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结构参数对泵站卸荷阀影响的仿真及分析 Si m ul a t i on an d anal y si s of unl oadi ng val v e i n pum pi ng s yst em w i t h di ffer en t s t r uct ur e par am et er s 徐鹏 XU Pe n g 北京天地玛珂电液控制系统有限公司，北京 1 0 0 0 1 3 摘要针对矿用乳化液泵站卸荷阀的结构及工作原理，建立常微分数学模型 ， 通过静态分析确定影响 卸荷阀性能的结构参数。使用R u n g e K u t t a 法对模型求解进行仿真 ，分析不同结构参数对卸 荷阀特性的具体影响。结果表明主阀芯阻尼孔长径比、主阀芯控制腔体积、先导阀口与控 制活塞面积比、调压弹簧刚度、主阀芯上下腔面积比是影响泵站卸荷阀性能的5 个关键结构参 数，合理匹配各参数之间的关系，可以提高泵站卸荷阀的性能。 关键词泵站卸荷阀； 结构参数；仿真分析 中囝分类号 T P3 0 1 ． 6 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 9 0 1 3 4 t O l 5 1 O 上 一 0 0 6 9 - 0 5 Do i 1 O． 3 9 6 9 ／ J ． I s s n． 1 0 0 9 -0 1 3 4． 2 0 1 5． 1 9 ． 2 0 0 引言 卸荷阀矿山泵站系统的关键部件之一，是实现泵站压 力 自动调节功能的重要压力控制元件 ] ，其功能是在泵持 续运转的情况下满足综采工作面断续用液的需求口 ，其性 能的好坏对其 自身可靠性 以及泵站系统能否稳定运行有 着直接影响口 】 ，进而影响乳化液泵站的供液质量和系统 的节能效果 】 。 本文针对某型号的泵站卸荷 阀，深入分析其工作原 理，建立数学模型并确定关键结构参数 ，利用计算机仿 真技术 ，分析关键结构参数对 卸荷阀不 同性能指标 的影 响及其规律 ，并根据仿真结果优化结构设计 。 1 泵站卸荷阀的工作原理 某 型号 的泵站卸荷 阀的结构如图1 所示，其主要结 构分为单向阀、主 阀、先导调压 阀三部分，其 中单向阀 1 ． 单向闫芯 ；2 ． 主阀芯；3先导调压阀 图1 泵 站卸荷阀结构图 收稿日期 基盒项目 作者简介 出 口通往工作面液压系统 ，主阀出口通回液箱 。由于矿 山泵站系统工作介质为高水基乳化液 ，针对高水基介质 易泄漏、磨损 、易生锈等 问题 ，泵站卸荷 阀采用直接密 封 结构、耐磨材料配对等相应措施[5 ] ，先导调压阀直接 选用硬度高、耐腐蚀性好的陶瓷球作为阀芯 】 。 其工作原理如 图2 所示，泵 出口液体分为四路 ，一 路通过单向阀进入工作面液压系统，一路通过单 向阀进 入控制活塞腔，一路通过主 阀阻尼孔 以及主阀配合间隙 进入弹簧腔，一路通过主阀卸荷流回液箱 】 。卸荷阀的 开启由先导调压阀控制 ，当负载端压力大于先导调压阀 设 定压力 时，先导调压 阀开启 ，弹簧腔 内液体流 回液 箱 ，随着先导调压阀开 口量增大，流经主阀阻尼孔的压 力损失增大 ，达到主阀开启压差，主阀开启 ，单 向阀关 1 ． 单向阀芯；2 ．主 阀芯 3先导调压阐；4 阻尼孔 5 ．主阀芯控制腔 ；6 ． 调压弹簧；7 ．控制活塞 图2 泵站 卸荷 阀工作 原理 图 2 0 1 5 0 5 2 7 中央国有资本经营预算重点产业转型升级与发展资金项目 财企[ 2 0 1 3 1 4 7 2 号；中国煤炭科工集团科技创新 基金资助项 目 2 0 1 4 Q N2 3 ；天地科技技术创新基金 2 0 1 4 T DG Z Z D一 0 1 徐鹏 1 9 8 7一，男，山东德州人，工程师，硕士研究生，主要从事煤矿液压产品设计工作。 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 1 0 上 [ 6 9 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 闭，负载端压力通过控制活塞作用于先导调压阀维持其 开启 ，乳化液泵通过主阀卸载。当负载端压力低于先导 调压 阀设定压力时，先导阀复位关闭，主阀关闭，单向 阀重新开启，泵站继续向工作面供液 】 。 