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, 朱明亮, 王宏伟, 付 翔

(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 030032; 4.太原理工大学 矿业工程学院, 山西 太原 030024)

引言

近年以来煤矿智能化逐步走向广泛的应用[1],煤矿综采工作面智能化技术与装备在我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亟需解决的关键问题[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[11]研制了音圈电机驱动双先导级大流量水压比例插装阀;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400 L/min,额定压力35 MPa,传动介质为高水基乳化液。传统的滑阀式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。

1.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0.5～0.7 MPa。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入溢流阀弹簧腔,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。

图2 高水基三通比例调速阀液压原理图

流量调节原理可根据节流阀流量方程进行分析:

(1)

式中,Cdm—— 节流阀流量系数

ωm—— 节流阀面积梯度

x—— 节流阀芯开度

ρ—— 油液密度

p1—— 进口压力

p2—— 出口压力

节流阀进出口压力差p1-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入节流阀下控制腔的流量,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HCD库中的元件进行建模。本研究参考文献[17-21],搭建仿真模型如图3所示,主要结构参数设置如表1所示。

表1 三通比例调速阀仿真模型主要参数

图3 三通比例调速阀仿真模型

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压力的控制,进而实现对节流阀芯位置的闭环控制。

3 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,即输入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2 s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。

图4 C型液压半桥控制下的调速阀仿真模型

图5 两种半桥控制下的节流阀芯位移响应曲线

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C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1 s后给定节流阀芯3 mm的阶跃位移信号,持续时间3 s。

图6 不同台肩直径阀芯对阶跃信号的响应曲线

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。

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。

图7 弹簧刚度对阀芯响应阶跃信号的影响曲线

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。

图8 节流阀阀芯位移响应曲线

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0～4 mm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304.18, 506.0, 709.8 N分别模拟调定压差0.3, 0.5, 0.7 MPa。

图9 位移-流量特性曲线

图10 不同压差下位移-流量特性曲线

如图9所示,在节流阀阀口关闭时,系统流量通过定差溢流阀全流量溢流,当节流阀开口缓慢变大时,节流阀所输出的流量也会相应的逐渐变大,经过溢流阀所溢流的流量逐渐减小,两者之和等于系统流量,仿真结果与理论分析吻合。图10所示仿真曲线表明,不同压差下该阀均可保持较好流量调控性能;阀口流量增益随着阀口开度增大而趋于变小。

2) 溢流阀弹簧刚度对压差稳定的影响

为了研究定差溢流阀刚度对压差稳定性的影响,如图11所示,用比例溢流阀模拟调速阀出口的负载压力。由于调速阀的压差是由定差溢流阀芯上的弹簧调定的,对其弹簧刚度做批量仿真,给定节流阀芯同图8中的控制信号。

图11 比例溢流阀模拟的突变负载变化曲线

如图12所示,由于溢流阀在应对突变负载工况实现压力补偿时其阀芯位移较小,只有在节流阀处于关闭状态的2 s内,由于全部流量从溢流阀溢流产生的压力冲击使其位移达到了1.1 mm左右,在其他不同的节流阀开口下,其位移都比较小。2～4 s的波动是由于节流阀过流面积的波动产生的,不同弹簧刚度对其调定压差影响较小。

图12 定差溢流阀阀芯位移曲线

图13 不同弹簧刚度下的溢流阀调定压差曲线

3) 溢流阀调定压差对调速阀输出流量的影响

如图14所示,对定差溢流阀的调定压差进行批量仿真,观察其不同压差下调速阀的输出流量曲线。溢流阀的调定压差的改变通过设置其弹簧预紧力实现[13]。经过计算,设定弹簧预紧力304.2, 507.0, 709.8, 912.5 N分别模拟调定压差0.3, 0.5, 0.7, 0.9 MPa,给定节流阀芯3 mm的阶跃信号。

图14 不同调定压差下的调速阀流量曲线

仿真结果表明,节流阀开度不变的情况下,随着压差的增大,调速阀输出流量也会稳定的增长,调速阀流量稳定性较好。

4) 调速阀突变负载工况下压力补偿特性分析

如图15所示,在仿真开始1 s时给定节流阀芯3 mm 的阶跃位移信号,使阀芯节流阀维持在一固定开度,通过给定比例节流阀不同电信号模拟负载突变的工况,仿真表明,该三通调速阀可以实现负载突变下的压力补偿功能,保证调速阀输出的流量只与节流阀的过流面积有关,不受突变负载的影响,调速阀具有良好的流量调节刚度。

图15 三通比例调速阀在负载突变下的流量曲线

4 结论

通过对高水基三通比例调速阀的结构设计、建模、仿真分析和特性研究,得出以下结论:

(1) 高速开关阀先导驱动节流阀阀芯的位置闭环控制相关仿真表明,在本案中A型先导液压半桥相比C型对于阀芯的位置控制效果更佳, 可以较快到达指定位置且超调较小;

(2) 节流阀下控制腔容积越大,阀的响应越慢,控制腔内液压力作用面积越大,阀芯位移波动越小。弹簧刚度越小,节流阀芯位移响应越快;

(3) 调速阀进出口压差稳定相关仿真表明,定差溢流阀弹簧刚度对压差稳定性影响不大;

(4) 基于高速开关阀为先导阀的高水基三通比例调速阀原理、功能正确,具有良好的流量调节特性,可为该阀的开发提供理论参考。