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液壓支架大流量安全閥動態(tài)特性仿真

文檔作者：焦黎棟廉自生文檔來源：太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年05月20日
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第5期(總第162期)
2010年10月
機(jī)械工程與自動化
MECHANICAL ENGINEERING &amp;amp; AUTOMATION
No．5
0ct．
文章編號：1672—6413(2010)05—0004—03
液壓支架大流量安全閥動態(tài)特性仿真
焦黎棟，廉自生
(太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原030024)
摘要：介紹了支架大流量安全閥的工作原理和結(jié)構(gòu)特點，采用功率鍵合圖法和狀態(tài)空間法建立安全閥系統(tǒng)動態(tài)
特性的數(shù)學(xué)模型以及仿真模型，利用Simulink對其動態(tài)特性進(jìn)行了數(shù)字仿真分析，得出了在頂板快速下沉?xí)r，
該閥的閥口壓力及流量曲線和閥芯的位移及速度曲線。通過分析仿真結(jié)果可知，適當(dāng)增加彈簧的剛度，可提高
閩的靈敏度，減小閥芯的振蕩，實現(xiàn)大流量安全閥的動態(tài)特性優(yōu)化。
關(guān)鍵詞：功率鍵合圖；大流量安全閥； 動態(tài)特性；仿真
中圖分類號：TD355 ．4：TH134 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
1 大流量安全閥工作原理及結(jié)構(gòu)特點
圖1為立柱安全閥在液壓支架系統(tǒng)中的簡化回
路。在井下采煤過程中，由于采煤工藝引起的地質(zhì)條
件的變化，會使巖石層頂板作用在支架頂梁上的壓力
突然增大，并超過支架的工作阻力，由于液控單向閥
的閉鎖功能，這時立柱下腔的壓力會迅速升高，當(dāng)壓
力超過安全閥的調(diào)定壓力時，高壓乳化液頂開安全閥
的閥芯，下腔的乳化液經(jīng)安全閥溢出、卸載，起到了
保護(hù)支架系統(tǒng)的作用。頂板來壓時的下沉速度和立柱
的直徑?jīng)Q定了系統(tǒng)中所需安全閥的流量， 目前國內(nèi)液
壓支架用的安全閥的額定流量大多數(shù)比較小，而新型
大流量安全閥的設(shè)計流量高達(dá)1 500 L／min，直徑達(dá)到
了~P13 mm，溢流液孔為4排孔，安全閥閥芯結(jié)構(gòu)簡圖
見圖2。分析該閥的動態(tài)性能對保證支架系統(tǒng)具有良
好的工作性能是很有必要的。
O
P
圖1 安全閥在液壓支架系統(tǒng)中的簡化回路
2 建立安全閥系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型
2．1 建立系統(tǒng)的功率鍵合圖
該系統(tǒng)為典型的多輸入、多輸出的非線性系統(tǒng)，所
以選擇功率鍵合圖法和狀態(tài)空間法建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模
型。在建模過程中考慮因素過多往往會導(dǎo)致系統(tǒng)過于