2 泵站卸荷阀的数学模型建立与分析 衡量卸荷阀性能好坏的指标为至工作面出口处的压 力变化特性 ，即卸载阀的主 阀升压与卸荷时该处允许的 压力变化范围与所需时间H 】 ，即动态特性 。影响卸荷阀 动态特性的因素很复杂 ，除阀自身结构参数之外，还受 到系统中管路及其他零件影响，在本研究中忽略其他零 件动态特性影响以及过液孔的液阻、阀芯 自重与液压卡 紧力的影响，假定阀出口压力为零，以主阀芯、先导阀 芯与控制活塞为研究对象，建立如下数学模型 1 主阀芯运动微分方程 p A 1 - P z 4 K 1 y 0 y 式中F 为作用在主阀上的稳态液动力 F 7 c D l p 1 y s i n l F l 为作用在主阀上的瞬态液动力 F t L i C l r C D 】 s i n o q F f 为主阀芯与阀套间的摩擦力。 2 通过主阀 口的流量方程 q 1 l兀 s i n l ， p V P 3 主阀芯阻尼孔节流方程吲 ； 4 先导阀芯运动微分方程 z 鲁 十 K 2 x 。 式中F 为作用在先导阀上的稳态液动力 2 2 C 2兀 音 c o s 0 F 为作用在先导阀上的瞬态液动力 L 2 D 2 去 √ 。 5 先导阀12流量方程 D 2 素 [ 7 0 1 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 - 1 0 上 总 流量 方程 g g1 g2 7 控制腔流量连续性方程嘲 ～ 亟 一 1 d t V o 8 控制活塞运动微分方程 去 9 先导阀开启瞬间，x y O ，q 2 0 ，有 P J 4一 P 2 Y 。 Pl P2 Ky o 一 p ■ ；_ _ 2 P 2 K2 x o 1 。系统压力达到上限时， d x 。， d z 。，先导 阀达到最大开度 ，有 x 。 一 P 2 A 3 K 2 x o 1 1 系统压力达到下限时， 0， o，先导 阀关闭，有 P2 K2 x 。 P min P2 K2x0 1 2 系统压力波动范围 鲁 ㈣ p 2 一一 一 _K 2 X m a x 5 由式 1 知 ，压力p 2 的响应速度主要由主阀芯控制腔 体积V 。 决定。 由式 2 与式 3 可知，P 2 由p 。 和△ 决定，其关键 因 素的参数为K Y 0 、A。 、A2 、d 0 、l o 值 ，但对P 的影 响， K。 Y 。 远不如A。 ／ A 大，对 的影响 ，1 0 与d 0 起关键 因素。 由式 4 知 ，系统压力下限p A m 则由先导阀 口与控制 活塞的面积比A 3 ， A 和主阀芯上腔压力P 决定。 由式 5 知 ，先导阀调压弹簧刚度K 越大 ，调节 灵 敏度越大 ，x 稍有变化便会导致压力波动范围增大。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 综上所述 ，对泵站卸荷 阀性能起关键作用 的结构参 数为阻尼孔参数l 。 与d 。 ，主 阀芯控制腔体积V 。 、先导 阀 口与控制活塞 的面积 比A ， ／ A 、先导 阀调压弹簧刚度K 和主 阀芯上下腔面积 L L A ／ A ，下面分别对其各 自影 响 进行仿真分析。 以上公式中 P 、P l 为主阀芯上下腔的液压力 P a ； p A 为单向阀出 口压力 P a ； A2 、A 为主阀芯上下腔的作用面积 T n 2 ； A 、A 为先导阀、控制活塞作用面积 m ； K 、 为主 阀、先导阀的弹簧刚度 N／ m； Y 。 、x o 为主阀、先导阀的弹簧预压缩量 m； x、Y、 Z 为 先 导 阀 、 主 阀 、控 制 活 塞 的 位 移 m m， 、m m 为先 导 阀、主 阀、控 制活 塞 的质量 m C 。 、C 为主 阀、先导阀阀 口的流量系数 ； D 、D 为主 阀、先导阀出流 口直径 m； O c ． 为主 阀芯阀口半锥角 ； e为先导阀座半锥角； R为先导球阀半径 m； a n 为阻尼孔有效作用面积 m ； 1 n 为阻尼孔直径 m； l 0 为阻尼孔长度 m； P 为液体密度 k g ／ m ； v 为液体运动粘度 mZ ／ s ； K 为液体弹性模量 MP a ； v 为主 阀芯控制腔体积 m3 。 3 R u n g e - K u t t a 算法 针对各微分方程，使R u n g e K u a a 对其进行迭 代求解，该方法是一种在工程上应用广泛的求解处置 问 题 的高精度单步算法 。 