新型大流量安全阀的动态性能仿真与分析

第 9期 2 0 1 4年 9月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi ne r y De s i g n Ma n u f a c t u r e 81 新型大流量安全阀的动态性能仿真与分析 马芳 王鹏远 1 中 州大学 信息工程学院 河南 郑州4 5 0 0 4 4 2 郑州轻工业学院 计算机与通信工程学院 河南 郑州4 5 0 0 0 2 摘要 安全阀在液压支架系统中起着重要的作用 当超负载工作时 安全阀能够自动开启保证系统安全可靠的工作 安全阀的动态特性是影响其工作的主要因素 研究大流量安全阀是 目前迫切需要研 究的问题 针对一种新型的大流量 安全阀的动态性能进行分析 采用功率键合图的思想建立数学仿真模型 并用Ma t l a b 进行仿真 搭建实验系统对安全 阀的动态特性进行测试 通过实验数据与仿真结果的比较 证实所建数学模型的正确性 从而为进一步优化该安全阀 提供宝贵的数据和依据 关键词 大流量 安全阀 动态特性 功率键合 图 数学模型 仿真 中图分类号 T H1 6 T D 3 5 5 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 4 0 9 0 0 8 1 0 3 Th e Dy n a mi c Pe r f o r ma n c e Si mu l a t i o n a n d An a l y s i s o f t h e Ne w Ty p e o f L a r g e F l o w Re l i e f Va l v e MA Fa ng W ANG Pe n g y u a n 1 I n s t i t u t e o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g Z h o n g z h o u U n i v e r s i t y H e n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 4 4 C h i n a 2 S c h o o l o f C o mp u t e r a n d C o m mu n i c a t i o n E n g i n e e r i n g Z h e n g z h o u U n i v e r s i t y o f l i g h t i n d u s t r y He n a n Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 2 C h i n a A b s t r a c t T h e r e l i e f v a l v e i n h y d r a u l ic s u p p o rt s y s t e m p l a y s a r t i m p o r t a n t r o l e R e l ie f v a l v e w i l l a u t o m a t i c all y o p e n w h e n o v e r l o a d w o r k s t o e n s u r e t h a t t h e s y s t e m i s s q f e a n d r e l i a b l e w o r k D y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o ft h e r e l i e fv alv e i s t h e m a i n f act o r t h at a f f e c t s t h e i r w o r k T h e l arg e fl o w r e l i e fv a l v e i s t h e u r gen t n e e dt o s t u d y T h e d y n a mi c p e r m anc e o ft h e n e w t y p e ofl a r ge flo w r e l i e f v alv e isana l y z e d s e t t i n g u pt h e m ath e mat ica l s i mu l at i o nm o d e l b a s e d o nt h e i d e a o f p o w e r b o n dg r a p hm at h e m ati c a l a n d t h e s i mu l at n w