結構參數對液壓支架雙級安全閥動態特性的影響

蘇 波

（中天合創能源有限責任公司葫蘆素煤礦，內蒙古 鄂爾多斯 017399）

液壓支架中的安全閥是液壓支架安全保護元件及安全控制系統中十分重要的部件，安全閥的質量對液壓支架的整體性能有著非常重大的影響，在沖擊機械、攪拌機械、挖掘機械等大型設備的控制系統中，安全閥的一項重要作用就是確保系統的安全。

當設備遭受超過其可承受的力或在工作中出現故障將對工作人員或設備產生危害時，安全閥能夠自動卸荷分流進而達到對人員設備的安全保護，預防重大事故的發生[1-4]。

1 雙級安全閥結構及工作原理

圖1 雙級安全閥結構圖

2 雙級安全閥建模

忽略了瞬態的液動力、閥芯的自重和運動摩擦力、閥口及安全閥內部的泄漏、工作液等一些對仿真結果影響較小的參數。對雙級安全閥進行數學建模。

（1）主閥芯進液口流量方程

式中：Qs為主閥芯入口流量，m3/s；Ps為安全閥進口壓力，MPa；β為液體彈性模量，N/m2；A1為小閥芯入口面積，m2；Vs1為直動閥內液體體積，m3。

（2）小閥芯出液口流量方程

式中：Q1為小閥芯流量，m3/s；W為過流濕周，m；Cd為流量系數；x1為小閥芯位移，m；Po為安全閥出口壓力，MPa；ρ為液體密度，kg/m3。

（3）小閥芯運動方程

式中：m1為小閥芯質量，kg；B為等效阻尼系數，N·s/m；Kt1為內彈簧剛度，N/m；L1為內彈簧預壓縮量，m；Ks為液動力剛度系數，N/m。

（5）對外開放程度的提升同樣對產城融合發展水平的提高具有一定的正向作用。對外開放程度的影響系數為1.011，這說明在其他因素保持不變的前提下，當外商直接投資額每上升1個百分點，產城融合發展指數將上升1.011個百分點。這是因為隨著外商直接投資額的不斷上升，大量先進的生產技術、管理經驗被引入，增加了工作崗位，不但促進了產業發展，也助力了城鎮化的推進。

（4）主閥芯進液口流量方程

式中：A2為主閥芯進口截面積，m2；Vs2為主閥芯內液體體積，m3。

（5）主閥芯出液口流量方程

式中：x2為主閥芯位移，m。

（6）主閥芯運動方程

因主閥芯與小閥芯的結構差異，使得主閥芯受到環形差動面積產生的軸向液壓力Ps·ΔA，所以主閥芯的運動方程為：

式中：m2為主閥芯質量，kg；ΔA為主閥芯的差動面積，m2；Kt2為外彈簧剛度，N/m；L2為外彈簧預壓縮量，m。

根據式（1）～（6）,利用MATLAB/simulink模塊，將安全閥分為閥口流量方塊圖部分、連續性方塊圖部分和閥芯運動方塊圖部分，建立雙級安全閥仿真模型如圖2。

圖2 雙級安全閥差動式結構方塊圖

利用雙級安全閥的仿真模型對雙級安全閥工作特性進行仿真，得到雙級安全閥的動態特性曲線如圖3。

圖3 雙級安全閥的動態特性曲線

由圖3 可知，雙級安全閥輸出壓力特性隨著時間呈階躍特性變化，在0.001 s 內壓力上升至開啟壓力最大值54 MPa，在0.001～ 0.004 s 出現波動并隨著時間歷程約在0.004 s 穩定在48 MPa 左右。

3 結構參數對雙級安全閥動態特性的影響

3.1 主閥芯質量

圖4 顯示了不同主閥芯質量時雙級安全閥的動態特性曲線。由圖可以看出，隨著閥芯質量的增加，安全閥的輸出壓力峰值、波動峰值均呈增加趨勢，波動調整時間、超調量不斷變大，但穩定值幾乎不變，因此在進行設計時應根據閥的結構，盡可能減小主閥芯的質量，保證安全閥擁有良好的動態特性。

圖4 不同閥芯質量下差動式結構仿真曲線

3.2 阻尼系數

對安全閥來說阻尼系數嚴重影響其動態特性。圖5 顯示阻尼系數不同時安全閥的動態特性曲線。由圖5 可知：當阻尼系數不斷增大時，雖然安全閥輸出壓力幅值逐漸減小，當阻尼系數較大時，超調量比較小，波動也較小，穩態調整時間也較小，但阻尼系數的不同對安全閥的穩定壓力沒有影響。

圖5 不同的阻尼數對安全閥輸出壓力的影響

3.3 彈簧剛度K

不同的彈簧剛度K 對溢流閥的動態響應性能也有著非常重要的影響，因此在設計溢流閥時必須慎重選取。圖6 給出了在不同的彈簧剛度K 條件下安全閥的動態特性變化。彈簧剛度取值分別為4.8×105N/m、3.8×105N/m 和2.8×105N/m。由圖可以看出，隨著彈簧剛度K 的變化，閥的進口壓力也跟著不斷變化，且隨著K 變大負超調也不斷變大。不同彈簧剛度K 下的輸出壓力變化如圖6。

圖6 不同彈簧剛度K 下的輸出壓力變化

3.4 差動面積A

在第二級大流量差動式結構中差動面積A 是十分重要的參數，不同的差動面積對差動級的動態特性會產生非常大的影響。差動式結構與直動式結構相比其最大的優點就是噪聲小，工作平穩，并且可以增加安全閥的使用時間。由圖7 可知采用不同的差動面積時安全閥的動態特性變化，當差動面積不斷變大，顯示出閥的動態特性也在變好，隨著調定壓力不斷增大動態調節的時間不斷減小，并且超調量也變得越來越好，穩定時間也縮小了。因此差動面積的選擇對閥的動態特性有著非常重要的影響。

圖7 不同差動面積下輸出壓力的變化

4 結論

本文通過對雙級安全閥的結構參數進行仿真，主要得到如下結論：

（1）隨著閥芯質量m 的變化，安全閥的輸出壓力并沒有太大的改變，但是隨著主閥芯的質量不斷增大，動態調整時間、超調量也在不斷變大。

（2）進口橫截面積過大，會使得閥的控制不穩定，而進口面積過小時會使輸出壓力變得過大，而且很難控制。反而當進口橫截面積過大時，輸出壓力就會變小，不能夠達到預先所要求的控制壓力，且動態調整時間較長。

（3）當阻尼系數不斷增大時，雖然安全閥幅值逐漸減小，幅度變化卻不大。當阻尼較大時，超調量比較小，波動也較小，穩態調整時間也較小，但阻尼系數的不同對安全閥的進口壓力卻沒有影響。

（4）隨著彈簧剛度K 的變化，閥的進口壓力也跟著不斷變化，且隨著K 變大負超調也不斷變大。

（5）當差動面積不斷變大，閥的動態特性也在變好，隨著調定壓力不斷增大動態調節的時間不斷減小，并且超調量也變得越來越好，穩定時間也縮小了。