基于20-Sim的电磁球阀的动态性能研究.pdf

2 0 1 4年 1 0月 第 4 2卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE T00L HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 4 Vo 1 ． 4 2 No ．1 9 DO I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 9 ． 0 1 2 基于 2 0 一 S i m的电磁球 阀的动态性能研究 魏 中良，廉 自生，宋时莉 太原理工大学机械 工程 学院，山西太原 0 3 0 0 2 4 摘要分析电磁球阀的工作原理，建立相应的功率键合图，并利用 2 0 ． S i m软件进行建模分析，得出电磁球阀的动态性 能曲线以及结构参数对其性能的影响。结果表明设计的电磁球阀的响应时间快、超调量小、工作范围大，最大流量达 1 2 L ／ m i n ；平衡回路上的阻尼孔的尺寸、阀芯行程及弹簧刚度分别对电磁铁推力大小、阀的出口流量、阀的使用寿命影响较 大 。 关键词 电磁球阀；功率键合图；2 0 一 S i m仿真；动态性能 中图分 类号 T D 3 5 5． 3 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 41 9 0 4 6 4 S t u dy o f Dy na mi c Pe r f o r ma nc e o f S o l e no i d Ba l l Va l v e Ba s e d o n 2 0． S i m W EI Zh o n g l i a n g，L I AN Zi s h e n g，S ONG S h i l i D e p a r t m e n t o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， T a i y u a n U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， T a i y u a n S h a n x i 0 3 0 0 2 4，C h i n a Abs t r ac tThe wo r k i n g p rin c i pl e o f s o l e n o i d ba l l v a l v e wa s a na l y z e d t o e s t a b l i s h t h e c o r r e s po nd i n g p o we r bo n d g r a ph．Dy na mi c pe rfo r ma n c e c u r v e s a n d t h e s t r u c t ur a l p a r a me t e r s a f f e c t e d a b o u t t h e s o l e n o i d b a l l v a l v e we r e a c hi e v e d by u s i n g t h e 20 S i m s o f t wa r e f o r mod e l i n g a na l y s i s ． Th e r e s u l t s s ho w t h a t t h e d e s i g n e d s o l e no i d b all v alv e ha s f a s t r e s po n s e t i me，s ma l l o v e r s h o o t a n d l a r g e wo r k i n g r a n g e，a n d t h e ma x i mu m o u t p u t fl o w r a t e i s 1 2 L ／ mi n ．