i t h M a t l a b The e x p e r i m e n t a l s y s t e m i s s e t u p t o t e s t t h e d y n a mic c h ara c t e r i s t i c s ofs q f e t y v alv e t h r o u g h t h e c o m p a r i s o n oft h e e x p e ri m e n t al d at a and s i m u l a t i o n r e s u l t s w h ic h p r o v e s t h e c o r r e c t n e s s oft h e e s t abl is h e d m at h e m ati c a l m o d e l p r o v i d i n gv al u a b l e d at a and t h e b a s isf o r t h e f u r t h e r o p t i m iz a t i o n oft h e r e l i e f v alv e Ke y W o r d s He a v y Tr a ffic Re l i e fVa l v e Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s tic s Po we r Bo n d Gr a p h Ma t h e ma tic a l Mo d e l S i mu l a t i on 1 引言 目前我国整体矿产资源的情况是煤炭资源丰富 而天然气 和石油资源贫乏 同时煤炭的成本和石油 天然气相比也比较低 因此煤炭在我国一次陛能源中具有重要的地位l l 但是目前我国 煤炭开采技术的整体水平不高 生产装备还处于机械化与手工业 并存或机械化的状态 我国煤矿业要想实现安全高效的生产必须 注重开采技术装备的可靠和自动化 液压支架在煤矿开采中具有 重要的地位 同时也是各种开采设备中产销量较大的装备 液压 支架为开采提供了一定的工作空间 并起到对工作人员和开采 机 运输机的安全保护 而安全阀又在液压支架系统中起着重要 的作用 当超负载工作时 安全阀能 自动开启用来保证系统安全可 靠的工作 安全阀的动态特l生是影响其工作的主要因素蠲 目前国 内对大流量安全阀的研究还比较少 与国外的差距还很大 因此 目前迫切需要研究大流量安全阀以满足实际生产需要 对一种新 型大流量安全阀的动态性能进行分析研究 采用功率键合图的思 想分析13 并用 Ma t l a b对安全阀的动态特性进行仿真 同时搭建 实验系统对安全阀的动态特性进行测试 通过实验产生的数据与 仿真得到的结果进行比较 证实了所建立的数学仿真模型的正确 性 从而可以进一步通过一些仿真数据的改变来研究安全阀的重 要参数 最终可以优化安全阀的参数以设计出更好的安全阀提高 工作效率 来稿 日期 2 0 1 4 0 2 1 9 基金项 目 河南省科技厅项 目 0 9 1 0 S G Y S 3 3 3 9 2 2 作者简介 马芳 1 9 7 9 一 女 郑州人 硕士 讲师 主要研究方向 软件开发 数学仿真 8 2 马 芳等 新型大流量安全阀的动态性能仿真与分析 第9 期 2工作原理 当研制出一种新的安全阀后 需要通过实验来验证该安全 阀的动态特性 4 1 从而可以进一步对安全阀的结构参数进行优化 和完善以提高其工作性能 但是我国目前研究大流量安全阀的动 态性能还不够成熟 因此利用仿真技术的思想得到安全阀的动态 性能曲线参数 以此为依据可以对大流量安全阀的各个性能参数 进行评价修改 可以进一步优化和改进安全阀的设计 对于安全阀动态性能的研究 首先需要给出研究对象 确定 研究范围 以及确定系统的边界和约束条件 2 1建立动态数学模型 液压支架系统基本上都是连续的系统 而对于连续的系统 数学模型通常采用传递函数 状态空间法或是微分方程等形式来 进行表示 本系统是一个非线性多输人多输出的系统 采用状态 空间法分析比较合适 所以我们利用功率键合图推导本系统的状 态方程 建立功率键合图主要通过以下几步来完成 首先需要分析 和认识系统的结构和运行情况 接着按照一定原则把整个系统划 分成几个子系统 分别对这些子系统抽象 采用键图的基本元件 模拟各部件 再将各个子系统模拟后的结构组成一个完整的功率 键合图 最后依据功率键合图建立数学模型状态空间方程并在机 器上求解该系统状态方程 2 2建立状态方程 在建立系统状态方程 中首先需要确定系统 的状态变量 接 着要对系统中所有容性元件积分和惯性元件的因果关系进行分 析 最后 由系统输入变量和状态变量确定输 