一种电液控制阀先导阀的动态设计与仿真

　　0 引言

　　采煤支架用电液控制阀是采煤支架电液控制系统中的核心元件,安全性、可靠性要求很高,采用传统的设计方法已经不能满足要求,需要充分考虑其动态特性。本文以电液控制阀先导阀为例,根据其工作原理,建立先导阀的非线性数学模型,并进行了动态仿真和分析。

　　1 电液控制阀先导阀的工作原理

　　图1所示为电液控制阀先导阀的结构图。图中1、2为两个陶瓷小球, 3为阻尼销, 4为压缩弹簧, 5为弹簧座, 6为顶针, 7为顶杆; P口为进油口,向先导阀提供恒定的压力ps;O口为回油口,与油箱相连;T口与主阀的液控端口相连,控制主阀的开启和关闭;力F为经杠杆放大后的电磁推 力。先导阀在不工作时,球阀1在弹簧力和下端液压力作用下处于关闭状态,球阀2常开;当电磁铁得电时产生电磁推力F,经由顶杆7推动小球2向下运动,关闭 球阀2,同时,顶针6把球阀1顶开,高压油先经过阻尼销3的环形缝隙进入A腔,然后由球阀1流入;当电磁力F撤去时,球阀2在液压力的推动下重新打开,从 而使T口压力p降低,球阀1在弹簧力和压差的作用下向上运动,关闭球阀1。

　　因此,先导阀的工作过程可分为两个阶段:开启过程和关闭过程。下面根据各个过程的实际情况分别建立非线性数学模型,并进行仿真、分析。

　　2 开启过程的数学模型

　　根据实际情况,先导阀开启前上端球阀2常开, B腔并没有完全充满油液;同时,先导阀开启时间很短,球阀1的流量也很小,所以在开启过程中可以认为B腔压力p2=0,球阀2没有流量通过;可简化为图2所示的形式。

　　2.1 流量方程

　　流量Q1流过阻尼销环形缝隙时的压力-流量方程:

　　式中:Ac为偏心环形缝隙修正系数,取A=1175; d0为环形缝隙内径; h为半径方向上的缝隙值;L为动力粘度系数; l为缝隙长度。

　　球阀1的压力-流量方程:

　　式中: Cd为流量系数; d为球阀孔直径; R为小球半径;ρ为油液密度; x1为球阀1位移。

　　同时,考虑到液体的压缩性,A腔的流量连续性方程为:

　　式中: V1为A腔体积; E为液体体积弹性模量;其它符号同上。

　　2.2 运动过程力平衡方程

　　其中: F为电磁推力; p1A为球阀下端所受液压力;M1为阀芯当量质量,为顶杆、顶针、两个小球、弹簧座的质量和1/3弹簧质量之和; k为弹簧刚度系数; x01为弹簧预压缩量; F0为库仑摩擦力,其值很小可忽略; Fv为阀芯粘性阻尼力

　　式中: Bv为阀芯粘性阻尼系数,由粘性摩擦引起;Ft为瞬态液动力,与阀开口变化量有关,