盾构液压系统中插装溢流阀动态特性研究.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u m a t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 01 5 d o i l 0 ． 3 9 6 9 ． i s s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ． 0 9 ． 0 2 1 盾构液压系统中插装溢流阀动态特性研究 李 谦 ， 吴 向东， 刘 刚， 陆世荣 西南交通大学 机械工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 摘要 为了研究盾构刀盘驱动系统中二通插装溢流阀的动态特性 ， 建立了相应的数学模型 ， 介绍了在S i m u l i n k 环境下对溢流阀进行 动态特性仿真分析的方法 ， 同时讨论了如何通过改变参数来确定影响溢流阀动态特性的主要因素。仿真结果表明溢流阀主阀阻尼孔 直径、 主阀上腔容积以及先导阀弹簧刚度的变化对溢流阀动态特性有较明显的影响。 关键词 二通插装溢流阀； 动态特性 ； 数学模型； 仿真； 超调 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 6 5 0 4 Re s e a r c h o f Tr a n s i e n t Ch a r a c t e r i s t i e s f o r Ca r t r i d g e Re l i e f Va l v e i n Hy d r a ul i c S ys t e m o f S h i e l d M a c h i ne L ／ Qi a n , WUXi a n g - d o n g , L I U G a n g , L US h i - r o n g S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， S o u t h we s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 3 l ， C h i n a Ab s t r a c t I n o r d e r t o s t u d y t r a n s i e n t c h a r a c t e ri s t i c s o f s l i p i n c a r t r i d g e r e l i e f v a l v e f o r c u t t e r h e a d d r i v i n g s y s t e m， t h i s p a p e r e s t a b l i s h e s t h e ma the ma ti c a l mo d e 1 ． Al s o t h i s p a p e r i n t r o d u c e s th e m e tho d o f s i mul a ti o n i n s i mu l i n k e n v i r o n me n t ． At the s a me t i m e ， t h i s p a p e r d i s c u s s e s h o w t o c o n fi r m p rima r y i n f l u e n c e f a c t o r fo r t r a n s i e n t c h a r a c t e ris t i c s b y c h a n g i n g p a r a m e t e r s ． T h e s i mu l a t i o n r e s u l t i n d i c a t e s tha t d i a me t e r o f d a mp i n g h o l e ，v o l u me o f u p p e r c h a mb e r a n d s p rin g s t i f f n e s s o f p i l o t v a l v e h a v e o b v i o u s i n fl u e n c e o n tra n s i e n t c h a r a c t e ris t i c s for r e l i e f v a l v e ． Ke y wo r d s s l i p i n c a r t r i d g e r e l i e f v a l v e ； tran s i e n t c h ara c t e r i s t i c s ； ma the ma t i c a l mo d e l ； s i mu l a t i o n ； o v e r s h o o t O 引言 盾构掘进机是专用于地下隧道工程开挖 的大型施 工设备， 刀盘是盾构的关键部件之一， 刀盘驱动具有功 率大 、 功率变化范围广的特点 ]。