大流量高水基比例方向阀动态特性与流场仿真分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 I 大流量高水基比例方向阀动态特性与流场仿真分析 摘 要 煤矿井下液压支架是综采工作面的重要组成部分，对支架的精确高效 控制直接关系到整个工作面的生产效率，换向阀是液压支架的关键控制元 件，性能优良的换向阀是保证煤矿高效采煤的基础。 目前煤矿井下液压支架使用的换向阀均为开关式换向阀，但是随着液 压支架流量和压力的大幅度提高，开关式换向阀在启闭瞬间给系统带来了 巨大的液压冲击，从而引起系统振动、元件损坏；此外，煤矿井下智能化 需求越来越高，要求液压支架能够精准定位，进行精确姿态调整，解决上 述困难最简单有效的办法就是研制一款大流量高水基比例方向阀代替现有 的开关型换向阀。 本文介绍了国内外比例阀的研究动态，阐述了在煤矿恶劣工况环境、 高水基介质条件下比例阀的设计难点，分析了现有换向阀的工作机理，明 确了设计的方向，提出了一种能够应用于煤矿井下比例方向阀的方案，该 比例阀由先导级和主阀组成，分别介绍了先导级和主阀的组成和工作原理。 分析了先导阀和主阀进液阀芯的受力情况，明确了阀口液动力、平衡 腔尺寸等参数是精确控制阀芯运动的关键；利用 CFD 技术研究了阀口液动 力，优化了阀口结构尺寸，基本消除了阀口液动力的“负弹簧”效应，同 时大大降低了阀口液动力，阀口液动力最大值为 752.773015N，同时拟合出 了阀口液动力数学模型；利用仿真结果拟合出全工况下阀口流量数学模型， 太原理工大学硕士研究生学位论文 II 实现了只需监测阀芯位移和阀口进出口压差就可以计算阀口流量的设计预 想。 在 AMESim 仿真软件中搭建了比例方向阀的仿真模型，分析了阀的静 动态特性，结果表明主弹簧刚度和比例系数 k 越大阀的线性度越好；平衡 腔直径选择 25.3mm 时，阀对负载变化不敏感；不引入 PD 控制时，阀阶跃 响应较慢，频响也低，通过引入 PD 调节，大幅改善了阀的动态特性，阶跃 响应时间约为 0.24s，频响达到了 19.8Hz。 本文在了解煤矿井下换向阀需求及其工作条件的情况下，提出了一种 比例方向阀方案，并针对此方案运用液压控制理论、动力学理论、计算机 仿真等展开了研究，本文研究成果为进一步完善煤矿井下比例方向阀的研 究提供了重要的参考。 关键词比例方向阀，流场分析，水压阀，液动力，比例控制 太原理工大学硕士研究生学位论文 III DYNAMIC CHARACTERISTIC AND FLOW FIELD SIMULATION ANALYSIS OF THE LARGE AND HIGH-WATER BASED PROPORTIONAL DIRECTION VALVE ABSTRACT Coal mine hydraulic support is an important part of fully mechanized mining face. The accurate and efficient control of the support is directly related to the production efficiency of the whole working face. The reversing valve is the key control element of the hydraulic support. The reversing valve with excellent perance is the basis of ensuring high efficiency coal mining in coal mines. At present, all the directional valves used in hydraulic support of coal mine are switch directional valves. However, with the increase of flow rate and pressure of hydraulic support, the switched directional valves bring huge hydraulic impact to the system at the moment of opening and closing. Thus causing system vibration and component damage. In addition, there is a growing demand for intelligent of coal mines, which requires the hydraulic support to be accurately positioned and accurately adjusted for posture. The simplest and most effective way to solve the above problems is to develop a large flow and high water-base proportional directional valve instead of the existing switch-type 太原理工大学硕士研究生学位论文 IV reversing valve. This paper introduces the research developments of proportional valve at home and abroad, expounds the difficulties of proportional valve design under the conditions of bad working conditions and high water-based medium in coal mine, analyzes the working mechanism of the existing reversing valve , so the direction of the design is clear and puts forward a scheme which can be applied to the proportional directional valve in the coal mine. The proportional valve consists of the pilot stage and the main valve, and introduces the composition and working principle of the pilot stage and the main valve respectively. The stress of pilot valve and main valve inlet valve core is analyzed, and then it is clear that