假设初值问题 ， f ≤ b 该 问题 的解y t 及f t ， y 足够光滑 。将y 在t 处做n 阶泰勒展开， ⋯t州 f y ⋯ 将 厂 f J， f ff ，得 ．y ti 1 y t i 厂 f l, y t i ⋯ Iiz 当h 充分小时， 一 ． 以上为n 阶泰勒法。如果在积分区间I t i t I l 】 内，多 预估几个 点的斜率值 ，并用加权平均数作 为平均斜率 的近似值，经过数学推 导、求解，可以得到四阶R u n g e ． K u t t a 公式 ，也就是在工程 中应用广泛 的经典R u n g e Ku t t a 算法。 应用F o r t r a n 语言编写计算程序 ，采 用R u n g e ． K u t t a 算法求解描述卸荷阀模型的微分方程组，算法如图3 所 示 ，从而建立 了泵站卸荷阀动态仿真分析模型，该模型 能够计算泵站卸荷阀各 口压力、流量和阀芯位移随时间 变化规律。 Y I 输 入 初 始 参 数l l I 初 设 步 长 h ， 收 敛 计 算I I I 计 算 偏 差 A - 一 Il Y N - ． { 步 长 h 折 半I I 步 长 h 加 倍 I． - - l I 计 算 偏 计 算 偏 刮 I输出 结 果 I I 步 长 折 半 1 次 计 算I I I输出 结 果 l 图3 泵 站卸荷阀动 态分析算法 N 4 仿真结果与分析 在 本研 究 中，我 们初 设 单步 计算 时 间 为0 ． 1 s ， 计算步数为1 0 0 ，总计 1 0 s ；计算初始变量设置为 x y z 0 mm， d x ／ d t d y ／ d t d z ／ d t 0，Pl P2 l b a r 。 模型主要结构参数如表1 所示。 1 阻尼孔 长度8 mm不变 ，分 别设定 阻尼 孔径为 0 ． 5 m m、l m m与3 m m，进行批处理运算，获得 系统压力 曲线如图4 所示。 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 -1 0 上 [ 7 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表1 模型主要结构参数 序号 名称 数值 单位 l 流量 6 3 0 L ／ rai n 2 主阀芯直径 5 0 mm 3 主阀座孔直径 4 6 mm 4 主阀芯质量 0 ． 6 6 k g 5 主阀芯控制腔长度 2 2 mm 6 先导阀芯直径 6 ．3 4 mm 7 先导阀座孔直径 5 n l r n 8 先导阀芯质量 O ． O 1 9 阻尼孔直径 1 mm 1 0 阻尼孔长度 8 1“11 m l l 控制活塞直径 5 ． 3 mm 1 2 控制活塞质量 0 ． O 5 k g l 3 调 压弹簧刚度 1 0 o N／ mm 1 4 液压油密度 9 9 8 k g ／ m3 l 5 液压油粘度 6 c P I 5 mm l ， ， 。 ． 。 ． ．i | | | I ； ； t | ＼ ⋯一 | ， 、 、 ．， ＼ ， l 、 } U 1 Z 4 0 6 ， H 1 D t e 图4不同阻尼孔径下 系统压力图 由图4 可看 出，阻尼孔长径 比越小，系统压力波动 越小，响应越快，但当长径 比小于某极 限值 时，系统压 力波动为零，此时卸荷阀的工作状态为溢流 ，导致回液 管路液体温度急剧升高，对系统不利应予避免。孔径过 小，还会容易造成阻尼孔堵塞，使得卸荷阀失效。在实 际设计 中，应合理选取阻尼孔长径 比，该参数值过大或 过小均对卸荷阀性能产生不利影响。 2 主 阀芯直径不变 ，分别设定主阀芯控制腔长度 为2 2 ra m、4 4 mm与8 8 mm，进行批处理运算，获得系统 压力曲线如 图5 所示。 [ 7 2 1 第3 7 卷第1 O 期2 0 1 5 -1 0 上 图5 不同控制腔体积 F系统压力 图 由图5 可 以看 出，控制腔长度越小，即体积越 小， 系统压力响应越快，压力波动越小，在保证主阀芯开度 满足阀 口阻力损失要求的情况下 ，应尽量减小弹簧腔的 长度，使卸荷阀获得更好的动态特性 。 3 先导阀座孔直径5 mm不变 ，分别设定控制活塞 直径为5 ． 1 mm、5 ． 3 mm与6 mm，进行批处理运算 ，获得 系统压力 曲线如图6 所示。 e 凸 -3 0 0 --． 5 5 ． ． 