高速开关阀先导驱动高水基大流量比例调速阀的设计与仿真.pdf
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1、第48 卷第2 期2024年2 月doi:10.11832/j.issn.1000-4858.2024.02.008高速开关阀先导驱动高水基大流量比例调速阀的设计与仿真李永安12 3,朱明亮,王宏伟12.3,付翔4(1.山西省煤矿智能装备工程研究中心,山西太原030024;2.太原理工大学机械与运载工程学院,山西太原030024;3.智能采矿装备技术全国重点实验室,山西太原0 3 0 0 3 2;4.太原理工大学矿业工程学院,山西太原0 3 0 0 2 4)摘要:在智能综采工作面生产工程中,液压支架在移架和推溜的过程中经常会遭遇不稳定负载,传统开关式的电液控制元件无法对推溜油缸进行速度调控,导
2、致推溜油缸位置控制困难,影响了刮板机的调直度,从而制约了智能综采装备的应用效率。针对这一问题,考虑到煤矿乳化液介质低黏度、润滑性差等特征,设计了一种高速开关阀作为先导阀的高水基高压大流量比例调速阀,建立了阀的数学模型,根据调速阀的内部结构及工作原理建立其AMESim仿真模型,对影响节流阀阀芯位置闭环控制特性、调速阀压差-流量特性进行仿真分析。仿真表明,A型先导液桥对主阀芯的响应具有更好的性能,主阀下控制腔容积、复位弹簧刚度对阀芯的响应速度、稳定性有一定影响。总体而言,调速阀具有较好的流量调节刚度,功能和性能达到了预期设计要求。关键词:比例调速阀;高速开关阀;定差溢流阀;动态特性;液桥中图分类号
3、:TH137.7文献标志码:B文章编号:10 0 0-48 58(2 0 2 4)0 2-0 0 6 0-0 8Design and Simulation of High Water Base Large Flow ProportionalSpeed Regulating Valve Driven by High Speed On-off ValveLI Yong-an-2-3,ZHU Ming-liang,WANG Hong-wei-2,FU Xiang(1.Shanxi Coal Mine Intelligent Equipment Engineering Research Center,
4、Taiyuan,Shanxi 030024;2.School of Mechanical and Vehicle Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024;3.National Key Laboratory of Intelligent Mining Equipment Technology,Taiyuan,Shanxi 030032;4.School of Mining Engineering,Taiyuan University of Technology,Taiyuan,Shanxi 030024
5、)Abstract:In the intelligent fully mechanized mining face production,the hydraulic support often encountersunstable load in moving and sliding process.The traditional switch type electro-hydraulic control element cannotcontrol the sliding oil cylinders speed which makes the sliding oil cylinders pos
6、ition control a difficulty,affectingthe scraper straightness and the application efficiency of intelligent fully mechanized mining equipment.To solvethis problem,considering coal mine emulsion mediums low viscosity and poor lubricity,a high water base highpressure large flow proportional speed regul
7、ating valve with high speed on-off valve as pilot valve is designed.Thevalves mathematical and AMESim simulation model is built according its internal structure and working principle.收稿日期:2 0 2 3-0 6-13基金项目:国家自然科学基金(52 2 7 4157);2 0 2 0 年度山西省揭榜招标项目(2 0 2 0 110 10 0 5)作者简介:李永安(19 8 4一),男,陕西杨凌人,副研究员,博
8、士研究生,主要从事煤矿智能装备电液控制技术方面的研究工作。液压与气动Chinese Hydraulics&Pneumatics修回日期:2 0 2 3-0 7-2 8Vol.48 No.2February.20242024年第2 期The simulation of the closed-loop control characteristics of the throttle valve spool position and the differentialpressure-flow characteristics of the speed-regulating valve is conduc
