高速開關閥先導驅動高水基大流量比例調速閥的設計與仿真

李永安, 朱明亮, 王宏偉, 付 翔

(1.山西省煤礦智能裝備工程研究中心, 山西 太原 030024; 2.太原理工大學 機械與運載工程學院, 山西 太原 030024;3.智能采礦裝備技術全國重點實驗室, 山西 太原 030032; 4.太原理工大學 礦業工程學院, 山西 太原 030024)

引言

近年以來煤礦智能化逐步走向廣泛的應用[1],煤礦綜采工作面智能化技術與裝備在我國越來越多的煤礦進行推廣和應用。與傳統采煤工藝相比,綜采智能化對裝備的可控性和控制精度提出了更高的要求。目前液壓支架在移架和推溜過程中采用的是通斷式電液元件,即無法通過控制流量對其速度進行精確控制[2],導致系統壓力波動和沖擊大,無法實現液壓支架推溜位置的精確控制,影響了刮板輸送機的調直度。調直問題已經成為綜采工作面自動化建設亟需解決的關鍵問題[3-4]。因此,研制適用于支架液壓系統的高水基、高壓、大流量的比例調速閥,實現支架推溜油缸多種模式下的高效、精確控制是解決這一問題的直接、有效途徑。

現有液壓油介質比例節流閥、調速閥均難以滿足井下高壓、高水基和抗污染能力弱等復雜工況。袁海麗等[5]針對某插裝式調速閥的工作原理和實際結構進行研究,利用AMESim中的元件設計庫搭建其仿真模型,對調速閥關鍵參數進行仿真研究,提出了改善調速閥流量動態響應的方案;陶柳等[6]設計了一種外控恒壓調速閥,利用AMESim仿真軟件建立仿真模型進行動態分析,仿真結果表明外控恒壓調速閥對系統流量穩定提升有顯著作用;黃家海等[7-9]對多種先導型式驅動的比例調速閥做了詳細的研究。這些研究主要針對液壓油介質調速閥展開,相關研究成果可供參考的內容有限。靳天毅等[10]設計了一種適用于支架工況的新型旋轉式旁通型數字調速閥,該閥用步進電機驅動,主閥采用轉閥結構,定差溢流閥采用滑閥結構;韓明興[11]研制了音圈電機驅動雙先導級大流量水壓比例插裝閥;德國某公司也有水壓大流量比例節流閥成熟產品;張增猛等[12]研究了一種音圈電機驅動水液壓節流閥,但均無壓力補償功能;朱碧海等[13-14]分別研究了水液壓數字比例閥和基于高速開關閥的三位四通水壓比例閥,為開關閥先導控制水壓比例閥做了有益的探索。本研究設計了一種基于高速開關閥作為先導級,主閥采用二通插裝閥結構,具備壓力補償功能,適用于綜采乳化液支架液壓系統高水基高壓大流量比例調速閥,并對該閥的相關功能、特性進行了仿真分析,為其研制提供理論支持。

1 三通比例調速閥結構及工作原理

本閥設計額定流量400 L/min,額定壓力35 MPa,傳動介質為高水基乳化液。傳統的滑閥式閥芯存在較大的泄漏、潤滑差、易卡死等缺點,因此調速閥的先導閥選用錐閥結構的高速開關閥,主閥采用通油能力和抗污染能力強、響應快[15-16]的二通插裝閥結構。

該調速閥的結構如圖1所示,由節流閥塊、比例節流閥組件、阻尼孔、定差溢流閥組件組成。比例節流閥主要包括LVDT位移傳感器、復位彈簧、節流閥芯、節流閥套和高速開關閥組成,定差溢流閥組件主要包括彈簧、閥芯和閥套,并在溢流閥彈簧腔前加入一個阻尼孔來穩定溢流閥的調定壓差。

1.節流閥塊 2.NC高速開關閥 3.LVDT位移傳感器 4.復位彈簧 5.節流閥芯 6.節流閥套 7.NO高速開關閥 8.節流孔 9.閥套 10.彈簧 11.閥芯

圖1中高速開關閥組成一個A型液壓半橋,控制節流閥下控制腔,彈簧用于閥芯復位,主閥芯開口量由LVDT位移傳感器檢測,實現節流閥芯閉環位置控制。當高速開關閥一直處于關閉狀態時,流量經過節流閥芯上的壓力平衡孔使閥芯受力平衡,節流閥關閉,流量全部經過溢流閥的溢流口溢流,溢流壓力約為0.5～0.7 MPa。當節流閥處于開啟狀態,進油口處液壓油抵達節流閥塊進油口以及溢流閥非彈簧腔,同時工作口處液壓油經阻尼孔引入溢流閥彈簧腔,定差溢流閥通過溢流來調整節流閥閥口壓差約等于定差溢流閥設定壓力。