復(fù)雜，必然會出現(xiàn)剛性方程，造成系統(tǒng)的一階微分方
程組無解，所以在繪制鍵合圖時，只考慮影響動態(tài)性
能的主要因素，把一些對系統(tǒng)動態(tài)特性影響很小的因
素忽略不計(如乳化液的質(zhì)量、壓縮性等)。
卜
)
【V／／／／／／／／／／／／／~
圖2 安全閥閥芯結(jié)構(gòu)簡圖
在研究系統(tǒng)的動態(tài)特性時，可以認(rèn)為：由支架立
柱進(jìn)入安全閥的液體為一個流源S，；彈簧預(yù)緊力為一
個力源S ；立柱和閥芯內(nèi)容腔的液容C +閽和彈簧的
柔度C彈為兩個容性元件；閥芯和彈簧的質(zhì)量 閥+彈為
慣性元件；立柱和閥芯的泄漏液阻R立+閩、液體通過溢
流孔的液阻R閥、液體通過阻尼孔的液阻R阻尼孔、閥芯
上密封圈與閥套之間的庫侖摩擦阻力F阻和閥芯與閥
套之間的粘性摩擦阻力F粘阻為阻性元件。根據(jù)系統(tǒng)的
功率流程，繪制系統(tǒng)的功率鍵合圖，如圖3所示。其
中，q 為立柱進(jìn)入安全閥的流量；g。為乳化液膨脹和
壓縮所儲存的流量；q。為立柱和閥芯腔泄漏引起的流
量；q 為安全閥溢流口流出的流量；P。、 、 。、 分
別為流量q 、g。、g。、q 所對應(yīng)的壓力；q 為經(jīng)安全閥
口進(jìn)入的流量；q。為進(jìn)入阻尼孔后的流量；q 為進(jìn)人
*國家“十一五”科技支撐計劃資助項目(2007BAB13B01)
收稿13期：2010一O4—3O
作者簡介：焦黎棟(1985一)，男，山西介休人，在讀碩士研究生，研究方向為礦山機(jī)電液一體化。
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2010年第5期 焦黎棟，等：液壓支架大流量安全閥動態(tài)特性仿真 ·5·
閥芯內(nèi)空腔的流量；P 、P 、P 分別為流量qs、q 、q
所對應(yīng)的壓力；F。為q 所具有的壓力戶 轉(zhuǎn)換成作用
在閥芯上能夠推動閥芯動作的力； 。為在F。作用下
閥芯的運動速度；F。為彈簧的預(yù)緊力；F o為彈簧的彈
性力；F 為使閥芯產(chǎn)生加速度的慣性力；F ：為閥芯上
密封圈與閥套之間的庫侖摩擦阻力；F 。為閥芯與閥套
之間的粘性摩擦阻力； 。、V1。、 1l、 12、V13分別為F。、
F 。、F 、F 、F 。所產(chǎn)生的速度；X 。為閥芯的位移；
TF為能量轉(zhuǎn)換器。
颶 +
圖3 大流量安全閥系統(tǒng)的功率鍵合圖
2．2 由功率鍵合圖建立系統(tǒng)的狀態(tài)方程
由于狀態(tài)方程是一個一階微分方程組，其各狀態(tài)
變量間具有導(dǎo)數(shù)關(guān)系，而功率鍵合圖中只有慣性元
和容性元C各自兩個變量間有導(dǎo)數(shù)和積分的關(guān)系，所
以，元和C元的自變量的積分必然就是狀態(tài)方程的
狀態(tài)變量。根據(jù)上述功率鍵合圖，這些自變量共有3
個，即q：、 。、F 它們的積分就是狀態(tài)變量 ：、 。、
P 。其中， 為立柱和閥芯內(nèi)容腔膨脹壓縮需補(bǔ)充的
乳化液體積，P 。為閥芯的動量。3個狀態(tài)變量與因變
量之間的關(guān)系為：P。一 、F 。一 X 。、 一
立+ 閻 彈
。
將各狀態(tài)變量的導(dǎo)數(shù)寫成各因變量輸入變量的函
數(shù)關(guān)系，就可得到以下狀態(tài)方程：
z一一
1
·
1
z一 P + ， ?！?