刀盘驱动液压系统 一 般具有高速掘进和低速掘进两种模式 ， 将二通插装 阀运用其中， 可以很好地实现盾构掘进模式的切换， 并 能保证系统的供油流量和提供大回油通道， 从而提高 系统效率和安全性能 。 但是二通插装溢流阀的设定值接近系统中其他部 件 ， 一旦压力超调量过大， 对系统其他部件即是不可忽 视的冲击， 很可能引起这些部件过早损坏[6 1。所以本文 建立溢流阀动态特性的数学模型， 利用 S im u l in k 软件 对其进行仿 真 ， 通过仿真分析 出各相关参数对溢流 阀 动态特性 ， 尤其是压力超调量 的影响吲 。 1 问题描述 针对实际中盾构刀盘液压系统的需求 ， 自行设计 了一款二通插装溢流阀 ， 阀的结构简图如 图 1 所示 。现 需要对所设计的阀进行动态特性的分析 ， 提出减小压 力超调的改进方案。 基金项 目 国家9 7 3 课题 2 0 1 2 c B 7 2 4 3 O 8 收稿 日期 2 0 1 5 0 1 2 6 作者简介 李谦 1 9 9 0 - ， 男 ， 江苏海安人 ， 硕士研究生 ， 研究方向为 机 电液一体化方向。 图 1 二通插装溢流 阀结构简图 2 建立溢流阀的数学模型 2 ． 1工作状态的选取 本 文选 取高速掘进模式控制 阀为研究对象 ， 额定 压力为 1 8 MP a ， 额定流量 2 5 0 L ／ mi n 。 2 ． 2 动态数学模型的建立 溢流阀的动态数学模型主要是基于力学受力平衡 和流量连续性方程基础上建立的。 主阀芯动态受力平衡方程 p。 A。 OC Z k 。 ， 罟 k 。。y 1 式 中 p l 主阀进 口压力 ； p 主阀芯上腔压力 ； A 主阀芯下腔面积 ； A 主阀芯上腔面积 ； 65 液 压 气 动 与 密 封 ／2 01 5年 第 09期 m。 主阀芯质量 ； 广主阀芯位移 ； ， 主阀弹簧刚度； ， ， 一主阀弹簧预压缩量 ； ． 主阀阀芯运动阻尼系数 ； 。 主阀阀口稳态液动力刚度。 先导阀芯动态受力平衡方程 p 3A 3 m z z X “g o 警 ．j} 2 式中 p 3 先导阀进口压力； A 先导阀阀芯面积； m 先导阀质量 ； 先导阀芯位移 ； 五 先导阀弹簧刚度 ； 一 先导阀弹簧预压缩量 ； 一 先导阀阀芯运动阻尼系数 ； 。 先导阀阀口稳态液动力刚度。 主阀进 口腔流量连续性方程 g 0 g l d y 3 式中 Q 。 进入溢流阀流量 ； g 流经主阀阀口流量； q l 主阀阻尼孔流量 ； 主阀进口容积； 卜油液弹性模量。 主阀上腔流量连续性方程 g A a y q 2 q 一 E d t 4 式中 q 盖板阻尼孔流量； 主阀上腔容积。 先导阀前腔流量连续性方程 A 考 百V d p 3 q 5 式中 先导阀前腔容积； q 3 流经先导 阀阀 口流量 。 3 建立 S i m u l i n k 仿真模型 3 ． 1 边界约束条件的限定 1 主阀芯位移， ， 与速度 当y O 时， 令y 0 ； 当 y m 时 ， 令 ； 当y 0 ， V 0时 ， 令 0 ； 当y ， V 0时 ， 令 V 0 。 2 先导阀芯与主阀芯的边界限定条件相同。 3 防止出现负值压力 ， 应作如下限定 当P 0 时 ， 令P - 0 ； 当P 0 时， 令p lA _ p z - k y o p lA 。 _ p 一 k 。Y 。 ； ③其余状 态下 ， 令P l A 1 - p 2 , 4 2 - k 0 。 5 先导 阀芯也有类似条件限定 。 3 ． 2 S i mu l i n k 仿真模型 令 1 p l ， 2 p 2 ， 3 p 3 ， 4 y， 5 4 ， 戈 6 ， ， 莺 ， 结合相应的约束条件 ， 对式 1 在S i m u l i n k 中建 立对应的框图如图2 所示。同理， 式 2 ～式 5 对应的 框图如图3～图6 所示 。 x5 I 『 二 图2 主阀芯力平衡方程框图 I _1 一 图3先导阀芯力平衡方程框图 图4主阀进口流量连续性方程框图 ’ 图5主阀上腔流量连续性方程框图 睫 山 U 图 6 主 阀上腔流量 连续 性方程框 图 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 0 9 ． 2 01 5 为避免重复设置参数 ， 将五个方程对应 的框图分 别封装， 再按相互间的联系将封装子系统的各端 口正 确连接 ， 形成最终的S i m u l i n k 仿真模 型 ， 如 图7 所示。 图 7 二通插装溢流 阀 S i mu l i n k 仿真模型 4 仿真结果与分析 以下仿真分析中， 各参数的中间值为刀盘驱动系 统中所用二通插装阀的原始数值， 仿真分析时， 分别在 原始数值两侧各取一个值来进行对 比分析 ， 得出各参 数对动态特性的影响， 尤其是对超调的影响。 