旋转式旁通型数字调速阀仿真及实验研究*

靳天毅,吴 娟*,杜秉华,郭凯宇

（1.太原理工大学 机械与运载工程学院,山西 太原 030024;2.山西省矿山流体控制工程实验室,山西 太原 030024;3.矿山流体控制国家地方联合工程实验室,山西 太原 030024）

0 引 言

当前,我国煤炭综合机械化生产由一般机械化普采和综采向自动化、智能化综采方向发展,已成为煤炭行业的现实需求和采煤工艺发展的必然趋势。2016年国家发展改革委和国家能源局对外发布的《能源技术革命创新行动计划——（2016—2030年）》[1]中明确说明能源技术创新的15个重点任务之一“煤炭无害化开采技术创新”,并将在2030年实现智能化开采,重点煤矿区基本实现工作面无人化,全国煤炭采煤机械化程度达到95%以上。

液压支架作为综采工作面的重要组成部分,必须走向智能化方向[2]。目前,液压支架移架时采用通断式电液元件,导致系统压力波动和冲击大,难以实现对液压支架位置的精确控制,成为煤炭智能化开采的瓶颈问题[3]。

在实现压力和流量连续控制的电液控制阀中,电液伺服阀和电液比例阀均难以满足井下高压、高水基等复杂工况[4，5]。近年来,随着电子技术的快速发展,数字阀得到越来越广泛的应用。有别于伺服控制阀和比例阀,数字阀具有结构简单、工艺性好、抗污染能力强、抗干扰能力强等特点[6，7],且不需要模数转换元件即可接收来自计算机的控制信号,可以精确地控制系统的压力、流量和方向[8，9]。

在数字阀控缸方面,ANDREAS P等人[10]采用了4个两位两通数字阀控缸,解决了非对称缸的控制问题。何玉东等人[11]分析了多缸系统中负载力与位移的关系,提出了一种轨迹跟踪同步控制方法。HENIKL J等人[12]研究了多执行器液压闭环系统的渐进稳定性,提出了一种模块化分散控制策略。

目前,数字阀控缸主要从控制算法和控制策略上提高缸的精确性和稳定性,但缺少对高压、高水基、大流量及强时变负载工况下液压支架的研究。

在传统的液压系统中,旁通型调速阀由移动式节流阀和溢流阀组合而成,其中,节流阀用于调节流量,溢流阀用于压力补偿。但该阀的使用却受限于液压支架的复杂工况。

针对上述问题,笔者设计一种适用于支架工况的新型旋转式旁通型数字调速阀。首先,对旁通型数字调速阀进行静力学分析;然后,通过SimulationX对其调速特性进行仿真分析[13],研究时变负载对数字阀控缸控制精度和响应特性的影响;最后,通过实验验证仿真的可行性。

1 旋转式旁通型调速阀工作原理

笔者所研究的旋转式旁通型调速阀由数字转阀、定差溢流阀和溢流阀组合而成。

旋转式旁通型调速阀工作原理图如图1所示。

图1中,乳化液泵输出的乳化液一部分经转阀4进入液压缸左腔,推动活塞向右移动,另一部分乳化液经定差溢流阀3的溢流口流回油箱,定差溢流阀3阀芯上端a腔与节流阀4出液口相通,该处压力为P2;b腔和c腔与泵出口处的油液相通,该处压力即为泵的出口压力P1（a腔、b腔、c腔位置如图2所示）;

当液压缸所受外负载力Fx增大时,压力P2上升,随之a腔的压力也上升,使阀芯向下移动,导致定差溢流阀的溢流口减小,乳化液泵1的供油压力P1增加，进行压力补偿,从而减小转阀4的前后压力差变化;

同理,当外负载力Fx减小时,压力P2下降,随之a腔的压力也下降,使阀芯相应动作,从而减小压差变化[14]。

2 旋转式调速阀的结构及其静态分析

2.1 调速阀结构

笔者所设计的调速阀由步进电机输出轴通过联轴器与转阀阀芯相连,随着步进电机驱动转阀阀芯旋转,阀芯与阀套组成的矩形节流口大小随之改变（通流面积与旋转角度近似成线性关系）,从而实现进入液压缸流量的调节。