9、ted.The simulation results show that the A-typepilot hydraulic bridge has a better response performance to the main valve spool,and main valve lower controlchambers volume and the reset spring stiffness have a certain influence on the valve spools response speed andstability.In general,the speed reg
10、ulating valve has better flow regulation stffness,and the function andperformance meet the expected design requirements.Key words:proportional speed regulating valve,high speed on-off valve,constant difference relief valve,dynamiccharacteristics,hydraulic bridge引言近年以来煤矿智能化逐步走向广泛的应用,煤矿综采工作面智能化技术与装备在我
11、国越来越多的煤矿进行推广和应用。与传统采煤工艺相比,综采智能化对装备的可控性和控制精度提出了更高的要求。目前液压支架在移架和推溜过程中采用的是通断式电液元件,即无法通过控制流量对其速度进行精确控制 2 ,导致系统压力波动和冲击大,无法实现液压支架推溜位置的精确控制,影响了刮板输送机的调直度。调直问题已经成为综采工作面自动化建设呕需解决的关键问题 3-4。因此,研制适用于支架液压系统的高水基、高压、大流量的比例调速阀,实现支架推溜油缸多种模式下的高效、精确控制是解决这一问题的直接、有效途径。现有液压油介质比例节流阀、调速阀均难以满足井下高压、高水基和抗污染能力弱等复杂工况。袁海丽等 5 针对某插
12、装式调速阀的工作原理和实际结构进行研究,利用AMESim中的元件设计库搭建其仿真模型,对调速阀关键参数进行仿真研究,提出了改善调速阀流量动态响应的方案;陶柳等 6 设计了一种外控恒压调速阀,利用AMESim仿真软件建立仿真模型进行动态分析,仿真结果表明外控恒压调速阀对系统流量稳定提升有显著作用;黄家海等 7-9 对多种先导型式驱动的比例调速阀做了详细的研究。这些研究主要针对液压油介质调速阀展开,相关研究成果可供参考的内容有限。靳天毅等 10 设计了一种适用于支架工况的新型旋转式旁通型数字调速阀,该阀用步进电机驱动,主阀采用转阀结构,定差溢流阀采用滑阀结构;韩明兴 研制了音圈电机驱动双先导级大流
13、量水压比例插装阀;德国某公司也有水压大流量比例节流阀成熟产品;张增猛等 12 研究了一种音圈电机驱动水液压节流阀,但均无压力补偿功能;朱碧海等 13-14 分别研究了水液压数字比例阀和基于高速开关阀的三位四液压与气动通水压比例阀,为开关阀先导控制水压比例阀做了有益的探索。本研究设计了一种基于高速开关阀作为先导级,主阀采用二通插装阀结构,具备压力补偿功能,适用于综采乳化液支架液压系统高水基高压大流量比例调速阀,并对该阀的相关功能、特性进行了仿真分析,为其研制提供理论支持。1三通比例调速阀结构及工作原理本阀设计额定流量40 0 L/min,额定压力3 5MPa,传动介质为高水基乳化液。传统的滑阀式
14、阀芯存在较大的泄漏、润滑差、易卡死等缺点,因此调速阀的先导阀选用锥阀结构的高速开关阀,主阀采用通油能力和抗污染能力强、响应快 15-16 的二通插装阀结构。该调速阀的结构如图1所示,由节流阀块、比例节流阀组件、阻尼孔、定差溢流阀组件组成。比例节流阀主要包括LVDT位移传感器、复位弹簧、节流阀芯、节流阀套和高速开关阀组成,定差溢流阀组件主要包括弹簧、阀芯和阀套,并在溢流阀弹簧腔前加入一个阻尼孔来稳定溢流阀的调定压差。图1中高速开关阀组成一个A型液压半桥,控制节流阀下控制腔,弹簧用于阀芯复位,主阀芯开口量由LVDT位移传感器检测,实现节流阀芯闭环位置控制。当高速开关阀一直处于关闭状态时,流量经过节
15、流阀芯上的压力平衡孔使阀芯受力平衡,节流阀关闭,流量全部经过溢流阀的溢流口溢流,溢流压力约为0.50.7MPa。当节流阀处于开启状态,进油口处液压油抵达节流阀块进油口以及溢流阀非弹簧腔,同时工作口处液压油经阻尼孔引人溢流阀弹簧腔,定差溢流阀通过溢流来调整节流阀阀口压差约等于定差溢流阀设定压力。图2 为三通比例调速阀的液压原理图,高速开关阀 S1,S2作节流阀的先导控制阀,S1,S2可以看作两个可变的阻尼孔,构成A型液压半桥控制节流阀芯下控制腔的压力。系统乳化液到达调速阀进油口A,同6162时引出一部分液压油到达先导阀,通过控制高速开关阀S1,S2的开口大小来控制调速阀阀芯开度。定差溢流阀一方面
16、用于稳定节流阀进出口压差,另一方面在节流阀关闭时,系统流量可以低压卸荷至液箱。8B1011液压与气动PPiP2节流阀进出口压力差Pi-P2基本维持恒定,由定差溢流阀确定,通过节流阀口的流量与节流阀阀芯位移成正比。高速开关阀通过频繁启闭控制进人节流阀4下控制腔的流量,进而控制下控制腔的压力,实现对节流阀芯位移的控制,通过LVDT位移传感器检测节流6阀芯开度,实现节流阀芯开度的闭环精确控制。2基于AMESim的三通比例调速阀模型构建根据三通调速阀的结构与工作原理,利用AMESim搭建出各个元件和回路的仿真模型,为保证仿真模型的准确性以及方便对某些局部参数进行仿真研究,关键元件采用AMESim中HC
