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第 5 期 总第 1 6 2 期 2 0 1 0年 1 0月 机 械 工 程 与 自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON No ．5 0c t ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 1 0 0 5 0 0 0 4 0 3 液压支架大流量安全阀动态特性仿真 焦黎栋 ，廉 自生 太原理工大学 机械工程学院，山西 太原0 3 0 0 2 4 摘要 介绍 了支 架大流量安全 阀的工作 原理和结构特点， 采用功率键合 图法和状 态空间法建立安全 阀系统动态 特性的数学模型 以及仿真模 型， 利用 S i mu l i n k对其动态特性进行 了数 字仿真分析， 得出了在顶板快速下沉时， 该 阀的阀 口压力及流量 曲线和 阀芯 的位移及速度 曲线。 通过分析仿真结果可知 ， 适 当增加弹簧的刚度 ， 可提高 闽的灵敏度 ，减小阀芯的振荡 ，实现大流量安全 阀的动态特 性优化 。 关键词 功率键合 图；大流量安全阀；动态特性 ；仿真 中图分类号 T D3 5 5 ． 4 T H1 3 4 文献标识码 A 1 大流 量安全 阀工作原 理及结 构特 点 图 1为立 柱 安 全 阀 在液 压 支 架 系统 中的 简 化 回 路 。在井 下采煤 过程 中 ，由于采 煤工 艺引起 的地质条 件的变化 ，会使岩石层顶板作用在支架顶梁上的压力 突然增大，并超过支架的工作阻力，由于液控单向阀 的闭锁功能，这时立柱下腔的压力会迅速升高 ，当压 力超过安全 阀的调定压力时，高压乳化液顶开安全阀 的阀芯 ，下腔 的乳 化液经 安全 阀溢 出、卸载 ，起 到 了 保护 支架 系统的作 用 。顶 板来压 时 的下 沉速度 和立柱 的直 径决定 了系统 中所需 安全 阀的流量 ， 目前 国 内液 压支 架用 的安全 阀的额定 流量大 多数 比较小 ，而 新型 大流量安全阀的设计流量高达1 5 0 0 L ／ mi n ， 直径达到 了P 1 3 mm， 溢流液孔为 4排孔 ， 安全阀阀芯结构简图 见图 2 。分析该 阀的动态性能对保证支架系统具有 良 好 的工 作性 能是很有必 要 的 。 O P 图 1 安全 阀在液压支架系统中的简化回路 2 建 立安全 阀 系统 的数学模 型 2 ． 1 建立 系统的功率键合图 该系统为典型的多输入、 多输出的非线性系统 ， 所 以选择功率键合图法和状态空间法建立系统的数学模 型。在建模过程 中考虑因素过多往往会导致系统过于 复杂，必然会出现刚性方程 ，造成系统的一阶微分方 程组无解 ，所以在绘制键合图时，只考虑影响动态性 能的主要因素，把一些对系统动态特性影响很小的因 素忽略不计 如乳化液的质量、 压缩性等 。 卜 【 V ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ ／ 图 2安 全 阀 阀 芯结 构 简 图 在研究系统的动态特性时，可以认为由支架立 柱进入安全阀的液体为一个流源 S ， ；弹簧预紧力为一 个力源 S ；立 柱和 阀芯 内容腔 的液容 C 阍 和弹 簧 的 柔度 C弹为两个容 性元件 ；阀芯 和弹簧 的质量 阀 弹 为 惯性元件； 立柱和阀芯的泄漏液阻 R 立 闽 、 液体通过溢 流孔的液阻 R阀 、液体通过阻尼孔的液阻 R 阻 尼 孔、阀芯 上密封 圈与阀套之间的库仑摩擦阻力 F 阻和阀芯与阀 套之间的粘性摩擦阻力 F 粘 阻 为阻性元件 。根据系统的 功率流 程 ，绘 制 系统 的功率键 合 图 ，如 图 3所示 。其 中，q 为立柱进入安全阀的流量 ；g 。 为乳化液膨胀和 压缩所储 存 的流量 ；q 。 为立柱 和 阀芯腔泄 漏引起 的流 量 ； q 为安全阀溢流口流出的流量； P 。 、 、 。 、 分 别为流量 q 、 g 。 、 g 。 、 q 所对应的压力 ； q 为经安全阀 口进入的流量 ；q 。 为进入阻尼孔后的流量 ；q 为进人 *国家 “ 十一五”科技支撑计划资助项 目 2 0 0 7 B AB 1 3 B 0 1 收稿 13期 2 0 1 0 一 O 4 3 O 作者简介 焦黎栋 1 9 8 5 一 ， 男 ， 山西介休人 ， 在读硕士研究生 ， 研究方 向为矿山机 电液一体化。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 5期 焦黎栋 ，等 液压 支架 大流量安全 阀动态特性仿真 5 阀芯 内空腔 的流量 ； P 、P 、P 分别 为流 量 q s 、q 、q 所对 应 的压力 ；F 。 为 q 所 具有 的压 力 户 转 换成 作用 在 阀芯上能够推动阀芯动作的力 ； 。 