲線如圖8所示。比例閥壓力位移曲線如圖9所示。

圖7 閥芯位移隨流量變化曲線

圖8 無桿腔壓力-流量曲線 圖9 比例閥壓力位移曲線

由圖7可知，比例閥在額定流量為100 L/min時(shí)，響應(yīng)時(shí)間最長(zhǎng)，波動(dòng)幅度較其他工況更大，因此，取額定壓力為20 MPa，額定流量為100 L/min，研究負(fù)載對(duì)主閥芯隨動(dòng)特性和系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。仿真過程中，給定先導(dǎo)進(jìn)液閥芯階躍信號(hào)，先導(dǎo)進(jìn)液閥口開度為5 mm。

液壓缸無桿腔壓力達(dá)到穩(wěn)定時(shí)，比例閥控制腔壓力也隨之達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)主進(jìn)液閥芯的位移曲線保持穩(wěn)定狀態(tài)，且約等于先導(dǎo)進(jìn)液閥芯位移。

3 實(shí)驗(yàn)研究

試驗(yàn)方案如圖10所示，由蓄能器組經(jīng)過過濾器和截止閥向比例閥供液，使用兩個(gè)激光位移傳感器和LVDT分別測(cè)量先導(dǎo)進(jìn)液閥芯位移、先導(dǎo)回液閥芯位移和主進(jìn)液閥芯位移。采用3個(gè)壓力傳感器分別測(cè)量控制腔、供液口和工作口的壓力。兩臺(tái)電腦分別用于驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)和數(shù)據(jù)采集。由于試驗(yàn)條件限制，可提供的額定壓力約為16 MPa，因此僅在此工況下進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1.油箱 2、16、17.過濾器 3.泵 4、18.截止閥 5.壓力表 6.蓄能器組 7、13、14.壓力傳感器 8.伺服電機(jī) 9.絲杠螺母 10、11、12.位移傳感器 15.節(jié)流閥 19.溢流閥圖10 試驗(yàn)方案

閥芯階躍響應(yīng)特性如圖11所示。控制腔壓力曲線如圖12所示。

圖11 閥芯階躍響應(yīng)特性 圖12 控制腔壓力曲線

先導(dǎo)進(jìn)液閥芯運(yùn)動(dòng)距離為4.8 mm，先導(dǎo)回液閥芯運(yùn)動(dòng)距離為4.55 mm，主進(jìn)液閥芯的最終位移為4.34 mm。在比例閥開啟過程中，先導(dǎo)回液閥芯與主進(jìn)液閥芯同步運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)先導(dǎo)進(jìn)液閥芯的跟隨，關(guān)閉過程中，3個(gè)閥芯幾乎能夠同步運(yùn)動(dòng)。先導(dǎo)進(jìn)液閥芯和先導(dǎo)回液閥芯之間的差值是由于人為誤差引起的，由原理可知，為了保證零位時(shí)，先導(dǎo)進(jìn)液閥芯可靠關(guān)閉，需要給驅(qū)動(dòng)桿施加反向初始位移，從而導(dǎo)致其最終運(yùn)動(dòng)距離為4.8 mm。先導(dǎo)回液閥芯和主進(jìn)液閥芯的位移差值是由系統(tǒng)誤差所引起，其主要是由于存在裝配間隙。

4 結(jié)論

(1)在斜坡信號(hào)輸入下，研究了比例閥的穩(wěn)態(tài)控制特性，其結(jié)果表明主進(jìn)液閥芯的位移與先導(dǎo)進(jìn)液閥芯的位移成近似正比關(guān)系。在全行程階躍輸入信號(hào)下，比例閥的開啟時(shí)間為46 ms和37 ms。

(2)當(dāng)供液條件與負(fù)載不匹配時(shí)，比例閥響應(yīng)特性較差，在供液壓力為20 MPa，額定流量為100 L/min時(shí)，流量的累積造成工作口壓力的波動(dòng)，主進(jìn)液閥芯位移產(chǎn)生波動(dòng)，但液壓缸活塞運(yùn)動(dòng)至終點(diǎn)時(shí)，比例閥恢復(fù)穩(wěn)定，證明比例閥在不同的供液條件下都有良好的穩(wěn)定性與可靠性。

(3)通過比例閥樣機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，在低壓小流量工況下對(duì)比例閥進(jìn)行了階躍響應(yīng)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果具有良好的一致性，驗(yàn)證了仿真模型的正確性與閥芯的隨動(dòng)特性。