圖2為三通比例調速閥的液壓原理圖,高速開關閥S1,S2作節流閥的先導控制閥,S1,S2可以看作兩個可變的阻尼孔,構成A型液壓半橋控制節流閥芯下控制腔的壓力。系統乳化液到達調速閥進油口A,同時引出一部分液壓油到達先導閥,通過控制高速開關閥S1,S2的開口大小來控制調速閥閥芯開度。定差溢流閥一方面用于穩定節流閥進出口壓差,另一方面在節流閥關閉時,系統流量可以低壓卸荷至液箱。

圖2 高水基三通比例調速閥液壓原理圖

流量調節原理可根據節流閥流量方程進行分析:

(1)

式中,Cdm—— 節流閥流量系數

ωm—— 節流閥面積梯度

x—— 節流閥芯開度

ρ—— 油液密度

p1—— 進口壓力

p2—— 出口壓力

節流閥進出口壓力差p1-p2基本維持恒定,由定差溢流閥確定,通過節流閥口的流量與節流閥閥芯位移成正比。高速開關閥通過頻繁啟閉控制進入節流閥下控制腔的流量,進而控制下控制腔的壓力,實現對節流閥芯位移的控制,通過LVDT位移傳感器檢測節流閥芯開度,實現節流閥芯開度的閉環精確控制。

2 基于AMESim的三通比例調速閥模型構建

根據三通調速閥的結構與工作原理,利用AMESim搭建出各個元件和回路的仿真模型,為保證仿真模型的準確性以及方便對某些局部參數進行仿真研究,關鍵元件采用AMESim中HCD庫中的元件進行建模。本研究參考文獻[17-21],搭建仿真模型如圖3所示,主要結構參數設置如表1所示。

表1 三通比例調速閥仿真模型主要參數

圖3 三通比例調速閥仿真模型

如圖3所示,節流閥芯的控制方式為閉環PID控制。對于給定的閥芯位移信號,節流閥芯上的位移傳感器輸出其實際位移,將其與給定的位移信號進行對比,隨后產生偏差信號到達PID控制器,PID控制器對輸入的偏差進行運算發出控制信號,從而輸出變占空比的PWM信號到達高速開關閥,實現對節流閥下控制腔壓力的控制,進而實現對節流閥芯位置的閉環控制。

3 仿真分析與特性研究

3.1 節流閥芯位置控制特性研究

1) 兩種先導級液壓半橋對閥芯位置閉環控制的影響

如圖3所示,控制節流閥開口大小的先導級采用的是A型液壓半橋,即輸入和輸出均為可變液阻,圖4采用的是C型液壓半橋,即輸入為可變液阻,輸出為固定液阻。對比兩種先導液壓半橋對節流閥位移的控制效果。在仿真開始2 s后給定節流閥芯3 mm的階躍控制信號,持續時間2 s,隨后再給定一個持續時間2 s的階躍位移7 mm的控制信號,圖5為兩種先導液壓半橋的閥芯實際位移響應曲線。

圖4 C型液壓半橋控制下的調速閥仿真模型

圖5 兩種半橋控制下的節流閥芯位移響應曲線

如圖5所示,A型液壓半橋相比C型液壓半橋能夠更快的響應所給定的階躍位移控制信號,且超調值較小,但是閥芯位移不如C型半橋穩定,會存在一定的波動。由于C型半橋先導控制節流閥芯響應較慢,且超調較大,超調后調節修正幅度較緩,因此采用A型液壓半橋。

2) 節流閥下控制腔容積以及彈簧剛度對節流閥芯響應給定階躍信號的影響

節流閥下控制腔容積對閥芯響應階躍信號的影響曲線,如圖6所示。通過改變節流閥芯臺肩直徑的大小來改變下控制腔容積的大小。仿真開始1 s后給定節流閥芯3 mm的階躍位移信號,持續時間3 s。

圖6 不同臺肩直徑閥芯對階躍信號的響應曲線

如圖6所示,下控制腔節流閥芯直徑不變,隨著臺肩直徑的增大,下控制腔容積變大,在最初階段節流閥芯響應階躍信號變慢,但是隨后能快速的達到給定的位置,且閥芯位移波動較小,有利于其前后壓差的穩定,進而維持輸出流量的穩定。分析可知,最初的響應階躍信號變慢是由于控制腔容積變大,而工作介質填充容積腔需要一定的時間,隨后較快的達到給定信號是由于其液壓作用面積變大,因此能夠更快、更穩定的到達指定位置。