旋转式调速阀结构如图2所示。

步进电机根据接收脉冲的个数将其转换为阀芯的角位移[15]。阀芯与步进电机通过联轴器连接相连,一方面简化阀的结构,另一方面避免丝杠和凸轮磨损带来的位置死区和零点漂移,使控制更加精确。

旋转阀可以提供更多流线型的流动轨迹，提高阀门操作的便利性。旋转阀工作时阀芯与阀体之间充满乳化液,因此,阀芯和阀体的受力比较均匀,这使旁通型调速阀工作时更加稳定[16]。

2.2 静态分析

笔者建立旋转式旁通型调速阀的静态方程，并对其进行静态分析,以寻求提高旋转式调速阀的静态精度,建立相关参数的选择原则,为后续的仿真设计提供变参数理论依据。

笔者针对图2所示结构图建立静态方程。其中,阀的静态流量连续性方程为:

（1）

式中：C1—节流阀口流量系数；C1—定差式溢流阀口流量系数，C1,C2取0.68；S1—节流阀口通流面积；S2—定差溢流阀阀口通流面积；ρ—油液的密度；ΔP—节流阀口的压差。

节流阀口的压差为：

ΔP=P1-P2

（2）

式中：P1—旁通型调速阀的进口压力；P2—出口压力。

定差溢流阀的阀芯静力平衡方程为：

P1（A1+A2）=P2A3+Fs+Fbs

（3）

式中：Fs—弹簧力；Fbs—稳态液动力。

弹簧力和稳态液动力的表达式为：

Fs=ks（x0+xd+xk）

（4）

Fbs=2C1A1（cosθ）P1

（5）

式中：θ—定差式溢流阀口射流角，取69°；A1，A2，A3—定差溢流阀a腔、b腔、c腔有效受压面积；ks—弹簧刚度系数；x0—弹簧预压缩量；xd—定差式溢流阀阀芯开口搭合量；xk—定差式溢流阀阀芯开口量。

由以上分析可知：旁通型调速阀的关键参数为ks、x0和ΔP。

3 仿真模型及其分析

3.1 仿真模型的建立

为研究综采面供液系统压力数据,笔者通过压力传感器实时采集现场的压力数据。

实测压力数据如图3所示。

笔者根据采集数据,可得综采面供液压力主要28 MPa～31 MPa,为仿真时模拟系统压力提供依据。

液压支架移架时，先降架,使顶梁离开顶板后,停止降柱迅速移架,而且顶板存在“擦顶移架”[19]或“带压移架”。“擦顶移架”或“带压移架”时所受负载力较大,而且具有强时变负载特性[20]。

通过实际调研可知:目前采用最多的移架方式为单架依次顺序式,支架沿采煤机牵引方向依次前移,移动步距等于截深,支架移成一条直线。该操作方式易保证规格质量,能适应不稳定顶板,应用最多,笔者所研究的旁通型调速阀适用于此工况。

笔者依据图1所示原理,在SimulationX中建立旋转式旁通型调速阀应用于移架的仿真模型,如图4所示。

在仿真模型中,通过变频调速的方式实现乳化液泵的软启动。

仿真模型主要参数如表1所示。

表1 仿真模型具体参数

3.2 仿真分析

（1）为证明方案的可行性,笔者在相同负载输入下（在0～4 s为600 000 N,4 s～5 s时增加为630 000 N,6 s～7 s时增加为660 000 N）,进行无调速阀和有调速阀的移架仿真,如图5所示。

根据图5的对比可得:

无调速阀时,速度仿真曲线波动较大;

有调速阀时,随着转阀打开速度逐渐上升至稳定值,随后只有在负载变化时出现小波动。

该结果证明,旁通型调速阀用于移架时可减小速度波动,可在此基础上对其进行继续研究。

（2）由理论分析可知:弹簧刚度、弹簧预压缩量和压力变化是影响旁通型调速阀性能的主要参数（其中,弹簧刚度和弹簧预压缩量是相关量,应同时进行分析）,所以笔者选取不同的弹簧刚度和弹簧预压缩量,使支架在相同恒定负载下进行移架。

