矿用大流量比例阀动态特性建模与仿真研究

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(1.太原理工大学机械与运载工程学院， 山西太原 030024； 2.煤矿综采装备山西省重点实验室， 山西太原 030024)

引言

目前，煤矿井下开采支护工作面是由液压支架提供安全的工作空间，液压支架的高压大流量液压系统仍然使用开关阀组进行控制。在一些需要通过阀组对液压缸进行精确调整的工况下，如液压支架姿态精确调整，对刮板输送机的校直等，普通开关阀组不能满足支架精确定位的使用要求。因此研制高压大流量比例控制阀，对解决液压支架存在流量不可控、定位不准确等问题具有突破性进展。李胜等[1]以二维电液比例换向阀为研究对象，通过分析工作原理，建立数学模型，分析动态特性及稳定性；利用软件进行仿真，模拟直动与比例控制，得出结构参数对其性能的影响，为2D阀设计时关键结构的选取提供依据；最后进行试验验证，实验结果与理论仿真分析一致。张勇等[2]对采用流量放大原理的Valvistor型插装阀稳定性及性能进行研究，建立相应的数学模型得出该阀的稳定性条件，发现主阀稳定性与先导阀的开口量及面积增益有关，并在SmiluationX软件环境中建立该阀的仿真模型，得出关键结构参数对稳定性的影响，并利用实验对其进行验证。YE Zhengmao等[3]为研究插装式比例换向阀阻尼孔堵死与漏油现象对换向阀的影响，建立AMESim仿真模型，研究结果为插装式比例换向阀的故障诊断和维修提供了理论依据。WANG Xianfeng 等[4]利用仿真软件AMESim建立了电液比例安全阀的模型，并根据不同阶跃信号绘制阀口压力特性曲线。研究了油的弹性模量对阀动态特性的影响，为电液比例安全阀的设计提供数据支持。

本研究针对新型矿用大流量比例阀工作原理，利用AMESim仿真分析不同控制信号下阀芯性能，得到最优控制信号，同时分析不同结构参数对比例阀的影响，研究结果对于新型比例阀的设计和性能优化具有重要参考意义。

1 比例阀结构原理介绍

如图1所示新型矿用大流量比例阀结构图，比例工作时，电机驱动丝杠螺母运转带动先导阀驱动件将先导阀进液阀芯打开，高压液由进液流道进入主阀控制腔，首先将主阀芯回液口关闭，再继续推动主阀进液阀芯右移，此时主阀进液阀芯节流窗口打开，输出流量，直至先导阀进液阀芯再次关闭，先导进液阀嵌套在主进液阀芯中，存在机械位置反馈，实现主阀进液阀芯异步跟随先导阀进液阀芯。关闭时，电机带动丝杠螺母和先导阀驱动件向左移动，先导阀回液阀芯与顶杆同步随动左移，主阀控制腔液体与回液口连通，主阀进液阀芯异步跟随先导回液阀芯左移，直到先导回液阀口再次关闭， 这样关闭过程也实现三芯随动控制。 由于输入电信号与先导进液阀芯位移成比例， 主进液阀芯始终跟随先导进液阀芯运动，根据流量公式，主阀输出流量受控于主阀芯位移，这样就实现了对流量的精确控制。

1.电机 2.先导进液阀 3.先导回液阀 4.主进液阀 5.主回液阀 6.丝杆图1 新型矿用大流量比例阀结构图

2 比例阀AMESim仿真分析

根据比例阀结构与工作原理，在AMESim中运用Hydraulic component Design库和Mechanical库建立比例阀模型。由于电机丝杆可看作比例延迟环节[5]，因此在信号库可直接引入continuousdelay比例环节CD001子模型代替电机丝杆运动；比例阀模型考虑4部分结构：先导进液阀、先导回液阀、主进液阀、主回液阀。由于先导进液阀与先导回液阀具有相同位移量，先导进液阀与主进液阀具有位置反馈，故使用MECDSOB位移传感器子模型对其进行级间位置反馈模拟；由于先导进液阀套由主进液阀芯组成，先导进液阀芯与阀套之间存在相对位移，故采用BRP21球阀子模型模拟相对位移；由于主阀采用三角形非全周开口，故使用BA00022非全周开口子模型，设置相关参数模拟；通过建立比例阀AMESim模型，按照实际物理系统构建仿真模型[6]，用半实物化图形的方式来模拟比例阀，可快速分析比例阀动态特性及相关结构参数对整阀性能的影响，建立仿真模型如图2所示。