为在 F 。 作用下 阀芯的运动速度； F。 为弹簧的预紧力 ； F o 为弹簧的弹 性力 ； F 为使阀芯产生加速度的惯性力 ； F 为阀芯上 密封圈与阀套之间的库仑摩擦阻力 ； F 。 为阀芯与阀套 之间的粘性摩擦阻力 ； 。 、V 1 。 、 1 l 、 1 2 、 V 1 3 分别为 F。 、 F 。 、F 、F 、F 。 所产生的速度；X 。 为阀芯的位移 ； TF为 能量转换 器 。 飓 图 3大流量安全阀系统的功率键 合图 2 ． 2 由功 率键 合 图建 立 系统 的状 态方程 由于状态方程是一个一阶微分方程组 ，其各状态 变量间具有导数关系，而功率键合图中只有惯性元 和容性元 C各 自两个变量间有导数和积分的关系 ， 所 以 ，元和 C元 的 自变量的积分必然就是状态方程 的 状态变量。根据上述功率键合图，这些 自变量共有 3 个 ， 即 q 、 。 、 F 它 们 的积分 就是状 态 变量 、 。 、 P 。 其 中 ， 为立 柱和 阀芯 内容腔 膨胀 压缩 需补 充 的 乳 化液体 积 ，P 。 为 阀芯 的动量 。3个状 态变 量 与因变 量 之间 的关 系为 P 。 一 、F 。 一 X 。 、 一 立 阎 弹 。 将各状 态 变量 的导数 写成 各 因变量输 入 变量 的 函 数关 系 ，就可得 到 以下状 态方 程 z 一一 1 1 z 一 P ， 。 ≤ X搭 合 量 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 1 z 一 1 1 z一 P 一 Cd A溢 √ 5 ， x 。 x 搭 合 量 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 2 X1 o 一了 。_ P1 1 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 3 阀 弹 一 o ． 8 6 3 5 n f ． d 密D阀 套R阻 尼 孔A阀一Rm lg A阎 z 一 丝 P 一 x1 o S 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 4 其 中 阀为 阀芯 的面 积 ； A溢为 溢流 孔总 面积 ； JD 乳为 乳化 液 的密 度 ； C 为 流量 系数 ； 为密封 圈 的个数 ； f 为摩 擦 因数 ； d 密为密 封 圈断面 直径 ； D阎 套 为 阀套 直径 乳为乳化 液 的动力 粘 度 ；D阀 芯 为 阀芯 的直 径 ；L 接 触 为 阀芯与阀体有效接触长度；C 阀 为阀芯与阀体配合间 隙 ；X搭 台 量 为安 全 阀不 产生 溢流 时 阀芯 位移 的范 围 。 3建 立安全 阀 系统 的仿 真模型 根 据上述 状态 方程 ， 在 MA TI AB ／ S i mu l i n k环境 下建立仿真模型对系统进行仿真分析 。该系统仿真的 关键是仿真参数的设置。 在 C o n f i g u r a t i o n P a r a me t e r s 模 式 下 设 置 系统 各 元 件 参 数 如 下 顶 板 下 沉 速 度 为 0 ． 2 m／ s 、 阀芯 油 压 腔 的有 效 作 用 面 积 为7 ． 3 8 6 1 0 m 、 立 柱 和 阀 芯 液 容 之 和 为 1 ． 4 3 5 4 1 0 m ／ N、立 柱 和 阀 芯 泄 漏 液 阻 之 和 为 6 ． 4 6 5 1 0 Ns ／ m 、阻尼 孔 的液 阻为2 ． 2 4 1 0 Ns ／ m 、阀芯 和 弹 簧 质 量 之 和 为 l 1 6 ． 4 9 g 、 弹 簧 刚 度 为 3 ． 6 8 1 0 N／ m、安全 阀调定 压 力为 4 5 MP a 。 在S i mu l a t i o n模式下设置仿真参数并运行， 得到安全 阀阀 口 压力、流量和阀芯位移 、速度仿真曲线，见 图 4 。 4仿真 结果 分析 安全 阀 的调定 开启 压力 为 4 5 MP a ， 从 阀 口压力 曲 线可 以看 出 在顶 板来 压 时安全 阀溢 流 ，压力 峰值达 到4 9 ． 2 MP a ，阀的动态压力超调率为 9 ． 3 ％，远远小 于 矿用液压支架阀性能指标要求 中规定的 4 0 9 ， 6 。 峰 值 时 问 为 1 0 ． 6 ms ～ 1 0 ． 7 ms ，稳 定 时 问 为 6 0 ms ～ 8 0 ms ，这 两项 指 标表 明该 大 流量 安 全 阀既 具有 快 速 的动态 响应 特性 ，又具 有 良好 的稳定 性 ， 能 够起 到迅 速开启并及时卸载溢流保护液压支架的作用 。 从 阀芯 的速 度 曲线 可 以看 出 阀芯 的最 大速度 达 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 1 0年第 5 期 到2 ． 