the parameters such as steady-state flow force and balance cavity dimension and so on are the key to precise control valve core movement.The CFD technology was used to study the valve fluid power, optimize the valve structure size in order to eliminate the valve spring “negative“ effects of fluid dynamics, the maximum value of the steady-state flow force 752.773015N. At the same time, the steady-state flow force mathematical model has fitted out. The simulation results are used to fit out the flow mathematical model of the valve port in full working conditions,so the valve port flow can be calculated by monitoring the displacement of the valve core and the inlet and outlet pressure difference of the valve port. The simulation model of proportional direction valve is built in AMESim simulation software, and the static and dynamic characteristics of the valve are 太原理工大学硕士研究生学位论文 V analyzed.The results show that the main spring stiffness and proportional coefficient k the greater the linearity of the valve, the valve is insensitive to load changes when thebalance cavity diameter is selected 25.3mm. Without PD control, the step response of the valve is slow and the frequency response is low. By introducing PD regulation, the dynamic characteristics of the valve are greatly improved. The step response time is about 0.24s and the frequency response reaches 19.8Hz. In this paper, a proportional directional valve scheme is put forward under the condition of knowing the requirement and working conditions of the directional valve in coal mine, and the hydraulic control theory, dynamics theory and computer simulation are used to study the scheme. The research results of this paper provide an important reference for the further improvement of the proportional directional valve research. KEY WORDS Proportional directional valve, flow field analysis, water valves, steady-state flow force, proportional control 太原理工大学硕士研究生学位论文 VI 太原理工大学硕士研究生学位论文 VII 目 录 第一章 绪论...............................................................................................................................1 1.1 煤矿综采液压支架电液控制系统简介..............................................................1 1.2 选题研究的意义..................................................................................................2 1.3 比例方向阀研究动态...........................................................................................6 1.3.1 比例阀的发展与简介................................................................................6 1.3.2 国外比例方向阀研究动态........................................................................8 1.3.3 国内比例方向阀研究动态........................................................................9 1.4 煤矿高水基液压系统........................................................................................10 1.4.1 煤矿液压支架液压控制系统工况特点..................................................10 1.4.2 高水基介质特点......................................................................................11 1.5 