结构参数对液压支架双级安全阀动态特性的影响

苏 波

（中天合创能源有限责任公司葫芦素煤矿，内蒙古 鄂尔多斯 017399）

液压支架中的安全阀是液压支架安全保护元件及安全控制系统中十分重要的部件，安全阀的质量对液压支架的整体性能有着非常重大的影响，在冲击机械、搅拌机械、挖掘机械等大型设备的控制系统中，安全阀的一项重要作用就是确保系统的安全。

当设备遭受超过其可承受的力或在工作中出现故障将对工作人员或设备产生危害时，安全阀能够自动卸荷分流进而达到对人员设备的安全保护，预防重大事故的发生[1-4]。

1 双级安全阀结构及工作原理

图1 双级安全阀结构图

2 双级安全阀建模

忽略了瞬态的液动力、阀芯的自重和运动摩擦力、阀口及安全阀内部的泄漏、工作液等一些对仿真结果影响较小的参数。对双级安全阀进行数学建模。

（1）主阀芯进液口流量方程

式中：Qs为主阀芯入口流量，m3/s；Ps为安全阀进口压力，MPa；β为液体弹性模量，N/m2；A1为小阀芯入口面积，m2；Vs1为直动阀内液体体积，m3。

（2）小阀芯出液口流量方程

式中：Q1为小阀芯流量，m3/s；W为过流湿周，m；Cd为流量系数；x1为小阀芯位移，m；Po为安全阀出口压力，MPa；ρ为液体密度，kg/m3。

（3）小阀芯运动方程

式中：m1为小阀芯质量，kg；B为等效阻尼系数，N·s/m；Kt1为内弹簧刚度，N/m；L1为内弹簧预压缩量，m；Ks为液动力刚度系数，N/m。

（5）对外开放程度的提升同样对产城融合发展水平的提高具有一定的正向作用。对外开放程度的影响系数为1.011，这说明在其他因素保持不变的前提下，当外商直接投资额每上升1个百分点，产城融合发展指数将上升1.011个百分点。这是因为随着外商直接投资额的不断上升，大量先进的生产技术、管理经验被引入，增加了工作岗位，不但促进了产业发展，也助力了城镇化的推进。

（4）主阀芯进液口流量方程

式中：A2为主阀芯进口截面积，m2；Vs2为主阀芯内液体体积，m3。

（5）主阀芯出液口流量方程

式中：x2为主阀芯位移，m。

（6）主阀芯运动方程

因主阀芯与小阀芯的结构差异，使得主阀芯受到环形差动面积产生的轴向液压力Ps·ΔA，所以主阀芯的运动方程为：

式中：m2为主阀芯质量，kg；ΔA为主阀芯的差动面积，m2；Kt2为外弹簧刚度，N/m；L2为外弹簧预压缩量，m。

根据式（1）～（6）,利用MATLAB/simulink模块，将安全阀分为阀口流量方块图部分、连续性方块图部分和阀芯运动方块图部分，建立双级安全阀仿真模型如图2。

图2 双级安全阀差动式结构方块图

利用双级安全阀的仿真模型对双级安全阀工作特性进行仿真，得到双级安全阀的动态特性曲线如图3。

图3 双级安全阀的动态特性曲线

由图3 可知，双级安全阀输出压力特性随着时间呈阶跃特性变化，在0.001 s 内压力上升至开启压力最大值54 MPa，在0.001～ 0.004 s 出现波动并随着时间历程约在0.004 s 稳定在48 MPa 左右。

3 结构参数对双级安全阀动态特性的影响

3.1 主阀芯质量

图4 显示了不同主阀芯质量时双级安全阀的动态特性曲线。由图可以看出，随着阀芯质量的增加，安全阀的输出压力峰值、波动峰值均呈增加趋势，波动调整时间、超调量不断变大，但稳定值几乎不变，因此在进行设计时应根据阀的结构，尽可能减小主阀芯的质量，保证安全阀拥有良好的动态特性。

图4 不同阀芯质量下差动式结构仿真曲线

3.2 阻尼系数

对安全阀来说阻尼系数严重影响其动态特性。图5 显示阻尼系数不同时安全阀的动态特性曲线。由图5 可知：当阻尼系数不断增大时，虽然安全阀输出压力幅值逐渐减小，当阻尼系数较大时，超调量比较小，波动也较小，稳态调整时间也较小，但阻尼系数的不同对安全阀的稳定压力没有影响。

图5 不同的阻尼数对安全阀输出压力的影响

3.3 弹簧刚度K

不同的弹簧刚度K 对溢流阀的动态响应性能也有着非常重要的影响，因此在设计溢流阀时必须慎重选取。图6 给出了在不同的弹簧刚度K 条件下安全阀的动态特性变化。弹簧刚度取值分别为4.8×105N/m、3.8×105N/m 和2.8×105N/m。由图可以看出，随着弹簧刚度K 的变化，阀的进口压力也跟着不断变化，且随着K 变大负超调也不断变大。不同弹簧刚度K 下的输出压力变化如图6。

图6 不同弹簧刚度K 下的输出压力变化

3.4 差动面积A

在第二级大流量差动式结构中差动面积A 是十分重要的参数，不同的差动面积对差动级的动态特性会产生非常大的影响。差动式结构与直动式结构相比其最大的优点就是噪声小，工作平稳，并且可以增加安全阀的使用时间。由图7 可知采用不同的差动面积时安全阀的动态特性变化，当差动面积不断变大，显示出阀的动态特性也在变好，随着调定压力不断增大动态调节的时间不断减小，并且超调量也变得越来越好，稳定时间也缩小了。因此差动面积的选择对阀的动态特性有着非常重要的影响。

图7 不同差动面积下输出压力的变化

4 结论

本文通过对双级安全阀的结构参数进行仿真，主要得到如下结论：

（1）随着阀芯质量m 的变化，安全阀的输出压力并没有太大的改变，但是随着主阀芯的质量不断增大，动态调整时间、超调量也在不断变大。

（2）进口横截面积过大，会使得阀的控制不稳定，而进口面积过小时会使输出压力变得过大，而且很难控制。反而当进口横截面积过大时，输出压力就会变小，不能够达到预先所要求的控制压力，且动态调整时间较长。

（3）当阻尼系数不断增大时，虽然安全阀幅值逐渐减小，幅度变化却不大。当阻尼较大时，超调量比较小，波动也较小，稳态调整时间也较小，但阻尼系数的不同对安全阀的进口压力却没有影响。

（4）随着弹簧刚度K 的变化，阀的进口压力也跟着不断变化，且随着K 变大负超调也不断变大。

（5）当差动面积不断变大，阀的动态特性也在变好，随着调定压力不断增大动态调节的时间不断减小，并且超调量也变得越来越好，稳定时间也缩小了。