图2 比例阀仿真模型

2.1 不同信号直接启动分析

1) 阶跃信号开启

阶跃响应仿真主要研究输入阶跃信号时系统稳定性以及参数对性能的影响[7]。从图3中可以看出系统在0.2 s时达到峰值，出现少量超调，大约有4%，但很快趋于稳定。先导阀打开后，先导流量瞬间进入主阀控制腔，最终稳定在5 L/min，流量的进入使主阀控制腔的压力升高，最终稳定在开启压力22.5 MPa，这满足实际使用要求，说明建立的仿真模型可靠。

2) 斜坡信号开启

在0.1 s时对先导阀输入斜坡信号，先导阀与主阀位移、速度曲线如图4、图5所示。随着斜坡信号增大，先导阀芯开启，主阀跟随先导阀芯开启，从图中可以看出，在a点处时，主阀响应速度超过先导阀芯20倍，至使主阀阀芯产生振动，随后趋于稳定，在b点时主阀芯速度与先导阀芯速度一致。因此在斜坡信号输入时，应避免阀芯较小范围的移动。

图3 阶跃响应下压力-位移-流量曲线

图4 斜坡信号位移曲线

图5 斜坡信号速度曲线

2.2 不同信号比例开启分析

1) 阶跃信号比例开启

新型矿用大流量比例阀既可实现比例控制，也可作为开关阀使用。实现比例控制，实际要求先导级与主级结构能够较好匹配[8]。因此对大流量比例阀的比例开启-关闭过程进行仿真，首先输入阶跃信号进行比例开启，如图6先导进液阀与主阀位移曲线，图7先导进液阀与主阀速度曲线，图8启闭过程先导阀流量曲线所示，A-B为比例开启阶段，先导阀快速开启，先导阀进液阀液体进入主阀控制腔，导致控制腔压力提升，使主阀跟随响应。从图中可以看出，小开启量时，主阀超调量较大，响应速度较快，主阀速度为先导阀速度6倍，可见阀芯冲击较大[9]，但随着开启量变大，主阀超调量变小，响应速度变慢。B-C为比例关闭阶段，先导进液阀比例关闭，主阀控制腔不再进液，先导回液阀打开，主阀弹簧使主阀复位，主阀异步跟随关闭。无论开启还是关闭过程，都实现先导进液阀、先导回液阀、主进液阀的异步跟随运动，从而对流量进行精确控制。从图8中可以看出，在比例启闭过程中，先导回液阀有轻微的泄漏，对于整阀的影响可以忽略。

图6 先导进液阀与主阀位移曲线

图7 先导进液阀与主阀速度曲线

2) 斜坡信号比例开启

参照对于比例阀的阶跃与斜坡信号的直动分析，设置斜坡信号和阶跃信号的比例开启过程，比较两种控制信号优缺点，最终得出较好的控制信号。对先导阀输入阶段型的斜坡信号，比例阀阀芯位移、速度如图9、图10所示。A-B段时以斜坡信号阶段开启，主阀跟随先导阀运动，在速度图中d点速度要比e点速度大1.5倍，所以在峰值点a处超调要比b处稍大，但相对于比例阶跃信号的开启超调量要小97%，最大速度也要小10 mm/s，因此以斜坡信号进行比例控制效果较好。

图8 启闭过程先导阀流量曲线

图9 斜坡开启阶段阀芯位移曲线

图10 斜坡开启阶段阀芯速度曲线

2.3 主要参数对主阀性能影响

1) 主阀控制腔直径影响

主阀控制腔直径是比例阀设计过程的重要参数之一。从图11与图12中可以看出，主阀控制腔直径越大，表示主阀腔容积越大，系统超调量变小，但是相应响应速度变小。因此设计过程中要合理考虑主阀控制腔直径，仿真结果表明主阀控制腔直径选25 mm时最佳。