4 5 m／ s ，并且在阀开启之后有大的波动。在这个 过程中，由于高压液体的冲击速度快 ，阀口的泄流量 大 ， 阀芯 的非线性 振荡产 生剧烈 的液压 冲击 。 因此 ， 必 ＼ 口 垦 E 置 ＼ 屡 、 、 r 、 ， m十 ⋯ 一p M～ t ／ S a 阀 口压 力曲线 厂 ＼ L ， v ～ √ O O ． O 5 0 ． 1 O O ． 1 5 O ． 2 O 0 ． 2 5 t ／ s c 阀芯位移 曲线 须采取有效的措施来提高阀芯的稳定性，改善安全阀 的动态 特性 。 1 2 0 0 80 0 垦 4 0 0 f ＼ 屡 ＼ V 、 ’ ～V、 ／ ＼ 八八／ ＼ ， ， 、 ／ V＼ 0 0 ． O5 O ． 1 O O ． 1 5 O ． 2 0 0 ． 2 5 t ／ s b 阀口流量 曲线 I { A n ， nc ． A p - f L V 一 0 0 ． O 5 O． 1 O O ． 1 5 0 ． 2 0 0 ． 2 5 t ／ s d 阀芯速度曲线 图 4 S i mu l i n k环 境 下 安 全 阍 的仿 真 结 果 在仿真模型中改变相应的参数，得到弹簧刚度在 5 结论 4 ． 6 8 1 0 N／ m时 的阀芯速度 曲线 ， 如图 5所示 。 从 阀 研究 表明适 当增 加安 全 阀的弹簧 刚度 ，可 减小 阀 芯 速 度 曲 线 可 以看 出 当弹 簧 的 刚度 增 加 到 4 ． 6 8 芯 的振荡 ，提高 阀的灵敏 度 。该 研究所 用 的方 法和得 1 0 N／ m时 ， 阀芯在 开启后 的振荡 明显减小 ， 此 时安全 到的一些 重要结论 ，为进 一步研 究和设 计液压 支架用 阀溢流产生的液压冲击减小，同时阀芯在开启时的响 大流量安全阀提供了可靠的参考资料。 应速度也有所提高。 f ＼ 蜊 均 垦 O O ． O 5 O ．1 O O ．1 5 0 ． 2 0 0 ． 2 5 t ／ s 图 5 弹簧刚度为 4 ． 6 8 l O N ／ m 时的阀芯速度 曲线 参考文献 [ 1 ] 冯静 ， 王永强， 杨明杰 ， 等． 新型液压支架用安全阀的动态 性能分析与研究 E J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 0 7 9 7 2 7 4 ． [ 2 ] 冯静 ， 陶然， 马胜 钢． 功率键 合图 一状态方 程法在新型安 全 阀动 态特性研究 中的应用 [ J ] ． 机床与液 压 ， 2 0 0 9 8 85 87 ． [ 3 ] 张建卓， 李新淼， 毛君， 等． 基于功率键合图的大流量安全 阀仿真研究[ J ] ． 煤矿机械， 2 0 0 8 1 2 6 0 6 2 ． [ 4 ] 刘 能宏 ， 田树军． 液压系统动态特性数字仿真 [ M] ． 大连 大连理工大学出版社 ， 1 9 9 3 ． 英文摘 要转第 1 3页 5 O 5 O 5 O 5 2 2 1 1 O O 6 2 8 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 0年第 5期 机 械 工 程 与自 动 化 1 3 参考文献 [ 1 ] 刘 国柱． 矿用液压支架 带压浮动控制 系统 [ J ] ． 煤矿机 械， 2 0 0 8 4 1 0 9 1 1 1 ． 1 2 3 王伟 ． 两柱掩 护式 支架 平衡 千斤顶 控制 方式 的分析 [ J ] ． 煤 矿 机 械 ， 2 0 0 9 1 1 6 8 1 7 0 ． [ 3 ] 李 聚领 ， 杨卫书． 平衡 补偿双 向锁 的可行性探讨 I- J ] ． 煤矿 [ 4 ] [ 5 ] 机械 ， 2 0 0 9 3 6 8 1 7 0 ． 寇子 明． 液 压支架动 态特性 分析与 检测[ M] ． 北京 冶金 工业出版社 ， 1 9 9 6 ． 王 国彪 ， 饶 明杰． 液压 支架 优 化设计 与计 算机 模拟 分析 [ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 9 4 ． Ana l y s i s o n Hy d r a u l i c Ci r c u i t o f t h e Ba l a nc e Ra m i n t he S h i e l d S u pp o r t M A Li pi ng， LI AN Zi - s he ng Co l l e g e o f M e c ha n i c a l En g i n e e r i n g， Ta i y ua n Un i v e r s i t y o f Te c hn o l o g y， Ta i y u a n 03 0 02 4， Chi n a Ab s t r a c t Th