X搭合量。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (1)
z === 一
1
·
1
z一 P 一CdA溢·
√ +5，x 。>x搭合量。??????(2)
X1o一了 。P11 。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (3)
閥+ 彈
一 +(o．863 5nf．
d密D閥套R阻尼孔A閥一Rmlg~A閻z一絲 )P 一
x1o— S 。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? (4)
其中： 閥為閥芯的面積；A溢為溢流孔總面積；JD乳為
乳化液的密度；C 為流量系數(shù)； 為密封圈的個數(shù)；f
為摩擦因數(shù)；d密為密封圈斷面直徑；D閻套為閥套直徑
乳為乳化液的動力粘度；D閥芯為閥芯的直徑；L接觸為
閥芯與閥體有效接觸長度；C 閥為閥芯與閥體配合間
隙；X搭臺量為安全閥不產(chǎn)生溢流時閥芯位移的范圍。
3 建立安全閥系統(tǒng)的仿真模型
根據(jù)上述狀態(tài)方程，在MATI AB／Simulink環(huán)境
下建立仿真模型對系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。該系統(tǒng)仿真的
關(guān)鍵是仿真參數(shù)的設(shè)置。在Configuration Parameters
模式下設(shè)置系統(tǒng)各元件參數(shù)如下：頂板下沉速度為
0．2 m／s、閥芯油壓腔的有效作用面積為7．386×
10 m 、立柱和閥芯液容之和為1．435 4×
10 m ／N、立柱和閥芯泄漏液阻之和為6．465×
10 Ns／m 、阻尼孔的液阻為2．24×10 Ns／m 、閥芯
和彈簧質(zhì)量之和為l16．49 g、彈簧剛度為3．68×
10 N／m、安全閥調(diào)定壓力為45 MPa。
在Simulation模式下設(shè)置仿真參數(shù)并運行，得到安全
閥閥口壓力、流量和閥芯位移、速度仿真曲線，見圖4。
4 仿真結(jié)果分析
安全閥的調(diào)定開啟壓力為45 MPa，從閥口壓力曲
線可以看出：在頂板來壓時安全閥溢流，壓力峰值達(dá)
到49．2 MPa，閥的動態(tài)壓力超調(diào)率為9．3％ ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小
于《礦用液壓支架閥性能指標(biāo)要求》中規(guī)定的40 9，6。峰
值時問為10．6 ms～ 10．7ms，穩(wěn)定時問為60 ms～
80 ms，這兩項指標(biāo)表明該大流量安全閥既具有快速
的動態(tài)響應(yīng)特性，又具有良好的穩(wěn)定性，能夠起到迅
速開啟并及時卸載溢流保護(hù)液壓支架的作用。
從閥芯的速度曲線可以看出：閥芯的最大速度達(dá)
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·6· 機(jī)械工程與自動化 2010年第5期
到2．45 m／s，并且在閥開啟之后有大的波動。在這個
過程中，由于高壓液體的沖擊速度快，閥口的泄流量
大，閥芯的非線性振蕩產(chǎn)生劇烈的液壓沖擊。因此，必
=
＼
口
墾
E
置
＼
屢
、、 r 、， m 十? 一p M ～
t／S
(a)閥口壓力曲線
廠＼
L， v～ √
O O．O5 0．1O O．15 O．2O 0．25
t／s
(c)閥芯位移曲線
須采取有效的措施來提高閥芯的穩(wěn)定性，改善安全閥
的動態(tài)特性。
1 200
800
墾
400
f
＼
屢
＼
V 、’～V、 ／＼八八／＼ ， ，、／V＼
0 0．O5 O．1O O．15 O．20 0．25
t／s
(b)閥口流量曲線
I
{
^ A n ^ ， ：n
L— V 一 c ．A p-f
0 0．O5 O．1O O．15 0．20 0．25
t／s
(d)閥芯速度曲線
圖4 Simulink環(huán)境下安全閽的仿真結(jié)果
在仿真模型中改變相應(yīng)的參數(shù)，得到彈簧剛度在 5 結(jié)論
4．68×10 N／m時的閥芯速度曲線，如圖5所示。從閥 研究表明適當(dāng)增加安全閥的彈簧剛度，可減小閥
芯速度曲線可以看出：當(dāng)彈簧的剛度增加到4．68× 芯的振蕩，提高閥的靈敏度。該研究所用的方法和得
10 N／m時，閥芯在開啟后的振蕩明顯減小，此時安全 到的一些重要結(jié)論，為進(jìn)一步研究和設(shè)計液壓支架用
閥溢流產(chǎn)生的液壓沖擊減小，同時閥芯在開啟時的響 大流量安全閥提供了可靠的參考資料。
應(yīng)速度也有所提高。
f
＼
蜊
均
墾
O O．O5 O．1O O．15 0．20 0．25
t／s
圖5 彈簧剛度為4．68×lO N／m 時的閥芯速度曲線
參考文獻(xiàn)：
[1] 馮靜，王永強(qiáng)，楊明杰，等．新型液壓支架用安全閥的動態(tài)
性能分析與研究EJ]．煤礦機(jī)械，2007(9)：72—74．
[2] 馮靜，陶然，馬勝鋼．功率鍵合圖一狀態(tài)方程法在新型安
全閥動態(tài)特性研究中的應(yīng)用[J]．機(jī)床與液壓，2009(8)：
85—87．
[3] 張建卓，李新淼，毛君，等．基于功率鍵合圖的大流量安全
閥仿真研究[J]．煤礦機(jī)械，2008(12)：60—62．
[4] 劉能宏，田樹軍．液壓系統(tǒng)動態(tài)特性數(shù)字仿真[M]．大連：
大連理工大學(xué)出版社，1993．
(英文摘要轉(zhuǎn)第13頁)
5 O 5 O 5 O 5
2 2 1 1 O O
6 2 8 4
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2010年第5期 機(jī)械工程與自動化 ·13·
參考文獻(xiàn)：
[1] 劉國柱．礦用液壓支架帶壓浮動控制系統(tǒng)[J]．煤礦機(jī)械，
2008(4)：109—111．
123 王偉．兩柱掩護(hù)式支架平衡千斤頂控制方式的分析[J]．
煤礦機(jī)械，2009(1)：168—170．
[3] 李聚領(lǐng)，楊衛(wèi)書．平衡補(bǔ)償雙向鎖的可行性探討I-J]．煤礦
[4]
[5]
機(jī)械，2009(3)：68—170．
寇子明．液壓支架動態(tài)特性分析與檢測[M]．北京：冶金
工業(yè)出版社，1996．
王國彪，饒明杰．液壓支架優(yōu)化設(shè)計與計算機(jī)模擬分析
[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1994．
Analysis on Hydraulic Circuit of the Balance