I n a d d i t i o n，t h e s i z e o f t h e o rifi c e i n t h e b ala n c i n g l o o p，t h e s p o o l s t r o k e a n d t h e s p ri n g s t i f f n e s s h a v e g r e a t i mp a c t o n t h e s o l e n o i d p u s h i n g f o r c e ，t h e o u t l e t fl o w a n d t h e l i f e o f t h e v a l v e r e s p e c t i v e l y ． Ke y wo r d s S o l e n o i d b all v a l v e ；P o w e r b o n d g r a p h；2 0 - S i m s i mu l a t i o n ；D y n a mi c p e rfo r ma n c e 0前言 目前 ，电液控制系统广泛使用 于液压支架系统 中。在电液控制系统中，由电磁先导阀控制的电液阀 组是核心控制元件 ，而电磁先导阀阀芯部件的性能， 直接决定相应 的主阀的动作 ，从而影响着 液压支架工 作 的响应速度与可靠性 。电磁换向阀的阀芯结构有滑 阀和球 阀两种 ，球 阀结构的电磁换 向阀又称为电磁球 阀。小流量的电磁球阀一般用作先导阀来控制主油路 上的主阀，而大流量的电磁球阀可直接用于控制主油 路 的通 断⋯。对 于大 吨位 的液压支架来说 ，先导 阀流 量越大，主阀动作就越迅速，液压支架响应也更快 ， 这对提升整个采煤系统的工作效率具有重大的意义。 目前 ，矿井下用作先导 阀的常用的电磁球 阀的流量是 1 ． 6 L ／ m i n ，其值 比较小，大流量的电磁球 阀在 国内 外也无 成熟 产 品 ，因此 ，研 究 电磁 先导 阀 的动 态特 性 ，对设计 出一款实用 的大流量 的电磁先导换向阀具 有重大意义。本文作者通过搭建 电磁球阀的功率键合 图，并用 2 0 - S i m软件对其阀芯的相关参数进行仿真 分析，研究其动态性能。 1 电磁先导 阀的工作原理 图 1 为设计 的一款大尺寸 的电磁球 阀阀芯的结构 图。 1 0 9 8 7 6 5 4 3 2 1 l 一 顶杆卜 平 衡套卜回液 阀套4 一常 开陶 瓷球5 一顶 针 6 一 中 间阀套7 一 常 闭陶瓷 球8 一 弹簧 座9 一 弹簧l O 一 阀体 l l m进液阔套 l 卜 阻尼销 图 1 电磁球 阀阀芯的结构 其工作原理是 右端 电磁铁得 电产生 的电磁铁推 力作用于 阀芯运动部件 1 ，2 ，4 ，5 ，7 ，8 上， 阀芯运动部件 克服阻力 向左运动 ，使 4与 6形成 的常 开阀口逐渐关闭，6与 7形成的常闭阀口逐渐开启， 从而使工作口A口与回油 口T口断开 ，进油 口P口 与工作口 A口连通，电磁先导阀开启 ，高压油通 向 工作端；同理，当电磁铁失电时，在弹簧的弹力的作 收稿 日期 2 0 1 3 0 8 2 6 基金项目十二五山西省重大科技专项项 目 2 0 1 1 1 1 0 1 0 2 5 作者简介魏中良 1 9 8 9 一 ，男，硕士研究生，研究方向为机电液一体化。Em a i l w e i z h 1 5 2 7 1 1 2 6 ． c o n。 第 1 9期 魏中良 等 基于2 0 - S i m的电磁球阀的动态性能研究 4 7 用下 ，阀芯运动部件向右运动，使 6与7形成的阀口 趋向关闭，4与 6 形成的阀口趋向开启，从而使 P口 与 A口断开，A口与 T口连通，电磁先导阀关闭，工 作端 的液压油 回流至油箱 。 阀芯动作时 ，由于阀芯运动部件 中 4与 7有位置 约束 ，使 得组 件 p a r t 1 5 ，7 ，8 与组 件 p a r t 2 1 ， 2 ， 4 动作不会完全一致 ，则应分别对其进行建模 分 析。 2 电磁球阀阀芯的功率键合图 根据 电磁球 阀的结构与工作原理 ，忽略顶针 5处 的内泄漏 ，用液压缸与质量块模拟执行元件与负载， 即可得 电磁球 阀的简化模 型，如图 2所示。其 中 一 尺 为相 应 流 道 、阀 口或 阻 尼孑 L 的液 阻 ，c 一 c 为对应 容 腔 的 液 容 ，A - I A 为各 截 面 的有 效 面积 ， s e为系统提供 的恒定压力 的液压源 。 图2 电磁球阀的简化模型 根据电磁球阀的简化模型与其功率的流向，可建 立对应的功率键合图 ，如图 3 所示。 Se 图 3 电磁球阀的功率键合图 其中P 。 为系统提供的恒定油压 ，F 为电磁铁推 力，s e 。 