4 ． 1主 阀阻尼孔直径对阀动态特性的影响 在仿真时， 主阀阻尼孔直径分别取D 1 ．2 m m、 D 1 ． 3 mm、 D 1 ． 4 mm， 仿真结果如图 8 所示。 迥 图 8 不 同阻尼孔直径特性 曲线 从 图中可以看 出， 随着主阀阻尼孔直径增大 ， 阀稳 态压力略有增大， 这是因为阻尼孔流量与压降的关系 可 以表示为 q K d A p ， 要产生 同样 的压差势必需要更 大的流量 ， 而通过的流量越大， 工作压力也就越大 ； 增 大阻尼孔直径， 主阀的开启压力升高， 压力超调量大 ， 且响应时间以及过渡时间增大 ， 阀动态特性变差 ； 减小 阻尼孑 L 直径 ， 压力超调量小 ， 且响应时间以及过 渡时间 减少 ， 阀动态特性变好。所以适当减小主阀阻尼孔直 径， 有利于减小压力超调量， 但不可过小 ， 否则可能会 导致压差 尚未开启先导阀 ， 泄漏压差先开启主阀 o l 。 4 ． 2 主 阀上腔容积对阀动态特性的影响 在仿真时 ， 主 阀上腔容积分别取 V 2 l l c m 。 、 I1 2 1 2 e ra 、 1 3 c m ， 仿真结果如图9 所示 。 趔 ．馨 趟 仿 真 I 目／ s 图9不同主阀上腔容积特性曲线 从 图中可以看 出， 主阀上腔容积越小 ， 压力超调量 越大 ， 系统平稳性不好且 响应时间以及过渡时间越长 ； 增加主阀上腔容积 ， 稳 态压力几 乎不变 ， 响应时间以及 过渡时间越小， 压力超调量明显减小， 系统平稳性好且 阀动态特性好。但是上腔体积增大 ， 造成其内压力减 小 ， 这将导致先导阀进口压力减小， 先导阀无法开启。 所以适当增加主阀上腔容积， 有利于减小压力超调量。 4 ． 3 先导阀弹簧刚度对 阀动态特性的影响 在仿真时， 先导阀弹簧刚度分别取k 6 0 N ／ m m、 k 7 0 N ／ m m、 k 8 0 N ／ m m， 仿真结果如图1 O 所示。 仿真时间 ／ s 图1 0不同先导阀弹簧刚度特性曲线 从图中可以看出， 随着先导阀弹簧刚度的增加， 稳 态压力有明显的增加， 这是因为在式 2 中弹簧力起主 导作用， 弹簧刚度增加 ， 压力变化就明显； 增大弹簧刚 度， 压力超调量减小， 响应时间增大， 过渡时间减小 ， 动 态特性好； 减小弹簧刚度， 压力超调量增大， 响应时间 减小， 过渡时间增大， 动态特性差。但是先导阀弹簧刚 度不可选取太大， 否则先导阀开启压力上升， 导致主阀 的开启压力升高， 所以适当增加先导阀弹簧刚度， 有利 于减小压力超调量。 6 7 液 压 气 鼋 与 密 ,l“ ／2 01 5年 第 09期 d o i l O ．3 9 6 9 4 ． is s n ． 1 0 0 8 0 8 1 3 ． 2 0 1 5 ．0 9 ．0 2 2 基于 CF D的液压挖掘机负载敏感 多路阀流道流场仿真分析 吴健兴 ， 路 1 ． 贵州詹阳动力重工有限公司， 贵州 贵阳 5 5 0 0 0 0 ； 芳 ， 曾 超 2 ． 贵州理工学院 机械工程学 院， 贵州 贵 阳 5 5 0 0 0 3 摘要 该论文结合具体的生产实际 ， 采用数值模拟分析与理论分析相结合的研究方法， 对液压挖掘机的负载敏感多路阀的流道流场 进行分析研究。通过仿真得到的压力场进行对比分析， 找出其不同阀芯结构对多路阀压力场的影响， 从而有利于减少阀内静压力的 损失与气穴产生的几率， 提高液压系统的性能。 关键词 液压挖掘机 ； 多路阀； 过流面积； C F D； 流场 中图分类号 T H1 3 7 5 2 3 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 5 0 9 0 0 6 8 0 4 An a l ys i s o f t h e Fl o w． c h a n ne l ’ S Fl o w Fi e l d o f Lo a d Se n s i t i v e M u l t i ． wa y Va l v e f o r Hy d r a ul i c Ex c a v a t o r Ba s e d o n t h e CFD WUJ i a n - x i n g ， LUFa n g ， Z ENG Ch a o 1 ． G u i z h o u J o n y a n g Ki n e t i c s C o ． ， L t d ． ， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u i z h o u I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y , G u i y a n g 5 5 0 0 0 3 ， C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r