课题研究目的与内容.........................................................................................12 第二章 大流量高水基电液比例方向阀方案设计.................................................................15 2.1 现有换向阀结构原理.........................................................................................15 2.2 电液比例方向原理分析.....................................................................................16 2.3 先导阀方案.........................................................................................................17 2.4 主阀方案.............................................................................................................19 2.5 本章小结.............................................................................................................20 第三章 比例方向阀动力学研究.............................................................................................21 3.1 先导阀分析........................................................................................................21 3.1.1 静态分析..................................................................................................21 3.1.2 动态分析..................................................................................................23 3.1.3 先导阀传递框图......................................................................................23 3.2 进液阀芯受力分析.............................................................................................24 3.3 比例方向阀系统方框图.....................................................................................30 3.4 本章小结.............................................................................................................30 第四章 基于 CFD 的大流量高水基比例方向阀流场分析....................................................31 4.1 进液阀芯液动力分析.........................................................................................31 太原理工大学硕士研究生学位论文 VIII 4.2 进液阀芯结构尺寸优化.....................................................................................32 4.3 主阀流量系数确定.............................................................................................38 4.4 进液阀芯稳态液动力分析处理.........................................................................44 4.5 本章小结.............................................................................................................48 第五章 基于 AMESIM 的大流量高水基比例方向阀仿真研究.............................................51 5.1 电液比例方向阀模型建立.................................................................................51 5.1.1 比例电磁铁及先导阀仿真模型..............................................................51 5.1.2 液动力等效模型......................................................................................51 5.1.3 摩擦力等效模型......................................................................................52 5.1.4 电液比例方向阀模型..............................................................................53 5.2 电液比例方向阀主要参数设定.........................................................................53 5.3 电液比例方向阀性能分析.................................................................................54 5.3.1 电液比例方向阀静态特性分析..............................................................54 