基于20-Sim的電磁球閥的動態(tài)性能研究

　　分析電磁球閥的工作原理，建立相應(yīng)的功率鍵合圖，并利用20-Sim軟件進(jìn)行建模分析，得出電磁球閥的動態(tài)性能曲線以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對其性能的影響。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的電磁球閥的響應(yīng)時間快、超調(diào)量小、工作范圍大，最大流量達(dá)12L/min；平衡回路上的阻尼孔的尺寸、閥芯行程及彈簧剛度分別對電磁鐵推力大小、閥的出口流量、閥的使用壽命影響較大。

　　目前，電液控制系統(tǒng)廣泛使用于液壓支架系統(tǒng)中。在電液控制系統(tǒng)中，由電磁先導(dǎo)閥控制的電液閥組是核心控制元件，而電磁先導(dǎo)閥閥芯部件的性能，直接決定相應(yīng)的主閥的動作，從而影響著液壓支架工作的響應(yīng)速度與可靠性。電磁換向閥的閥芯結(jié)構(gòu)有滑閥和球閥兩種，球閥結(jié)構(gòu)的電磁換向閥又稱為電磁球閥。小流量的電磁球閥一般用作先導(dǎo)閥來控制主油路上的主閥，而大流量的電磁球閥可直接用于控制主油路的通斷。對于大噸位的液壓支架來說，先導(dǎo)閥流量越大，主閥動作就越迅速，液壓支架響應(yīng)也更快，這對提升整個采煤系統(tǒng)的工作效率具有重大的意義。目前，礦井下用作先導(dǎo)閥的常用的電磁球閥的流量是1.6L/min，其值比較小，大流量的電磁球閥的國內(nèi)外也無成熟產(chǎn)品，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://genius-power.com/)認(rèn)為研究電磁先導(dǎo)閥的動態(tài)特性，對設(shè)計(jì)出一款實(shí)用的大流量的電磁先導(dǎo)換向閥具有重大意義。本文作者通過搭建電磁球閥的功率鍵合圖，并用20-Sim軟件對其閥芯的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，研究其動態(tài)性能。

1、電磁先導(dǎo)閥的工作原理

　　圖1為設(shè)計(jì)的一款大尺寸的電磁球閥閥芯的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電磁球閥閥芯的結(jié)構(gòu)

　　其工作原理是：右端電磁鐵得電產(chǎn)生的電磁鐵推力作用于閥芯運(yùn)動部件(1，2，4，5，7，8)上，閥芯運(yùn)動部件克服阻力向左運(yùn)動，使4與6形成的常開閥口逐漸關(guān)閉，6與7形成的常閉閥口逐漸開啟，從而使工作口A口連通，電磁先導(dǎo)閥開啟，高壓油通向工作端；同理，當(dāng)電磁鐵失電時，在彈簧的彈力的作用下，閥芯運(yùn)動部件向右運(yùn)動，使6與7形成的閥口趨向關(guān)閉，4與6形成的閥口趨向開啟，從而使P口與A口斷開，A口與T口連通，電磁先導(dǎo)閥關(guān)閉，工作端的液壓油回流至油箱。

　　閥芯動作時，由于閥芯運(yùn)動部件中4與7有位置約束，使得組件part1(5，7，8)與組件part2(1，2，4)動作不會完全一致，則應(yīng)分別對其進(jìn)行建模分析。

2、電磁球閥閥芯的功率鍵合圖

　　根據(jù)電磁球閥的結(jié)構(gòu)與工作原理，忽略頂針5處的內(nèi)泄漏，用液壓缸與質(zhì)量塊模擬執(zhí)行元件與負(fù)載，即可得電磁球閥的簡化模型，如圖2所示。其中R1-R8為相應(yīng)流道、閥口或阻尼孔的液阻，C1-C3為對應(yīng)容腔的液容，A1-A5為各截面的有效面積，Se為系統(tǒng)提供的恒定壓力的液壓源。

圖2 電磁球閥的簡化模型

　　根據(jù)電磁球閥的簡化模型與其功率的流向，可建立對應(yīng)的功率鍵合圖，如圖3所示。

圖3 電磁球閥的功率鍵合圖

　　其中P0為系統(tǒng)提供的恒定油壓，F(xiàn)c為電磁鐵推力，Seo為彈簧預(yù)壓縮力，Cs為彈簧柔度，I1、I2、I分別表示為閥芯運(yùn)動部件part1、part2與負(fù)載的等效質(zhì)量，Rw1、R分別表示常閉陶瓷球受到的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)液動力的液阻，Rw2、Rt2、Rf分別表示常開陶瓷球受到的穩(wěn)態(tài)液動力、瞬態(tài)液動力與摩擦力的液阻。