節流閥塊中復位彈簧剛度的大小對閥芯響應階躍信號也有一定的影響,給定閥芯同圖6中的階躍信號進行仿真,仿真結果如圖7所示。仿真結果表明,隨著復位彈簧剛度的降低,閥芯響應階躍信號更快。

圖7 彈簧剛度對閥芯響應階躍信號的影響曲線

如圖8所示,對于給定的多個階躍控制信號,節流閥芯都可以到達指定的位置。驗證了閉環PID+PWM信號控制高速開關閥進而控制節流閥開口的可行性。

圖8 節流閥閥芯位移響應曲線

3.2 壓差穩定對調速閥特性的影響

1) 節流閥位移-流量特性仿真曲線

如圖9所示,給定節流閥芯0～4 mm的位移控制信號,觀察調速閥所輸出的流量。圖10所示設置不同溢流閥調定壓差下的調速閥流量曲線。經過計算,設定彈簧預緊力304.18, 506.0, 709.8 N分別模擬調定壓差0.3, 0.5, 0.7 MPa。

圖9 位移-流量特性曲線

圖10 不同壓差下位移-流量特性曲線

如圖9所示,在節流閥閥口關閉時,系統流量通過定差溢流閥全流量溢流,當節流閥開口緩慢變大時,節流閥所輸出的流量也會相應的逐漸變大,經過溢流閥所溢流的流量逐漸減小,兩者之和等于系統流量,仿真結果與理論分析吻合。圖10所示仿真曲線表明,不同壓差下該閥均可保持較好流量調控性能;閥口流量增益隨著閥口開度增大而趨于變小。

2) 溢流閥彈簧剛度對壓差穩定的影響

為了研究定差溢流閥剛度對壓差穩定性的影響,如圖11所示,用比例溢流閥模擬調速閥出口的負載壓力。由于調速閥的壓差是由定差溢流閥芯上的彈簧調定的,對其彈簧剛度做批量仿真,給定節流閥芯同圖8中的控制信號。

圖11 比例溢流閥模擬的突變負載變化曲線

如圖12所示,由于溢流閥在應對突變負載工況實現壓力補償時其閥芯位移較小,只有在節流閥處于關閉狀態的2 s內,由于全部流量從溢流閥溢流產生的壓力沖擊使其位移達到了1.1 mm左右,在其他不同的節流閥開口下,其位移都比較小。2～4 s的波動是由于節流閥過流面積的波動產生的,不同彈簧剛度對其調定壓差影響較小。

圖12 定差溢流閥閥芯位移曲線

圖13 不同彈簧剛度下的溢流閥調定壓差曲線

3) 溢流閥調定壓差對調速閥輸出流量的影響

如圖14所示,對定差溢流閥的調定壓差進行批量仿真,觀察其不同壓差下調速閥的輸出流量曲線。溢流閥的調定壓差的改變通過設置其彈簧預緊力實現[13]。經過計算,設定彈簧預緊力304.2, 507.0, 709.8, 912.5 N分別模擬調定壓差0.3, 0.5, 0.7, 0.9 MPa,給定節流閥芯3 mm的階躍信號。

圖14 不同調定壓差下的調速閥流量曲線

仿真結果表明,節流閥開度不變的情況下,隨著壓差的增大,調速閥輸出流量也會穩定的增長,調速閥流量穩定性較好。

4) 調速閥突變負載工況下壓力補償特性分析

如圖15所示,在仿真開始1 s時給定節流閥芯3 mm 的階躍位移信號,使閥芯節流閥維持在一固定開度,通過給定比例節流閥不同電信號模擬負載突變的工況,仿真表明,該三通調速閥可以實現負載突變下的壓力補償功能,保證調速閥輸出的流量只與節流閥的過流面積有關,不受突變負載的影響,調速閥具有良好的流量調節剛度。

圖15 三通比例調速閥在負載突變下的流量曲線

4 結論

通過對高水基三通比例調速閥的結構設計、建模、仿真分析和特性研究,得出以下結論:

(1) 高速開關閥先導驅動節流閥閥芯的位置閉環控制相關仿真表明,在本案中A型先導液壓半橋相比C型對于閥芯的位置控制效果更佳, 可以較快到達指定位置且超調較小;

(2) 節流閥下控制腔容積越大,閥的響應越慢,控制腔內液壓力作用面積越大,閥芯位移波動越小。彈簧剛度越小,節流閥芯位移響應越快;

(3) 調速閥進出口壓差穩定相關仿真表明,定差溢流閥彈簧剛度對壓差穩定性影響不大;

(4) 基于高速開關閥為先導閥的高水基三通比例調速閥原理、功能正確,具有良好的流量調節特性,可為該閥的開發提供理論參考。