图11 不同主阀控制腔直径阀芯位移曲线

图12 不同主阀控制腔直径阀芯速度曲线

2) 主阀弹簧刚度的影响

从图13中可以看出，随着主阀弹簧刚度增大，系统响应时间变慢，系统稳定性变差，但是这种影响很小，这是由于主阀弹簧只对阀芯起到复位作用，弹簧力远远小于其他作用于阀芯上的力，因此设计时主阀弹簧刚度不宜过大。

图13 不同主阀弹簧刚度阀芯位移曲线

3) 主阀质量的影响

主阀质量是影响阀芯稳定性的重要因素[10]，从图14中可以看出，随着主阀质量的增加，系统稳定性变差，振荡加剧。所以设计时主阀质量应尽可能小，取值在100～200 g之间。

图14 不同主阀质量阀芯位移曲线

4) 先导阀前端阻尼孔直径的影响

先导阀前端阻尼孔直径的大小直接影响进入主阀控制腔的流量，进而影响主阀性能[11]，从图15、图16中可以看出，阻尼孔越小，系统响应越慢，但是随着阻尼孔变大，系统响应变快，速度变大，超调量增大，阻尼孔对于主阀性能影响较大，通过理论及仿真分析，设计先导阀前端阻尼孔取0.8 mm时，系统性能最好。

图15 不同先导阀前端阻尼孔直径阀芯位移曲线

图16 不同阻尼孔直径阀芯速度曲线

5) 先导回液阀参数影响

比例阀开启过程中，先导流量进入主阀控制腔，先导回液阀关闭，不使液体从先导回液阀泄漏，同时要求先导回液阀始终跟随主阀运动，才能使主阀控制腔压力达到要求，所以先导回液阀是否能够很好的关闭对于主阀性能也具有影响。在此对于先导回液阀进行研究。如图17所示，先导回液弹簧刚度越大，先导回液阀芯被打开的幅度越小，泄漏量也就越小，稳定性越好，但是大于80 N/mm时会产生振动，因此设计时先导回液弹簧刚度取50 N/mm最合适；如图18所示，先导回液阀芯质量过大过小都会使阀芯振动严重[12]，故先导回液阀芯质量取5 g左右较为合适。

图17 先导回液弹簧刚度对先导回液阀影响

图18 先导回液阀质量对先导回液阀影响

3 结论

对于新型矿用大流量比例阀结构原理进行介绍，利用AMESim软件搭建比例阀仿真模型进行仿真分析，通过比较不同控制信号优劣，得出最优控制信号；同时分析不同结构参数对主阀动态性能的影响，得出以下结论：

(1) 通过 AMESim 仿真实验，对斜坡信号和阶跃信号下的直动与比例控制的阀芯性能进行分析，发现无论在斜坡信号还是在阶跃信号下，阀芯在小开口时的超调量较大，大开口时的超调较小，但是阶跃信号时，比例阀直接开启性能更好；斜坡信号的比例控制相较于阶跃信号的比例控制最大超调量要小97%，所以主级能更好的跟随先导级运动，能够满足快速、稳定的使用要求。因此在直接开启时，使用阶跃信号控制整阀性能较好；在比例开启时，使用斜坡信号控制整阀性能更优；

(2) 研究主阀弹簧刚度、主阀质量、主阀控制腔直径、先导阀前端阻尼孔直径在阶跃信号下的比例阀响应性能，发现主阀弹簧刚度相对于其他参数对比例阀性能影响较小，但仍不宜过大；主阀质量应该控制在100～200 g之间；先导阀前端阻尼孔取0.8 mm；主阀控制腔直径取25 mm；同时对于先导回液阀在比例启闭过程中是否能够达到使用要求进行分析，得出先导回液阀质量取5 g、先导回液弹簧刚度取50 N/mm时，先导回液阀能够达到良好的工作性能。