为弹簧预压缩力 ， C 为弹簧柔度，， I 、 J 分别表示为阀芯运动部件 p a r t 1 、p a r t 2与负载的等效 质量， 、R 分别表示常闭陶瓷球受到的稳态与瞬 态液动力的液阻 ，R 、R 尺 分别表示 常开 陶瓷球 受到 的稳态液动力 、瞬态液动力与摩擦 力的液 阻。 3电磁球阀的 2 0 ． S i m建模与仿真 3 ． 1 电磁球阀的2 0 ． S i m建模 2 0 ． S i m软件是 一个 主要 面 向机 电液 系统 设计 的 一 体化建模仿真平台，具有方程 、方框图、图标与键 合图四种建模方式，便于建立各种混合复杂的系统模 型，它还提供了多种积分算法，提高了仿真速度 ，确 保 了结果 的正确性 。 根据电磁球阀的功率键合图与状态方程，可方便 的搭建对应 的 2 0 一 S i re键合 图模 型 ，如 图 3所示 。电 磁球 阀采用子模型 V A L V E ，P A R T 1 ，P A R T 2 的模 块化建模 ，各可变参数在子模块 间通过全局变量进行 参数的相互传递。根据阀芯结构的实际尺寸值与阀芯 的流量方程 、流量连续性方程 、受力方程 ，可对 图 3中各元件的参数进行设置，建立各元件流变量与力 变量间的相互关系 J 。图4为常闭阀口液阻 的参 数设置。 ／ ／R 3常翘阀口液阻 -- 3 Ⅵ E -竹∞c ∞ nr 噬te r■ t e l l D o - ‘ e 一 1 ． d -- 4 e 一 1 ， ， 舟瓷 球直 径D 0 c 四， ，荫 口座】 【 径d 【 c Ⅲ 】 lt 1 ． z -c a ．r O． 0 0 0 9 ． G 1 0 ． 9 5 ， ， 油 灌盛 z -o u t ， 伍 ， J 球 阀-Kt 幕敖 。 q ■ri■b1ea 弛 t 1 A 0 1 ， l p h s ； 1 1 常 解嘲 r 3 过流 面积A 0 1 c 吐 ，棚 口座倒 角 a l r ,n a g r a d 艟 I l口 1 曲 “ l 1 ， ， 常闭 阀口 井 口蕾n ， 叩t 臣 件P t r t 1 的位謦I皿 ／ ／t a , R t t ． a ． 在 龃． 咩 t 1 挎尊 敛质 量I i 模 块 中定义 e mi 0 -l | m- - O ’ pd ． ／ 1D O O1 _ pi ／ 2 t O． 1 ． z 1 t D0 t 口． 10 Il l 0 _ i 丑 R m l p ,l a a 。 0 i 丑‘ 2 0 a1 1 a p ， f- l[g JO l u l g a t p ． t ’ ’蜩曲 但 。- b _臼． e ， 町 1 图4 常闭阀口液阻R ， 的参数设置 由于 2 0 - S i m V i e w e r为试用版 ，不能保存数据， 且电磁球阀功率键合图模型的元件多，定义繁琐，应 该在 每一个 元件定 义好后 ，把元件 的设置复制并保存 在文本文档中 ，方 便以后 调试 时二次使用 。 3 ． 2 电磁 球 阀的性 能仿 真 用 2 0 - S i m软件进行仿真分析时 ，电磁铁给电时 间段为 0 ． 0 1～0 ． 0 7 s ，总仿真 时 间取 0 ． 1 4 s ，用 B a c k w a r d D i f f e r e n t i a t i o n F o r m u l a B D F 求解器进行求 解，可得到电磁球阀的动态性能曲线 。 图 5 为电磁球阀的阀芯位移曲线。由图可知，构 成阀芯运动部件的两个组件 p a r t 1与 p a r t 2 运动不 完全一致。在 t 0 ． 0 1 s 时电磁铁推力作用于顶杆上， 组件 p a r t 2与组件 p a r t 1 迅速一起向左运动，使常开阀 口关 闭 ，常闭阀 口开启 。当常开 阀 口的阀 口开 口量减 为 0时 ，组件 p a r t 2与中间阀套碰撞 ，其开 口量保持 为 0 ，而组件 p a u l由于惯性继续向左运动，使常闭 4 8 机床与液压 第4 2卷 阀口开口量大于设定值 0 ． 5 m m，然后在受到弹簧力 的作用下，组件 p a r t l 往回运动 ，直到与组件 p a r t 2碰 撞后一起 向右 回弹。多次 的来 回振荡后 ，阀芯运动部 件在 t 0 ． 3 8 s 时达 到稳定 。在 t 0 ． 0 7 s 时 ，电磁铁 断电，阀芯运动部件在弹簧力的作用下，迅速复位。 由于中间阀套的限位作用，组件 p a r t l复位时与中间 阀套碰撞后反弹 ，而组 件 p a r t 2继 续 向右运动 。