c o mb i n i n g wi t h t h e c o n c r e t e p r o d u c tio n p r a c ti c e ， u s i n g the r e s e a r c h me tho o f n u me r i c a l s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d t h e - o r e t i c a l ana l y s i s ， t o a n a l y s i s t h e h y d r a u l i c e x c a v a t o r ’ S l o a d s e n s i t i v e mu l t i wa y v a l v e ’ S r u n n e r and fl o w fie l d ． Ba s e d o n the p r e s s u r e fie l d ， fin d i n g o u t the d i ffe r e n t s t r u c t u r e s o n the i n fl u e n c e s o f the mu l t i wa y v a l v e p r e s s ure fi e l d ， the n t o r e d u c e t h e l o s s o f t h e s t a t i c p r e s s ure i n the v a l v e a n d t h e ris k o fa i r - p o c k e t s ， t o i mp r o v e t h e p e rfo r ma n c e o f the h y dra u l i c s y s t e m． Ke y wo r d s h y dra u l i c e x c a v a t o r ； mu l ti wa y v a l v e ； o rific e a r e a ； CF D； fl o w fi e l d 0 引言 负载敏感多路阀是液压挖掘机液压控制系统最重 收稿日期 2 0 1 5 0 3 1 8 基金项目 贵州省科技厅重大专项 2 0 0 9 6 0 0 3 作者简介 吴健兴 1 9 8 6 一 ， 男 ， 广西梧州人， 工程师 ， 硕士， 研究方向流 体传动与控制。 要的元件之一， 其控制性能的好坏往往决定了整个液 压系统的性能， 对挖掘机的运动特性有着极其重要的 影响n 。目前 ， 国内对负载敏感多路阀的研究不足 ， 制 造工艺水平较低， 严重制约了它的发展。文章通过对 液压挖掘机负载敏感多路阀流道流场的分析 ， 找出其 不同阀芯机构对液流特性的影响， 对于改善多路阀的 流场特性， 提高多路阀的控制性能， 指导现实生产有着 5 结论 文 中建立了综合参数下二通插装溢流 阀的动态数 学模型 ， 通过对数学模型进行仿真 ， 得 出了主阀阻尼 孔 、 主阀上腔容积以及先导阀弹簧刚度对阀动态性能 的影 响 ， 这对 阀的改进设计 以及提升盾构机 中刀盘驱 动系统的压力切换性能具有指导意义。 参考文献 [ 1 】 邢彤， 等． 盾构刀盘驱动液压系统设计『 J ] ． 液压与气动， 2 0 0 5 ， 4 2 2 2 4 ． [ 2 】 郑久强， 等． 盾构刀盘变转速液压驱动系统[ J ] ． 工程机械， 2 0 0 6 ， 4 3 6 3 7 ． 【 3 ]3 郑久强． 盾构刀盘液压驱动系统研究【 D ] ． 杭州 浙江 大学， 2O 06． - - - - 一 [ 4 ] 苏清贵． 泥水盾构的掘进模 式及操作 [ J 】 ． 现代 隧道技术， 2 0 0 8 ， s 1 ． [ 5 ] 冯欢欢， 等． 二通插装阀在盾构液压系统中的应用与发展[ J ] ． 现代隧道技术， 2 0 1 2 ， 1 o ． [ 6 】 张海平． 液压螺纹插装 阀【 M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 1 1 6 1 8 O ． 【 7 】 付娟娟， 等． 基于 M A T L A B 的先导式溢流阀动态特性分析【 J 】 ． 武汉工程职业技术学院学报， 2 0 1 2 ， 1 l 一 4 ． 【 8 ] 王庆国． 二通插装阀控制技术【 M】 ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 1 ． 【 9 】 刘刚． 螺纹插装溢流阀结构参数与工作性能研究[ D 】 ．成都 西 南交通大学，2 0 1 4 4 0 4 2 ． 【 l 0 】于良正， 等． 二通插装溢流阀中节流孔的功能分析f J 1 ． 流体传 动与控制， 2 0 1 0 ， 3 9 2 I 2 0 2 1 ．