3、電磁球閥的20-Sim建模與仿真

　　3.1、電磁球閥的20-Sim建模

　　20-Sim軟件是一個主要面向機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化建模仿真平臺，具有方程、方框圖、圖標(biāo)與鍵合圖四種建模方式，便于建立各種混合復(fù)雜的系統(tǒng)模型，它還提供了多種積分算法，提高了仿真速度，確保了結(jié)果的正確性。

　　根據(jù)電磁球閥的功率鍵合圖與狀態(tài)方程，可方便的搭建對應(yīng)的20-Sim鍵合圖模型，如圖3所示。電磁球閥采用子模型(VALVE，PART1，PART2)的模塊化建模，各可變參數(shù)在子模塊間通過全局變量進(jìn)行參數(shù)的相互傳遞。根據(jù)閥芯結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸值與閥芯的流量方程、流量連續(xù)性方程、受力方程，可對圖3中各元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立各元件流變量與力變量間的相互關(guān)系。圖4為常閉閥口液阻R3的參數(shù)設(shè)置。

圖4 常閉閥口液阻R3的參數(shù)設(shè)置

　　由于20-Sim Viewer為試用版，不能保存數(shù)據(jù)，且電磁球閥功率鍵合圖模型的元件多，定義繁瑣，應(yīng)該在每一個元件定義好后，把元件的設(shè)置復(fù)制并保存在文本文檔中，方便以后調(diào)試時二次使用。

　　3.2、電磁球閥的性能仿真

　　用20-Sim軟件進(jìn)行仿真分析時，電磁鐵給電時間段為0.01-0.07s，總仿真時間取0.14s，用Backward Differentiation(BDF)求解器進(jìn)行求解，可得到電磁球閥的動態(tài)性能曲線。

　　圖5為電磁球閥的閥芯位移曲線。由圖可知，構(gòu)成閥芯運(yùn)動部件的兩個組件(part1與part2)運(yùn)動不完全一致。在t=0.01s時電磁鐵推力作用于頂桿上，組件part2與組件part1迅速一起向左運(yùn)動，使常開閥口關(guān)閉，常閉閥口開啟。當(dāng)常開閥口的閥口開口量減為0時，組件part2與中間閥套碰撞，其開口量保持為0，而組件part1由于慣性繼續(xù)向左運(yùn)動，使常閉閥口開口量大于設(shè)定值0.5mm，然后在受到彈簧力的作用下，組件part1往回運(yùn)動，直到組件part2碰撞后一起向右回彈。多次的來回振蕩后，閥芯運(yùn)動部件在t=0.38s時達(dá)到穩(wěn)定。在t=0.07s時，電磁鐵斷電，閥芯運(yùn)動部件在彈簧力的作用下，迅速復(fù)位。由于中間閥套的限位作用，組件part1復(fù)位時與中間閥套碰撞后反彈，而組件part2繼續(xù)向右運(yùn)動。當(dāng)兩組件斷開接觸時，組件part2受到總的向左的靜液壓力，使其減速后也反向運(yùn)動，直到與組件part1接觸后一起振蕩，最終在t=0.078s時，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 閥芯位移曲線

　　從圖5可知，兩閥芯組件運(yùn)動不完全一致， 難證了建模之前的分析，也凸顯了分開建模的重要性。另外，閥芯從開始運(yùn)動到穩(wěn)定僅用0.28s，響應(yīng)快，其超調(diào)量也較小，電磁球閥的動態(tài)性能較好。

　　電磁球閥的出口流量如圖6所示�？梢钥闯鰐=0.01s時，常閉閥口慢慢開啟，閥的出口開始有流量輸出。但由于閥芯組件的振蕩，閥口開口量也變化，使電磁球閥出口流量值有一定幅度的波動。在閥口開口量達(dá)到穩(wěn)定值后，閥的出口流量也逐漸達(dá)到穩(wěn)定值11L/min。當(dāng)電磁鐵斷電，閥芯復(fù)位時，電磁球閥的出口流量迅速減為0。在負(fù)載重力的作用下，液壓缸中的液壓油，經(jīng)小幅振蕩后，回流至油箱。