3 1 m m m m ／ ， ． 。 啊 } t { 、、 ／ _／ } ； 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 o t s 图6 不同先导阀 口与控制活塞面积 比下 系统压力图 由图6 可 以看 出 ，先 导阀 口与控 制活塞 面积 比越 小，系统压力波动越小 ，响应越快 ，但当两者面积 比接 近于1 时，系统压力波动为零，此 时卸荷阀工作状态为 溢流，应予避免。在实际设计中，应合理选取先导阀 口 与控制活塞面积 比，该参数值过大或过小均对卸荷阀性 能产生不利影响。 4 分别设定调压弹簧刚度为1 0 0 N ／ mm、2 0 0 N ／ ra m 与4 0 0 N ／ mm，进行批处理运算 ，获得系统压力 曲线如图 7 所示 。 由图7 可 以看出，调压弹簧 刚度越小，系统压力响 应越快，压力波动越小 ，在保证调压弹簧预压缩力满足 额定开启压力的情况下 ，应尽量减小调压弹簧刚度 ，从 而使卸荷 阀获得更好的动态特性。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图7 不 同调 压弹簧刚度下系统压力 图 5 主阀座孔直径 即主阀芯下腔直径为4 6 ra m， 分别设定主 阀芯上腔直径为4 6 ． 5 mm、5 0 ram与8 0 ram， 进行批处理运算 ，获得系统压力 曲线如图8 所示 。其 中 主阀上腔直径8 0 ra m时阀芯位移 曲线如图9 所示。 e 莹 ao o 0． 5 0 ． 4 言 量0 3 J 0 ． 2 0 ． 1 00 2 3 4 5 6 7 8 t s 图8 不同主阀上下腔 面积 比下系统压力图 - ． I I I 碴 J ； - _ _ 、 _ _● ‘ 1 2 3 5 f 7 8 9 图9 上腔直径8 0 mm时主 阀芯位 移图 由图8 可 以看 出，在主阀上下腔面积比越大 ，系统 压力波动越小 ，响应越快。当两者面积 比超过极 限值 时，尽管系统压力波 动在1 MP a 之 内，但 由图9 可 以看 出，此 时主 阀芯在一 定开度 下震荡 ，不 能实现 正常开 关 ，工作状态为溢流，应予避免。在实际设计 中，应合 理选取主阀芯上下腔面积比，该参数值过大或过小均对 卸荷 阀性能产生不利影响。 5 结束语 1 主 阀芯阻尼孔长径 比、主阀芯控制腔体积、先 导阀 口与控制活塞面积 比、调压弹簧刚度、主阀芯上下 腔面积 比是影响泵站卸荷阀性能的5 个关键结构参数。 2 减小主阀芯控制腔体积与调压弹簧刚度有利于 提高泵站卸荷 阀的动态响应 。 3 主阀芯阻尼孔长径比、先导阀 口与控制活塞面 积比与主阀芯上下腔面积 比的选取需适中，过大或过小 均对系统不利。 ． 4 在未来进一步的研究中，需通过试验与仿真相 结合 的方式对这5 个参数 的匹配关系进行分析，用 以优 化泵站卸荷阀的设计，提高产品性能。 参考文献 【 1 】 韩建华， 刘志奇。 基于遗传算法的卸载阀结构参数优化【 J 】 ． 太原 科技大学学报， 2 0 1 1 , 0 8 3 0 5 ． 3 0 8 ． [ 2 】 王 国法 ， 等． 液压 支架控 制技术 【 M】 ． 北京 煤炭 工业 出版 社。 2 0 1 0 1 9 ． 2 4 ． [ 3 】 王伟． 泵站溢流阀模型的动态特性仿真及分析[ J 】 ． 制造业 自动 化 ，2 0 1 4 ， 0 8 1 0 0 ． 1 0 2 ， 1 0 6 ． ． 【 4 】 袁 利 才 ． 一 种 新 型矿 用 卸 载 阀 的 研 究 【 J 】 ． 液 压 气 动 与 密封 ， 2 0 1 1 , 0 9 4 6 - 4 9 ． 【 5 】 弓永军， 周华， 杨 华勇． 结构参数 对先 导式纯水溢 流 阀性 能的影 响【 J 】 ． 浙江大学学报 工学版 ， 2 0 0 6 ， 0 5 8 6 9 ． 8 7 3 ． 【 6 】 贺小峰， 黄国勤， 杨有胜， 李壮云． 球阀阀口流量特性的试验研究 【 J 】 ． 机械工程学报， 2 0 0 8 ， o 8 3 0 ． 3 3 ． 【 7 】 李 培 良． 电磁卸荷 阀动态特性 仿真及流场数值模 拟[ D】 ． 太原 太 原理工大 学．2 0 1 2 1 1 - 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