Ram in the Shield Support
M A Li—ping， LIAN Zi-sheng
(College of M echanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024，China)
Abstract：This paper analyzed the common phenomena of the balance ram safety valve frequent opening and support capability
reduction because of the fluid supplement shortage，discussed the feasibility of two optimal design projects，one applied the float
reversible lock control，the other used the auto fluid supplement contro1．The two optimal design projects were simulated in
AM ESim and M ATLAB respectively． The sim ulation results show that the float reversible lock control can effective1v solve the
problem of safety valve frequent opening and the auto fluid supplement control can significantly increase the width of balance area
and raise the supporting capacity．
Key words：balance ram ；float reversible lock；hydraulic circuit；support
l ， I ’ ’ ’ ， ' ' ’ ' ' ' ， ' ' ' ' ' ' ' m ， l ， m ， l ● m m m ， l l l l m l ， ， ， l ' ' ' ' ' ' ' ' ' ， ' ， ● ' ， ' ' ， ， m m m l m l ? ? ? l ?
(上接第6頁)
Dynamic Characteristics Sim ulation of Large Flow
Relief Valve in Hydraulic Support
JIAO Li—dong·LIAN Zi—sheng
(College of Mechanical Engineering，Taiyuan University of Technology，Taiyuan 030024．China)
Abstract：The structure characteristics and working principle of the large flow relief valve used in hydraulic supports were
introduced． The dynam ic mathematic model and simulation model were built by means of power bond graphs and state space
method． Digital simulation analysis for dynamic characteristics of the valve was made by Simulink．It had the curve of vaIve mouth
on pressure，the curve of valve disk on displacement and the curve of valve disk on speed when the roof sinked in the rapid speed．
Simulation results show that the appropriate increase in the stiffness of the spring can improve the sensitivity of valve，and reduce
the oscillation of the valve disk， and achieve the optimization of the large flow relief valve on dynamic capability．
Key words：power bond graphs； relief valve with large flux；dynamic capability；sim ulation
m m m m m ， ， ● m m ， m ， ’ ' ， m m m ' ， l ， l m m ' ， 18．1 l l ， l ' m l m m m ? ? l ? l l l ? ? ? ? ?
(I-接第9頁)
Nonlinear State Estimation Based on Iterated
Unscented Kalman Filter
GUO Ping—ping，JIA Jian-fang
(School of Information and Communication Engineering，North University of China，Taiyuan 03005 1，China)
Abstract：In order to improve the approximation accuracy of the measurement update，the paper introduced iterated Kalman fliter
(IKF)into the unscented Kalman filter(UKF)．formed the iterated unscented Kalman filter algorithm (IUKF)． Theoretica1
analysis and simulation results show that： IUKF can improve the accuracy of non—linear approximation without increasing the
complexity of calculation，so it has better performance than the standard EKF and UKF with similar computation burden．
Key words： state estimation； nonlinear；unscented transformation； unscented Kalman filter

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