当两 组件断开接触时，组件 p a r t 2受到总的向左的静液压 力，使其减速后也反向运动，直到与组件 p a r t l 接触 后一起振荡，最终在 t 0 ． 0 7 8 s 时，达到稳定状态。 图5 阀芯位移曲线 从图 5 可知 ，两阀芯组件运动不完全一致 ，验证 了建模 之前的分析 ，也 凸显 了分开建模的重要性 。另 外 ，阀芯从开始运动 到稳定仅用 0 ． 2 8 s ，响应快 ，其 超调量也较小 ，电磁球阀的动态性能较好。 电磁球阀的出 口流量如 图 6所示 。可 以看 出 t 0 ． O 1 S 时 ，常闭阀 口慢慢开启 ，阀的出口开始有流量 输出。但 由于阀芯组件 的振荡 ，阀 口开 口量 也变化 ， 使电磁球阀出口流量值有一定幅度的波动。在阀口开 口量达到稳定值后 ，阀的出口流量也逐渐达到稳定值 1 1 L ／ m i n 。当电磁 铁断电 ，阀芯 复位时 ，电磁球 阀的 出 口流量迅速减 为 0 。在负载重力 的作 用下 ，液压缸 中的液压油 ，经小 幅振荡后 ，回流至油箱。 图 6阀的出口流量 曲线 由于阀芯换 向时 ，受到 的液动力与液压卡紧力均 与通过的流量和压力值有关 ，则电磁球阀只能在一定 的流量 压力范 围内才能正常工作 。图 7为电磁球 阀的 工作 范围曲线 ⋯。从 图 7可 以看出 ，该 电磁球 阀的工 作压力 范 围大，输 出流 量 值也 大 ，最 大 可 达 1 2 L ／ m i n ，远远大于 目前矿井 常用 的电磁球 阀额定输 出 流量值 1 ． 6 L ／ ra i n 。 0 2 4 6 8 1 0 1 2 1 4 出 13流量， Lrai n ‘ 图 7 阀的工作 范围曲线 3 ． 3 结构尺寸对电磁球阀的性能的影响 电磁球阀平衡 回路上的阻尼孔 ，用 于平衡 阀芯上 受到 向左与向右的静液压 力 ，使 电磁铁推力仅须克服 弹簧力、液压卡紧力 、液动力 ，便可以让电磁球阀开 启 。电磁铁推力为 5 0 N时 ，把平衡 回路上 的 阻尼 孔 的液阻 R 设置为不同的值 ，仿真可得组件 p a r t l 的位 移 曲线 ，如图 8 所示 。 吕 目 魈 盆 鲁 址 鼎 图 8 不 同的阻尼孔液 阻时组件 p a r t l的位移 曲线 由图 8 可知 ，在相 同的电磁推力下 ，平衡 回路 上 阻尼孑 L 的液阻值越 小 ，阀 口开启至达到稳定时用时更 长，响应变慢。则在保证响应时间不变时，平衡 回路 上阻尼孔的液阻值越小 ，所需的电磁铁推力变大。所 以，在设计 电磁球 阀时 ，须反复校核设计平衡 回路上 的阻尼孔的结构尺寸 ，在保证 良好 的动态响应下 ，尽 量减小电磁铁推力，从而降低对应的电磁铁设计要 求 。 在相同压差情况下，阀芯最大开口量直接决定电 磁球阀出 口的最大流量值。改变 阀芯最大行程参数 ，值分别设 置 为 0 ． 3 、0 ． 5 、0 ． 7 m m，通 过仿 真 即 可获得先导阀出 口的流量变化 ，如 图 9所示 。由图 9 可知，随着阀芯行程的增加，电磁球阀的出口最大流 量值也增加，但增加的幅度越来越小，稳定性也变 4 2 O 8 6 4 2 O 2 ‘ I 窆、 坦 H 第 1 9期 魏中良 等基于 2 0 一 S i m的电磁球阀的动态性能研究 4 9 差，响应时间变长。则在设计阀芯行程时，应合理选 择阀芯行程值 ，使电磁球阀的出口流量尽量大，同时 使 电磁铁 的衔铁行程偏小 。 ．量 目 二 臻 Ⅱ 钼 鏖 图 9 不 同行 程时阀的 出口流量 曲线 弹簧的刚度对阀芯位移的超调量、振荡次数、响 应时间都有很大关联。改变弹簧刚度 k 值 ，分别设置 为 1 0 、1 5 、2 0 N ／ m m，通过仿真即可获得电磁球阀组 件 p a r t l的位移变化情况，如图 1 0所示 。由图 1 0可 知，弹簧刚度越大，其超调量越小 ，则常开阀口关闭 时与 中间 阀套 的碰撞也越柔 和 ，增加 了电磁球 阀的寿 命 ，但其达到稳定状态用的时间变长，响应变慢。则 在选择弹簧刚度时 ，应在保证响应时间的情况下，尽 量偏大选取，可增加电磁球阀的使用寿命。 0 ． O 0 0 ． 0 2 0 ． 0 4 0 ． 0 6 0 ． 0 8 0 ． 1 0 0 ． 1 2 0 ． 