高水基安全阀动态特性仿真与优化

　　安全阀是液压支架立柱回路控制和过载保护的关键元件.其工作状态表现为瞬变过程,具有动作时间短、压力高、流量大、动态特性强等特点[1].对它的要求主要是:要有良好的静态特性,当顶板沉降速度很小时,能保证支架的恒阻性能;要有良好的动态特性,当顶板突然快速下沉时,能够对支架进行可靠的过载保护[2].

　　当顶板岩层以较快的冲击速度急剧下沉时,立柱活塞腔的压力迅速上升,并作用于安全阀的阀芯,使之开启卸荷.由于压力高、冲击速度快,阀口的泄流量很大,极易使阀芯产生非线性振荡,从而导致在立柱控制回路中产生液压冲击[3].因此必须采取有效的措施来提高阀芯的稳定性,改善安全阀的动态特性.本文运用功率键合图和状态空间相结合的方法,建立立柱系统安全阀的数学模型,借助于Mat-lab/Simulink对其溢流卸载状态进行动态特性仿真,为优化安全阀结构、减小压力冲击提供参考.

　　1　数学模型的建立

　　在建立液压系统的动态数学模型时,功率键合图是一种有效的工具,它是在功率流概念的基础上,用一种有限符号构成的双信号流图[4-5].利用功率键合图技术建立的液压动态分析模型与实际情况接近.立柱系统安全阀的结构简图如图1所示.

　　对图1所示的立柱系统安全阀进行分析,根据功率键合图的绘制规则,画出系统的功率键合图,如图2所示.图中:p12为安全阀阀芯的动量,qV,f为流源,Rx为泵站泄漏液阻,Rf为阀口液阻,Rj为换向阀液阻,Rk为阻尼孔液阻,If为阀芯惯性元,x11为阀芯的位移,Cg为管道的液容,A为阀芯的面积,kt为弹簧刚度.

　　选取键合图中容性元和惯性元上自变量对时间的积分为状态变量,应用功率键合图的有关规则及其变量间的关系,推导出系统的数学模型状态方程:

　　2　参数确定及必要的约束条件

　　建立数学模型后,在动态仿真之前需要确定模型中的相关参数,试验能够测得的参数见表1,有些参数需要计算得到.

　　在额定流量下阀口的开启量:

　　弹簧的预紧力:

　　Fe= ptA-(x₁+x₂)/kt

　　约束条件是指对系统的动态数学模型的某种约束,也就是对由数值计算所得出的系统状态变量过程值的限制.设置约束条件的目的是要对系统的动态状态方程在描述系统动态结构及特征方面的不完备性进行补正.具体到本模型有:

　　若阀芯位移x11<x1,则令x11=x1;

　　若阀芯位移x11>xmax,则令x11=xmax;

　　若阀芯位移x11=x1,且速度v<0,则令v=0;