圖6 閥的出口流量曲線

　　由于閥芯換向時，受到的液動力與液壓卡緊力均與通過的流量和壓力值有關(guān)，則電磁球閥只能在一定的流量壓力范圍內(nèi)才能正常工作。圖7為電磁球閥的工作范圍曲線。從圖7可以看出，該電磁球閥的工作壓力范圍大，輸出流量值也大，最大可達(dá)12L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前礦井常用的電磁球閥額定輸出流量值(1.6L/min)。

圖7 閥的工作范圍曲線

　　3.3、結(jié)構(gòu)尺寸對電磁球閥的性能的影響

　　電磁球閥平衡回路上的阻尼孔，用于平衡閥芯上受到向左與向右的靜液壓力，使電磁鐵推力僅須克服彈簧力、液壓卡緊力、液動力，便可以讓電磁球閥開啟。電磁鐵推力為50N時，把平衡回路上的阻尼孔的液阻R4設(shè)置為不同的值，仿真可得組件part1的位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同的阻尼孔液阻時組件part1的位移曲線

　　由圖8可知，在相同的電磁推力下，平衡回路上阻尼孔的液阻值越小，閥口開啟至達(dá)到穩(wěn)定時用時更長，響應(yīng)變慢。則在保證響應(yīng)時間不變時，平衡回路上阻尼孔的液阻值越小，所需的電磁鐵推力變大。所以，在設(shè)計(jì)電磁球閥時，須反復(fù)校核設(shè)計(jì)平衡回路上的阻尼孔的結(jié)構(gòu)尺寸，在保證良好的動態(tài)響應(yīng)下，盡量減小電磁鐵推力，從而降低對應(yīng)的電磁鐵設(shè)計(jì)要求。

　　在相同壓差情況下，閥芯最大開口量直接決定電磁球閥出口的最大流量值。改變閥芯最大行程參數(shù)xm，值分別設(shè)置為0.3、0.5、0.7mm，通過仿真即可獲得先導(dǎo)閥出口的流量變化，如圖9所示。由圖9可知，隨著閥芯行程的增加，電磁球閥的出口最大流量值也增加，但增加的幅度越來越小，穩(wěn)定性也變差，響應(yīng)時間變長。則在設(shè)計(jì)閥芯行程時，應(yīng)合理選擇閥芯行程值，使電磁球閥的出口流量盡量大，同時使電磁鐵的銜鐵行程偏小。

圖9 不同行程時閥的出口流量曲線

　　彈簧的剛度對閥芯位移的超調(diào)量、振蕩次數(shù)、響應(yīng)時間都有很大關(guān)聯(lián)。改變彈簧剛度k值，分別設(shè)置為10、15、20N/mm，通過仿真即可獲得電磁球閥組件part1的位移變化情況，如圖10所示。由圖10可知，彈簧剛度越大，其超調(diào)量越小，則常開閥口關(guān)閉時與中間閥套的碰撞也越柔和，增加了電磁球閥的壽命，但其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用的時間變長，響應(yīng)變慢。則在選擇彈簧剛度時，應(yīng)在保證響應(yīng)時間的情況下，盡量偏大選取，可增加電磁球閥的使用壽命。

圖10 不同彈簧剛度時part1的位移

4、結(jié)束語

　　(1)通過20-Sim仿真可以看出，電磁球閥閥芯動作時，由于存在中間閥套的限位作用，組件part1與組件part2動作不完全一致，閥芯的振蕩，導(dǎo)致電磁球閥出口壓力與流量的波動，但其波動較小，響應(yīng)時間快，動態(tài)性能較好。另外，電磁球閥的工作范圍曲線區(qū)域大，最大輸出流量值可達(dá)12L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前礦井常用的電磁球閥額定輸出流量值(1.6L/min)。

　　(2)電磁球閥平衡回路上的阻尼孔的尺寸對平衡閥芯受到的靜液壓力具有重要作用，合理的結(jié)構(gòu)尺寸可減小電磁鐵推車，從而降低對應(yīng)的電磁鐵設(shè)計(jì)要求。增加閥芯行程可增加閥的輸出流量，但其增加效果越來越不明顯。彈簧剛度值對電磁球閥的動態(tài)性能影響較大，應(yīng)在保證響應(yīng)時間的情況下，盡量選取較大剛度的彈簧，減小碰撞，從而增加電磁球閥的使用壽命。