5.3.2 电液比例方向阀动态特性分析..............................................................57 5.4 本章小结.............................................................................................................61 第六章 总结与展望.................................................................................................................63 6.1 课题总结.............................................................................................................63 6.2 课题展望.............................................................................................................64 参考文献...................................................................................................................................65 致 谢.........................................................................................................................................69 攻读学位期间发表的学术论文...............................................................................................71 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 第一章 绪论 1.1 煤矿综采液压支架电液控制系统简介 我国是一个以煤炭资源为主要能源的国家， 高效安全的进行采煤工作是保障国民经 济正常发展的动力基础，目前国有大型煤矿均采用煤矿综采工作面，即采煤机、刮板输 送机、液压支架三机配合的现代化机械采煤技术。 煤矿综采液压支架系统是综采工作面的重要组成部分，是煤炭安全高效开采的保 障， 一方面液压支架系统对采煤巷道进行支撑为人员和采煤机等提供一个安全的工作环 境，另一方面液压支架配合采煤机和刮板输送机进行采煤工作，是刮板输送机横向移动 的动力来源，液压支架系统性能的优劣是评价煤矿综采水平的重要指标。 液压支架系统的核心部分是电液控制系统， 其典型的组成结构及各部分之间的控制 配合的逻辑关系如图 1-1 所示。 图 1-1 液压支架电液系统原理 Fig.1-1Principle diagram of the support hydraulic system 英国煤炭局上世纪七十年代最先提出了液压支架电液控制， 八十年代初在澳大利亚 科里曼尔煤矿进行了实践应用[1]。基于液压支架电液控制系统在支护效率和安全程度的 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 突出优点，随后德国、美国、前苏联、澳大利亚等国家也开展了这方面的研究，并取得 了较大的成就[2]，到八十年代中期技术就已经趋于成熟。我国进行煤矿液压支架电液控 制研究较晚， 相比于国外的研究滞后了二三十年， 1997 年才引进了第一套全工作面的电 液控制系统[3]，九十年代中期研发了首个液压支架电液控制系统[4]，近些年随着国家政 策的支持以及经济、技术基础的积累等原因，我国液压支架电液控制技术发展迅速，在 某些关键技术指标上面已经超越了国外的同类产品，如急停响应速度就达到了 300ms 远高于国外此类产品的 500ms[5]。 但是目前总体来讲，我国的液压支架控制系统与国外相比仍有许多方面有上升空 间，尤其是高端液压支架控制系统及其关键元部件设计生产，其中就包括液压支架的控 制元件电液换向阀，我国在煤矿综采技术领域若想取得领先地位仍然任重道远。 1.2 选题研究的意义 液压支架电液控制系统的控制目标是液压支架， 液压支架工作过程中需要配合刮板 输送机和采煤机进行支护动作，因此对液压支架姿态控制就成了液压支架电液控制系统 的核心和关键，其根本是对液压支架各液压缸的控制。 液压支架的动力源是高压乳化液， 通过液压元件控制控制各个液压缸的动作来实现 液压支架姿态的切换，液压支架种类繁多、功能各异。液压支架最为主要的几个液压缸 为立柱、推移千斤顶、平衡缸，下面主要以这几种液压缸为例进行简要介绍。 （1）立柱 液压直接的种类繁多，立柱的工况要求也各不相同，但是实现的功能基本一致，即 实现对顶板的支护工作，一种典型的双伸缩立柱液压回路图如图 1-2 所示。 如图 1-2 所示，双伸缩立柱液压回路共有两个先导阀通过控制三个主阀来控制立柱 的升降动作，先导阀与主阀均为两位三通式，当先导阀不得电时，先导阀、主阀与回油 口相通，立柱依靠下腔油路的液控单向阀锁死；当立柱需要升柱时，控制立柱下腔的换 向阀动作，高压乳化液正向打开液控单向阀进入立柱下腔，立柱上腔回液，立柱实现升 柱；当立柱需要降柱时，控制立柱上腔的换向阀动作，高压乳化液接通上腔并控制液控 单向阀反向打开，立柱下腔回液，立柱实现降柱功能； 在实际煤矿井下供液压力通常 为 31.5MPa，当立柱升柱实现初撑后顶板来压，为了保护立柱不受破坏，立柱通常通过 安全阀进行卸载。 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 1立柱；2液控单向阀；3安全阀；4立柱截止阀；5电液换向阀主阀组；6电液换向 阀先导阀组； 7先导阀组过滤器；8先导阀组单向阀；9支架供液过滤器；10支架供液截止阀； 11支架回液单向阀 图 1-2 立柱液压回路图 Fig.1-2Hydraulic circuit diagram of hydraulic leg （2）推移千斤顶 1推移千斤顶； 2安全阀；3液控单向阀；4电液换向阀先导阀组；5电液换向阀主阀组； 6先导阀组过滤器；7先导阀组单向阀；8支架回液单向阀；9支架供液过滤器；10支架供 液截止阀 图 1-3 推移千斤顶液压回路图 Fig.1-3Hydraulic circuit diagram of advancing cylinder 太原理工大学硕士研究生学位论文 4 推移千斤顶是液压支架的重要组成部分，主要作用是实现推溜和移架，即完成刮板 输送机和液压支架行走功能。如图 1-3 为煤矿液压支架推移千斤顶的液压回路示意图。 