大流量电液换向阀的动态特性试验与仿真研究

　　0　引言

　　大流量电液换向阀是煤矿综采工作面电液控制系统的核心部件,其流量可达到400~600L/min,通过它的换向功能来控制液流方向,从而实现液压支架相应各机构的动作[1]。在大流量换向阀的应用中,因为换向引起的冲击载荷较大,主阀弹簧等构件出现了断裂失效的问题,由于该阀失效后由于检修、停产而带来的损失也很大,所以研究其动态特性及对主阀内的冲击载荷进行定量分析[2-3],确定主阀断裂失效的原因是当前亟待解决的问题。

　　多冲碰撞载荷是指碰撞面上的力和能量远小于材料的强度极限和冲击韧性,且两对冲零件的相对运动垂直于冲击面。在多冲碰撞载荷下,冲击应力达到一定值,但远小于材料的屈服强度,就可产生明显的宏观塑性变形[4]。本文针对确定的大流量二位三通电液换向阀主阀结构型式,建立了主阀的动态特性数学模型,然后利用Simulink软件包对电液换向阀进行动态特性仿真分析和试验研究[5],根据分析结果,掌握了阀芯位移的变化规律,并运用能量法对冲击载荷进行了定量分析。

　　1　结构原理

　　二位三通电液换向阀主阀的结构示意图如图1所示。主阀由螺套1、浮动活塞2、阀芯3、阀座4、回位弹簧5、阀套6组成。图1中,P、O、A和K分别为主阀进液口、回液口、通往液压缸工作口、控制口。

　　主阀的换向工作过程可分为4个阶段:①电磁先导阀通电,高压液体经先导阀由K作用在浮动活塞2上,使浮动活塞右移,使回液口O与工作口A断开;②阀芯3在高压液体的作用下克服弹簧力及右端液压力,开始右移开启,使进液口P与工作口A相通,由工作口A输出高压液体;③电磁先导阀断电时,控制端高压液体经先导阀回液口泄压,主阀左腔压力减小,阀芯3在回位弹簧力作用下,左移回到初始位置,使进液口P与工作口A隔离;④主阀控制端压力继续减小,在右腔液压力作用下,浮动活塞2左移,使工作口A与回液口相通,高压液体从O流出泄压,换向过程结束。由主阀结构及工作原理可知,主阀换向中存在冲击载荷的工况有:浮动活塞在第一和第四阶段分别与阀座、螺套的碰撞;主阀阀芯在第二和第三阶段分别与阀套、阀座的碰撞。

　　2　动态数学模型

　　针对主阀开关过程的4个阶段,忽略油道泄漏的影响,考虑节流管路、主阀阀芯质量、高压液体的液动力等参数对换向阀特性的影响,建立反映主阀真实工作的动态数学模型来分析换向中的工作特性。主阀的计算原理图如图1所示,先导阀控制液体采用内控内回形式。按照电液换向阀组成,分别建立换向过程4个阶段的浮动活塞、主阀阀芯、液压缸力平衡方程及流量连续方程。