1 4 时 间t ／ s 图 1 O 不同弹簧刚度时 p a n 1的位移 4 结束语 1 通过 2 0 一 S i m仿真可以看出，电磁球 阀阀芯 动作 时 ，由于存 在 中间 阀套 的限位作 用 ，组 件 p a r t 1 与组件 p a r t 2动作不 完全一 致 ，阀芯 的振荡 ，导 致 电 磁球阀出口压力与流量的波动，但其波动较小 ，响应 时间快 ，动态性能较好。另外 ，电磁球阀的工作范围 曲线区域大，最大输出流量值可达 1 2 L ／ m i n ，远远大 于 目前 矿 井 常用 的电 磁球 阀额定 输 出流 量值 1 ． 6 I Mmi n 。 2 电磁 球 阀平衡 回路 上 的阻尼 孔 的尺寸 对平 衡阀芯受到的静液压力具有重要作用，合理的结构尺 寸可减小电磁铁推力，从而降低对应的电磁铁设计要 求。增加阀芯行程可增加阀的输出流量，但其增加效 果越来越不明显。弹簧刚度值对电磁球阀的动态性能 影响较大 ，应在保证响应时间的情况下，尽量选取较 大刚度的弹簧，减小碰撞，从而增加电磁球阀的使用 寿命。 参考文献 [ 1 ]范存德．液压技术手册[ M] ． 沈阳 辽宁科学技术出版 社 ， 2 0 0 4 7 8 88 0 0 ． [ 2 ]郑环峰 ， 马胜钢， 王永强， 等． 高水基大流量电液阀换 向 性能的分析[ J ] ． 煤矿机械 ， 2 0 1 1 ， 3 2 7 9 0 9 2 ． [ 3 ]刘能宏 ， 田树军． 液压系统动态特性数字仿真[ M] ． 辽 宁 大连理工大学 出版社 ， 1 9 9 3 ． [ 4 ]熊伟 ， 包钢， 李洪人． 2 0 一 S i m软件介绍及其应用 [ J ] ． 液 压与气动， 2 0 0 0 4 3 1 3 3 ． [ 5 ]韩向可， 张河新， 杨明杰 ， 等． 一种电液控制阀先导阀的 动态设计与仿真 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 5 1 3 3 1 3 7． [ 6 ]马志刚 ， 高钦和， 李晓丽． 2 0 一 S i re在机电液一体化系统建 模仿真中的应用 [ J ] ． 流体传动与控制， 2 0 1 0 6 2 5 2 7． [ 7 ]王欣， 宋晓光， 薛林． 基于 Ma t l a b ／ S i m u l i n k的键合图在 液压系统动态仿真中的应用[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 7 ， 3 5 6 1 2 31 2 4 ． [ 8 ]刘 亭利 ， 胡 国清 ． 基于键 合 图建模 法 的液 压系统 动态仿 真[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 4 1 6 91 7 3 ． 上接第 6 6页 [ 4 ]马春翔 ， 胡德金． 超声波椭圆振动切削技术 [ J ] ． 机械工 程学 报 2 0 0 3 ， 3 9 1 2 6 7 7 0 ． [ 5 ]张建 中 ， 李 秀人 ． 超 声振 动干 式镗 削 4 0 C r M n S i M o V A钢 的试验研究[ J ] ． 航空工艺制造技术， 2 0 0 2 5 5 8 6 0 ． [ 6 ]张建中． 超声振动干式镗削不锈钢[ J ] ． 制造技术与机 床 ， 2 0 0 3 4 4 2 4 4 ． [ 7 ]姜大志 ， 孙俊兰． 低频振动攻丝机研制 [ J ] ． 机械工程 师， 1 9 9 8 6 2 0 2 1 ． [ 8 ]崔永鹏． 难加工材料小孔振动攻丝的试验研究[ D] ． 哈 尔滨 哈尔滨工业大学， 2 0 0 6 ． [ 9 ]尹天津． 超声振动辅助铣削机理及实验研究[ D ] ． 济南 山东大学 ， 2 0 1 0 ． [ 1 0 ]张衡． 利用数控系统实现脉冲力作用的数控铣削研究 [ D ] ． 沈阳 沈阳航空航天大学， 2 0 1 2 ． [ 1 1 ]佟富强 ， 张飞虎， 陈光军 ， 等． 低频振动切削对加工表面 影响的机理研究 [ J ] ． 华中科技大学学报， 2 0 0 7 ， 3 5 6 870． [ 1 2 ]杜小东． 小直径铣刀高速铣削淬硬钢的动力学建模与 仿真[ D] ． 南京 南京理工大学， 2 0 0 7 ． O O 0 0 0 0 目目 、 避暑H - 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