17、D库中的元件进行建模。本研究参考文献 17 2 1,搭建仿真模型如图3所示,主要结构参数设置如表1所示。第48 卷第2 期油液密度进口压力出口压力A1.节流阀块2.NC高速开关阀3.LVDT位移传感器4.复位弹簧5.节流阀芯6.节流阀套7.NO高速开关阀8.节流孔9.阀套10.弹簧11.阀芯图1三通比例调速阀结构图Fig.1 Structure diagram of three-way proportionalspeed regulating valveB径向磁铁外圈轴向定铁径向磁铁图3 三通比例调速阀仿真模型A图2 高水基三通比例调速阀液压原理图Fig.2 Three-way proport
18、ional speed regulatingvalve graphic symbol流量调节原理可根据节流阀流量方程进行分析:m=Cammx(1)P式中,Cam一节流阀流量系数m节流阀面积梯度x一节流阀芯开度Fig.3 Three-way proportional speed regulating如图3 所示,节流阀芯的控制方式为闭环PID控制。对于给定的阀芯位移信号,节流阀芯上的位移传感器输出其实际位移,将其与给定的位移信号进行对2(pi-P2)比,随后产生偏差信号到达PID控制器,PID控制器对输入的偏差进行运算发出控制信号,从而输出变占空比的PWM信号到达高速开关阀,实现对节流阀下控制腔
19、压力的控制,进而实现对节流阀芯位置的闭环控制。valve simulation modelA型半桥2024年第2 期表1三通比例调速阀仿真模型主要参数Tab.1Three way proportional speed regulating valvesimulation model main parameters参数节流阀阀芯直径/mm节流阀弹簧刚度/Nmm节流阀初始弹簧力/N节流阀下控制腔活塞直径/mm节流阀下控制腔活塞杆直径/mm压力平衡孔直径/mm定差溢流阀阀芯直径/mm定差溢流阀弹簧刚度/Nmm定差溢流阀初始弹簧力/N定差溢流阀前阻尼孔直径/mmPWM 频率/Hz线圈匝数高速开关阀芯行
20、程/mm高速开关阀复位弹簧刚度/Nmm=1高速开关阀初始弹簧力/N3仿真分析与特性研究3.1节流阀芯位置控制特性研究1)两种先导级液压半桥对阀芯位置闭环控制的影响如图3 所示,控制节流阀开口大小的先导级采用的是A型液压半桥,即输人和输出均为可变液阻,图4采用的是C型液压半桥,即输入为可变液阻,输出为固定液阻。对比两种先导液压半桥对节流阀位移的控制效果。在仿真开始2 s后给定节流阀芯3 mm的阶跃控制信号,持续时间2 s,随后再给定一个持续时间2s的阶跃位移7 mm的控制信号,图5为两种先导液压半桥的阀芯实际位移响应曲线。如图5所示,A型液压半桥相比C型液压半桥能够更快的响应所给定的阶跃位移控制
21、信号,且超调值较小,但是阀芯位移不如C型半桥稳定,会存在一定的波动。由于型半桥先导控制节流阀芯响应较慢,且超调较大,超调后调节修正幅度较缓,因此采用A型液压与气动数值328100453520365709.71903000.21251063图4C型液压半桥控制下的调速阀仿真模型Fig.4 Simulation model of speed regulating valveunder control of type C hydraulic half bridge86一给定位移信号-C型半桥uu/x4200图5两种半桥控制下的节流阀芯位移响应曲线Fig.5Throttle core displace
22、ment responsecurve under control of two half-bridges液压半桥。2)节流阀下控制腔容积以及弹簧刚度对节流阀芯响应给定阶跃信号的影响节流阀下控制腔容积对阀芯响应阶跃信号的影响曲线,如图6 所示。通过改变节流阀芯台肩直径的大小来改变下控制腔容积的大小。仿真开始1s后给定节流阀芯3 mm的阶跃位移信号,持续时间3 s。如图6 所示,下控制腔节流阀芯直径不变,随着台肩直径的增大,下控制腔容积变大,在最初阶段节流阀芯响应阶跃信号变慢,但是随后能快速的达到给定的位置,且阀芯位移波动较小,有利于其前后压差的稳定,进而维持输出流量的稳定。分析可知,最初的响应1
23、23t/s45664阶跃信号变慢是由于控制腔容积变大,而工作介质填充容积腔需要一定的时间,随后较快的达到给定信号是由于其液压作用面积变大,因此能够更快、更稳定的到达指定位置。43u/x2100图6不同台肩直径阀芯对阶跃信号的响应曲线Fig.6 Response curve of spool with differentshoulder diameter to step signal节流阀块中复位弹簧刚度的大小对阀芯响应阶跃信号也有一定的影响,给定阀芯同图6 中的阶跃信号进行仿真,仿真结果如图7 所示。仿真结果表明,随着复位弹簧刚度的降低,阀芯响应阶跃信号更快。32/00图7弹簧刚度对阀芯响应阶
24、跃信号的影响曲线Fig.7Influence curve of spring stiffness on spoolresponse step signal如图8 所示,对于给定的多个阶跃控制信号,节流阀芯都可以到达指定的位置。验证了闭环PID+PWM信号控制高速开关阀进而控制节流阀开口的可行性。3.2压差稳定对调速阀特性的影响1)节流阀位移-流量特性仿真曲线如图9 所示,给定节流阀芯0 4mm的位移控制信号,观察调速阀所输出的流量。图10 所示设置不同溢流阀调定压差下的调速阀流量曲线。经过计算,设定弹簧预紧力3 0 4.18,50 6.0,7 0 9.8 N分别模拟调定压差0.3,0.5,0.
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