掘进机用插装式平衡阀动态特性分析

本资料包含pdf文件1个，下载需要1积分

悬臂梁式掘进机截割部的升降由-对油缸运动完成，升降过程中截割部的重量承载在油缸上，因此，需要对油缸的运动速度进行平稳控制，以避免发生窜动现象，造成振动和液压冲击。平衡阀是整个平衡回路的重要控制中心，能随着负载的变化产生对应的背压，使油缸平稳运动，而且在制动失灵和油管破裂时能够自锁，防止发生事故。因此，平衡阀的性能决定了整个平衡回路的控制性能，本文通过 AMESim仿真软件，建立了插装式平衡阀和整个液压回路的模型，研究平衡阀的主要参数对系统动态性能的影响。

图 1 平衡阀结构平衡阀主要由主阀芯5，单向阀阀芯 2，调压弹簧，复位弹簧，导向套，弹簧座，调压杆，阀套以及密封圈组成。插装阀块上装有两个平衡阀，两阀通过控制油口形成互锁(图2)。

图 2 插装阀原理图在截割部升起的过程中升降油缸在液压油的作用下升柱，液压油经过换向阀进入阀 1的1口(P口)，在很小的压力下打开单向阀阀芯 2，通过 A口进入油缸的无杆腔，同时液压油通过控制油口3作用在阀 2的主阀芯 5上，起先导作用。油缸的有杆腔液压油通过B口作用在阀2的主阀芯5上，在先导油、B口油压和收稿日期：2012-10 12基金项 目：山西 省煤矿 装备研 究 生教育 创新 中心 项 目(MKY2011-003)作者简介：季清华(1986-)，男 ，山东临沂人，硕士，主要从事液压技术方面的研究工作。

平台关键参数确定上的应用[J].现代制造技术与装备，2006，(6)：38-40。

[4] 李鄂民.液压缸驱动剪叉机构的运动学及动力学分析[J].甘肃工业学学报 ，1994，(4)：34-35。

[5] 宋耀军，刘榛.液压缸驱动的剪刀撑机构运动及动力学分析[J].起重运输机械 ，2004，(2)：41-43。

2013年第3期 液压与气动 47调压弹簧的共同作用下打开主阀芯 5，进入换向阀，然后回油箱。在截割部下降过程中，液压油从阀2流入，从阀 1流出。

平衡阀的先导比(液控 比)为主阀芯 5调压弹簧预紧力设定后，平衡阀在控制油口无压力油时反向开启压力值与只在控制压力下反向开启时控制压力值的比值。本文中平衡阀先导比为：A ：(A -A )4：12 受力分析插装式平衡阀性能主要是由主阀芯和控制油口决定 ，因此，对主阀芯和控制油口的结构分析就显得尤为重要，由于主阀芯结构复杂，在动作过程中有多个面受到液压力作用，因此影响主阀芯的动态特性的因素比较多(见图3)。

蓉蓁 - 背蔷黢回油油 - 作用面积图 3 主 阀芯受 力分析主阀芯运动微分方程：P A -P1A1-PtAtP A - Ff- -F。-- 警-c 0式中，m-- 主阀芯质量(kg)c-- 主 阀 芯 运 动 过 程 中 的 粘 性 阻尼(N/(m/s))k-- 调压弹簧弹性刚度(N/ram)- - 主阀芯位移(ram)P ，A -- 负载油压作用力(N)，负载油压作用面积(mm )P ，A -- 回油油压作用力(N)，回油油压作用面积(mm )P ，A -- 控制油压作用力(N)，控制油压作用面积(mm )P ，A -- 弹簧腔油压作用力(N)，弹簧腔油压作用面积(mm )， -- 弹簧预压力(N)- - 密封圈摩擦力(N)F -- 主阀芯在运动过程中受到的稳态液动力(N)3 仿真模型的建立与仿真分析根据平衡阀实物和液压系统(如图4)在 AMESim软件中搭建平衡阀液压系统仿真模型 。

图4 平衡阀液压系统建立的仿真模型如图 5所示，仿真模型中的参数主要依据了平衡阀结构尺寸以及其他元件的参数。与平衡阀连接的管道的动态响应予以忽略。主要参数如下 ：油液密度 850 kg/m。，油液运动黏度 51 cP；油液体积弹性模量 1700 MPa；油缸活塞直径 160 mm；油缸活塞杆直径 110 mm；油缸行程 0.5 m；活塞杆起始位移0 m；泵的排量 100 mL/r；电机转速 1500 r/min；溢流阀设定压力 160 MPa。

图 5 仿真模 型3.1 系统分析本文主要以油缸升柱过程为研究对象，对油缸的活塞进行动态特性分析。设置负载压力为 4 t，仿真时间为0.2 s，得到三条曲线。

48 液压与气动 2013年第 3期魁摇星鑫蜒图 8 油缸活塞速度 曲线由仿真曲线可以看到，油缸于0.004 S时在液压油的作用下，活塞开始动作，主阀芯人口压力开始升高，在0.007 S时，活塞速度达到峰值 0.036 rn/s，此时入口压力太泄不足以打开主阀芯，油缸活塞的速度开始下降同时产生振荡。在 0.014 S时，主阀芯的人口压力达到0.63 MPa，单向阀芯与主阀芯-起开启，并在0.02 S时单向阀芯与主阀芯到达单向阀芯的极限位置，位移为0.0006 m，主阀芯在液压力，单向阀芯作用力和弹簧力的共同作用下处于静止状态，油缸活塞速度趋于稳定，随着主阀芯阀口压力的增大，在压力达到3.76 MPa时，主阀芯再次动作，油缸活塞的速度也慢慢上升，并在 0.13 S时主 阀芯到达平衡位置0.0012 m处，此时主阀芯人 口压力达到稳定值 4.95MPa，油缸也以0.0265 m/s的速度匀速上升。

3.2 控制油 口阻尼孔直径对 系统动 态特性的影响分别设控制油口阻尼孔直径为 1 mm，0.5 mm，0.2 mm，仿真出不同阻尼孔下的主阀芯速度曲线(见图 9)。

-O.O2 0.00 0.05 0.1O O.15 0.20时间/s图 9 不 同控 制油 口阻尼子L下主阀芯 的速 度曲线由图9可知，主阀芯在液压油的作用下，在0.014 S开始动作，-直到0.13 S动作结束，保持-定的阀口开度，随着控制油口阻尼孔直径依次变小，阀芯的速度峰值由0.145 m/s变为0.1 m/s，可见小的阻尼孔可以减小阀芯的振荡，但过小的阻尼孔会延长阀芯的波动时间，还会缩短平衡阀的使用寿命。

3.3 主阀芯过流面积对系统动态特性的影响设主阀芯过流面积直径分别为 8.5 mm，8 mil，7.5 mm，仿真出不同直径下的油缸速度曲线和阀芯速度曲线。

由图 10，11可知，随着主阀芯过流面积直径的减小，活塞速度的振荡减弱，活塞速度趋于稳定的时间变长。由于主阀芯过流面积直径的减小，液压油作用面积也相应减小，使得主阀芯的第二次开启时间延后，对平衡阀的灵活性影响较大。

鍪耋曩时间/s图 10 不同主阀芯直径下油缸活塞的速度曲线螺鲁 插窿