弹簧刚度及预压缩量对调速特性的影响结果,如图6所示。

图6中,在相同负载下,对比3条曲线可知:

随着弹簧刚度增大,预压缩量减小,调速阀的速度峰值减小,且油缸到达稳定速度所用时间越少,所以设计调速阀时,选择较大的弹簧刚度和较小的预压缩量,会得到更好的调速性能。

（3）对于参数ΔP的影响,主要由于负载变化引起,所以笔者对3台支架给予不同负载类型依次进行移架,转阀由控制器控制开度从0～60%。

3组阶跃型负载如图7所示。

阶跃型负载输入下速度响应曲线,如图8所示。

3组正弦型负载,如图9所示。

正弦型负载输入下速度响应曲线,如图10所示。

从图（8,10）可看出:

将旁通型调速阀应用于推移回路时,移架速度波动较小;

只有在负载出现连续变动时,速度出现明显波动;

当负载上升或下降到稳定负载时,速度稳定。

这说明该调速阀可以应用于强时变负载工况,可以极大程度减小移架时因变负载出现的速度波动。

图9中，对比个各个不同负载变化下的调速曲线可知:

在不同负载变化下,移架速度波动的类型不同;

随着负载变化的程度增大,移架速度的波动程度增大;

图7和图9第3组曲线最大和最小负载一致。

对比图（8,10）速度稳定后的峰值,即不同负载输入下移架速度对比,如表2所示。

表2 不同负载输入下移架速度对比

由表2可知:不同负载变化下,移架速度峰值不同,其中正弦负载下速度最大,所以应在正弦负载下,去调试旁通型调速阀的性能。

这可以为高压大流量工况下调速阀的后续研究提供借鉴意义。

4 实验验证

为了进一步分析负载变化对调速阀调速性能的影响,笔者搭建了一个模拟变负载移架实验台[21]。

该实验台实物图如图11所示。

该实验平台主采用一台额定流量为200 L/min的矿用乳化液泵,通过变频器实现其软启动,负载油缸负载通过电磁比例溢流阀实现变负载[22],利用拉线式位移传感器,通过信号采集仪对移架速度进行采集。

在该实验中,推移油缸在0 s～4 s时,负载为600 000 N;4 s～5 s时,增加为630 000 N;6 s～7 s时,增加为660 000 N负载下依次进行移架。

变负载移架实验曲线如图12所示。

根据图12,对比实验结果与图5中的仿真结果可知:在刚开始移架时,由于系统用液导致系统压力变化较大,致使速度波动大,系统压力稳定后,实验结果基本和仿真结果保持一致。

该结果验证了仿真的可行性。

5 结束语

由于综采工作面处于强时变负载工况下,支架液压系统进行移架时会引起较大的速度波动,为此,笔者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,并对其进行了理论分析,建立了SimulationX模型,并对其进行了仿真分析,最后通过实验的方法,对调速阀的仿真结果进行了验证。

研究结果表明:

（1）由理论分析可知:影响旁通型调速阀的关键参数为ks、x0和ΔP;

（2）通过对比仿真证明:旁通型调速阀确实存在移架过程因变负载出现的速度波动。随着弹簧刚度的增大,预压缩量减小,调速阀的速度峰值减小,且油缸到达稳定速度所用时间越少,调速阀调速性能越好;

（3）不同的负载输入时,移架速度波动的类型不同。随着负载变化的程度增大,移架速度的波动程度增大;相同负载峰值情况下,输入正弦负载时速度最大。这可为适用于高压流量、高水基调速阀的后续研究提供参考;

（4）变负载移架实验曲线表明:将旁通型调速阀应用于推移回路时,移架速度波动较小,曲线与仿真结果基本一致,验证了仿真的可行性。

在接下来的研究中,笔者将主要以阀的闭环控制为主,根据支架液压系统的反馈,以此来控制转阀开口的大小,最后达到动态化控制移架速度的目的。