i s p a p e r a n a l y z e d t h e c o mmo n p h e n o me n a o f t h e b a l a n c e r a m s a f e t y v a l v e f r e q u e n t o p e n i n g a n d s u p p o r t c a p a b i l i t y r e d u c t i o n b e c a u s e o f t h e f l u i d s u p p l e me n t s h o r t a g e ，d i s c u s s e d t h e f e a s i b i l i t y o f t wo o p t i ma l d e s i g n p r o j e c t s，o n e a p p l i e d t h e f l o a t r e v e r s i b l e l o c k c o n t r o l ，t h e o t h e r u s e d t h e a u t o f l u i d s u p p l e me n t c o n t r o 1 ． Th e t wo o p t i ma l d e s i g n p r o j e c t s we r e s i mu l a t e d i n AM ESi m a n d M ATLAB r e s pe c t i ve l y． The s i m u l at i on r e s ul t s s how t ha t t he f l oa t r e v e r s i bl e l o c k c ont r ol c an e f f e c t i v e 1 v s ol v e t h e pr ob l e m o f s a f e t y v a l v e f r e q ue nt o pe ni ng an d t he a u t o f l u i d s upp l e me nt c ont r o l c a n s i gn i f i c a nt l y i nc r e as e t h e wi dt h o f b a l a nc e a r e a a nd r a i s e t he s u pp or t i ng c a pa c i t y． Ke y w o r d s b a l a n c e r a m ；f l o a t r e v e r s i b l e l o c k；h y d r a u l i c c i r c u i t ； s u p p o r t l ，I’’’ ，’ ， m，l，m，l●mmm，llllml，， ，l ， ，●， ，，mmmlml⋯⋯⋯l⋯ 上 接第 6页 Dy na mi c Ch a r a c t e r i s t i c s S i m u l a t i o n o f La r g e Fl o w Re l i e f Va l v e i n Hy d r a u l i c S u pp o r t J I AO Li d o n g LI AN Z i s h e n g Co l l e g e of Me c h a n i c a l En g i n e e r i n g，Ta i y u a n Uni v e r s i t y o f Te c h n o l o g y，Ta i y u a n 0 3 0 0 2 4．Ch i n a Abs t r a c tThe s t r uc t ur e c h ar a c t e r i s t i c s a n d wor ki ng p r i nc i pl e o f t he l ar ge f l o w r e l i e f v al ve us e d i n hy dr a ul i c s upp or t s we r e i n t r o du c e d． The d yn a m i c ma t he ma t i c mod el a nd s i mul a t i o n mo de l we r e bu i l t b y me a n s of p ower bon d g r a ph s a nd s t a t e s p a c e me t ho d． Di gi t al s i mul a t i o n a n al ys i s f or dy na mi c ch a r a c t e r i s t i c s of t h e va l ve wa s ma d e by Si mul i nk．