推移千斤顶两端分别连接着刮板输送机和液压支架，当没有动作时，换向阀处于常位， 与回液口连通，千斤顶靠液控单向阀锁死；当进行推溜动作时，控制千斤顶下腔进液的 换向阀开启， 推移千斤顶下腔进液， 同时控制液控单向阀反向打开， 千斤顶活塞杆伸出， 实现推溜动作；当进行移架动作时，控制千斤顶上腔的换向阀打开，高压乳化液正向打 开液控单向阀，千斤顶活塞杆缩回，实现移架动作。 （3）平衡缸 平衡缸位于支架顶梁如图 1-4 为煤矿液压支架平衡缸的液压回路示意图。 1平衡缸；2安全阀；3液控单向阀；4电液换向阀先导阀组；5电液换向阀主阀组； 6先导阀组过滤器；7先导阀组单向阀；8支架回液单向阀；9支架供液过滤器； 10支架供液截止阀 图 1-4 平衡缸液压回路图 Fig.1-4Hydraulic circuit diagram of balance cylinder 目前煤矿所使用的液压支架多为两立柱式结构， 这种类型的液压支架为了控制顶梁 的承压需要调整顶梁的俯仰角度，因此都配有平衡缸，因此平衡缸与立柱一样承受的都 是来自顶板的压力。平衡缸靠液控单向阀锁死保持静止；当控制平衡缸下腔的换向阀开 启，高压乳化液控制平衡缸上腔的液控单向阀开启，平衡缸下腔进液上腔回液，活塞杆 伸出； 当控制平衡缸上腔的换向阀开启， 高压乳化液控制平衡缸下腔的液控单向阀开启， 平衡缸上腔进液下腔回液，活塞杆缩回。 通过以上分析可以知道，换向阀是煤矿液压支架电液控制系统的控制元件，控制着 太原理工大学硕士研究生学位论文 5 各种动力液压缸的动作， 液压支架电液控制系统的性能优劣直接受到换向阀性能好坏的 影响。 目前煤矿液压支架采用的均为开关式换向阀，但是开关式换向阀在启闭瞬间，会对 液压支架控制系统带来巨大的液压冲击，这种液压冲击会造成设备和管路振动，产生噪 声，破坏密封，甚至产生误动作，是大多数液压系统和液压元件产生故障的根源。对于 如何减小系统液压冲击，大量学者对此进行了深入研究，裴学智指出减小液压冲击可以 通过减小换向阀的换向速度和液压缸停止前或反向前的速度来实现[6]。E.Yao[7]等人指出 了阀门的快速启闭是造成液压冲击的主要原因，提出了阀门分段关闭的方式来降低危 害。 1立柱；2液控单向阀；3安全阀；4立柱截止阀；5电液比例方向阀主阀组；6电液 比例方向阀先导阀组；7先导阀组过滤器；8先导阀组单向阀；9支架供液过滤器；10支架供 液截止阀；11支架回液单向阀 图 1-5 比例方向阀控制的立柱液压控制回路图 Fig.1-5Hydraulic control circuit diagram of hydraulic leg by proportional direction valve 此外，随着煤矿综采智能化水平的提高以及井下无人工作面的试验研究，对液压支 架姿态要求显得尤为重要，因此对液压支架系统控制用换向阀提出了更高的要求，即可 以准确的远程调整和控制支架姿态或者是根据既定程序调整和修正姿态。 液压支架的姿 态调整究其根本是液压控制阀对液压缸的控制， 目前煤矿井下液压支架姿态监测均采用 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 传感器，但是控制端却仍是开关阀形成的开环控制系统，这是造成支架姿态调整不准确 与不稳定的根源。 应用于乳化液的高压大流量比例方向阀是解决上述问题最为行之有效的方法， 比例 方向阀可根据控制信号输出相应的阀口开度， 可以通过阀口开启和关闭的速度减小系统 液压冲击；比例方向阀易于和计算机、传感器等形成闭环控制系统，使液压缸精确定位 成为可能。如图 1-5 所示，为比例方向阀控制下的立柱液压控制回路图，该回路未对原 有立柱液压回路作出较大的改进，仅仅对换向阀作出了调整并利用处理器 ECU 进行阀 的控制，无需对液压缸和支架作出变动，对于平衡缸和推移千斤顶液压回路同样如此， 这里不再赘述，此种改进是基于现有成熟完善的技术基础而来的，易于实际改造工作。 但是面对紧迫的需求，国内外却还没有一款比例方向阀能够应用于煤矿液压支架。 1.3 比例方向阀研究动态 1.3.1 比例阀的发展与简介 比例阀是基于比例技术发展起来高性能阀，广义上讲所谓比例阀是阀的输出量，如 压力、流量、阀芯位移、阀芯运动速度、阀芯运动加速度等，能随输入控制信号连续成 比例地得到控制，这类阀均可以成为比例阀。从控制量角度讲，将比例技术分别应用于 传统的三大类阀可分别构成比例压力控制阀、比例流量控制阀、比例方向控制阀，值得 注意的是此处方向是一个开关量并无大小， 所谓的比例方向阀控制的也是不同出口的流 量或者压力， 即比例方向阀是在比例压力阀或者比例流量阀的基础上增加了切换方向的 功能；按照系统工作介质的不同可以区分为油压型比例阀和水压型比例阀。 如果要从阀的技术特性，进一步将广义上的比例阀进行细分，首先要区分清楚以下 名词伺服阀、工业伺服阀、早期比例阀、比例阀、伺服比例阀。它们都满足输出量随 输入量连续成比例的变化，但是它们发展时间、阀的结构、油液清洁度要求、性能状况、 应用场合等有着巨大不同。 伺服阀是上世纪二战末期由于对武器和飞行器自动控制的需要而产生的，在 60 年 代技术成熟，伺服阀具有高频响、高控制精度、无零位死区的优点，但是同时伺服对流 体介质的清洁度提出了非常苛刻的要求， 一般为 310m，加工精度要求为m 级，并 且系统能耗也比较大，一般控制阀口要损失 1/3 的供油压力。这种类型的阀由于其优异 太原理工大学硕士研究生学位论文 7 的控制性能，在国家重要的武器和航天等领域应用较多，但是对追求利益的一般工业体 系而言是无法接受的。伺服阀从结构上主要分为喷嘴挡板式和射流管式，如图 1-6 所示 是一个典型的喷嘴挡板式伺服阀结构图， 缠绕在衔铁上的螺线管会根据输入信号产生 磁场作用于衔铁， 衔铁旋转带动挡板运动会改变 P1、P2 的压力从而推动阀芯运动，阀 芯的运动又会通过反馈杆反馈给挡板，直到重新达到平衡为止，此结构也可以作为先导 级来推动更大功率的主阀。 1-6 喷嘴挡板式伺服阀结构图 Fig.1.6Structure diagram of nozzle baffle type servo valve 工业伺服阀是在伺服阀技术成熟的上世纪 60 年代，由于民用工程对伺服比例技术 的需要而又无法直接使用伺服阀的情况下产生的。它是在伺服阀基础上，增大电机械转 换器功率，适当简化伺服阀结构从而降低制造成本，但是应用面不广。 早期比例阀也是最早出现在上世纪 60 年代，同样是为了解决比例技术在民用领域 的应用问题，它主要是在传统的开关阀的基础上改进的，将比例电磁铁代替开关电磁铁 或者手柄开关，阀的主体结构及原理未发生变化，性能较差，频响为 15 Hz， 滞环 47，主要用于开环系统。这其中具有代表意义的是 1967 年瑞士 Beringer 公司生产 的 KL 比例复合阀以及七十年代初期日本油研公司研制出压力和 流量两种比例阀并获 得专利[8]。 我们现在讲的比例阀通常意义上指的是上世纪七八十年代， 进一步从控制原理上完 善了阀的设计，采用各种形式的内外反馈、电校正技术，同时比例