I t ha d t he c ur ve of v a I v e mo ut h on pr e s s ur e，t h e c ur v e of v a l v e di s k on d i s pl a c e me nt a nd t he c u r v e of va l v e d i s k on s p e e d wh e n t he r oo f s i nke d i n t he r a pi d s pe e d ． Si mul a t i o n r e s ul t s s ho w t ha t t he a ppr opr i a t e i nc r e a s e i n t he s t i f f ne s s o f t h e s pr i ng c a n i mpr ov e t he s e ns i t i vi t y of v a l v e，a nd r e d uc e t h e os c i l l a t i on of t he v a l v e di s k， a nd a c hi e v e t he o pt i mi z a t i o n o f t h e l a r g e f l o w r e l i ef v a l v e on dy na mi c c a pa bi l i t y ． Ke y wor dspo we r bon d gr a phs； r e l i e f v a l v e wi t h l a r g e f l ux；dy na mi c c a pa b i l i t y；s i m u l a t i on mmmmm，，●mm，m，’，mmm，l ，lmm，1 8 ． 1ll ，lmlmmm⋯⋯l⋯lll⋯⋯⋯⋯⋯ I- 接 第 9页 No nl i n e a r S t a t e Es t i ma t i o n Ba s e d o n I t e r a t e d Uns c e nt e d Ka l ma n Fi l t e r GUO Pi n g p i n g，J I A J i a n - f a n g S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d Co mmu n i c a t i o n En g i n e e r i n g，No r t h Un i v e r s i t y o f Ch i n a，Ta i y u a n 0 3 0 0 5 1，Ch i n a Ab s t r a c tI n o r d e r t o i mp r o ve t he a pp r o xi ma t i o n a c c ur a c y o f t h e me a s ur emen t u pd a t e，t he p a pe r i nt r odu c e d i t e r a t ed Ka l man fli t e r I KF i n t o t h e u n s c e n t e d Ka l m a n f i l t e r UKF ． f o r me d t h e i t e r a t e d u n s c e n t e d Ka l ma n f i l t e r a l g o r i t h m I UKF ． Th e o r e t i c a 1 a n a l y s i s a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t I UKF c a n i mp r o v e t h e a c c u r a c y o f n o n l i n e a r a p p r o x i ma t i o n wi t h o u t i n c r e a s i n g t h e c o mp l e x i t y o f c a l c u l a t i o n，s o i t h a s b e t t e r p e r f o r ma n c e t h a n t h e s t a n d a r d EKF a n d U KF wi t h s i mi l a r c o mp u t a t i o n b u r d e n ． Ke y wor ds s t at e e s t i ma t i o n； no nl i ne a r；uns c e nt e d t r a ns f o r ma t i on； u ns c e n t e d Ka l ma n f i l t e r 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m