出方程 我们采用功率键合图的思想来推导系统状态方程 整个推 导过程首先是先确定系统的状态变量 根据分析安全阀含有六个 储能元以决定该系统有六个状态变量 定义为 J p I l 5 其次确定每个储能元件的因变量与状态变量的关系 每 每 鲁 等 乏 确定各个参数和状态变量的初始值 同时该阀V I 溢流量表 现为非线性特征 所以最终采用非线性的状态方程对系统进行数 学建模 6 1 方程如下 P lo 一 一 华 一 一 一 等 一 c l5 25 C 24 一 X 24 S 一 盏 一 一 去 c 当 X 9 X 1 s 盘 丽 V I5 一 一 V 2 如d X 9 X 等 当 1 5 一 C 2 R1 3一 V1 5 1 半 一 警 当 X 24 X 2 V1 5 V 2 一 El 5 1 警 一 P 2 5 x A 3 d X 2 4 X 最后为了简化建立的数学模型 需要暂时忽略一些因素 对 于这种情况 可以在编程时采用增加约束条件的思想来弥补先前 建立数学模型时忽略的因素 并最终将主阀芯的位移量和泵出口 的压力作为输出变量 如何建立 个简单准确的数学仿真模型 如 何选择适当的算法编写程序在分析安全阀的动态特 生中是两个比 较重要的问题口 而在这两个问题中 算法的选择也是至关重要的 当前利用计 算机求解微分方程的方法有多种 但是应用到实际中用的较多的是 基于泰勒级数构造的龙格 法目 尤其是四阶龙格 库塔法 算法 具有简单稳定计算精度高的优点 同时在进行计算的时候可以避 开高阶导数的计算 而且对于步长 h 在计算过程中可以依据其要 求的精度进行调整 所以本系统仿真计算采用四阶龙格 库塔 法 同时采用 自适应变步长的方法来求解 3系统仿真 选择用 M a t l a b建立系统的仿真模型 把相应的输入输出信 息以及建模时忽略的因素和数学模型 算法等最终用仿真实现 仿真结果 如图 1 所示 6 0 三4 o 世 爨 0 0 0 0 5 l 1 5 2 2 5 3 3 5 4 4 5 动态过程 以历 的时 间 t s 图 1系统压力动态仿真结果 F i g 1 Th e Dy n a mi c S i mu l a t i o n Re s u l t o f t h e S y s t e m Pr e s s u r e 从仿真结果图中可以看出该安全阀稳定性能较好 没有明 显的振荡现象 在仿真中通过改变参数的值以得到不同的仿真结 果 这样就可以根据仿真结果进而修改安全阀的结构参数 为优 化安全阀的设计提供参考 4实验分析 为了研究的实用性 需要经过搭建实验平台 通过实验来验 证所建立的仿真模型的正确性 从而可以进一步通过该仿真模型 继续研究该安全阀的结构特性 操作思想是把仿真结果与实验结 果进行对比 当结果不相符时继续调整仿真模型直到仿真结果与 实验结果相符为止 实验选用不配增压元件的试验装置来进行安 全阀动态特性的实验 该实验系统模拟安全阀在液压支架中的实 际工作情况来得到相应的动态曲线图 在实验过程中对安全阀的 No 9 S e p t 2 0 1 4 机 械 设 计 与 制 造 8 3 参数进行改变以得到不同的曲线效果 最终根据与仿真结果的对 比来检验模型的合理性 本实验测试原理图 如图 2 所示 l 液压实验台 土 土 一 压 压 流 力 力 量 传 传 传 感 感 感 器 器 器 1 2 m T T I放大器 I l放大器 l l积算戗 A D 转换 l l A D 转换 I r 计 算机 南 绘 印 图 2实验 系统原理图 F i g 2 Th e S c h e ma t i c Di a g r a m o f t h e Ex p e rime n t S y s t e m 在系统测试过程中为了保证运行的稳定和可靠性 本实验 系统采用光电耦合器来阻断干扰通道 同时为了提高系统的抗干 扰力和安全性 本系统分别采用设置安全接地 工作接地和屏蔽 接地等方式 最终测试 系统采用 V C 6 0编程进行测试 在实验过程中通过改变安全阀的不同参数做了多组实验 其中得到一组压力时间曲线图 如图 3 所示 MP a 一 胛 1r l P i j 图 3安全 阀压力 时间曲线图 F i g 3 T he P r e s s u r e T i me Cu r v e o f t h e Re l i e f Va l v e 5对比与结论 对比仿真图 1 和实验图 3 两者曲线从形状 数值变化和稳 定的趋势以及震动周期等都比较吻合 从而可以认为之前采用功 率键合图和 M A T L A B对非线性液压系统建立的动态数学仿真模 型是准确可靠的 通过该仿真模型能够简单有效的反映出系统的 功率流向和控制关系等工作特l生 从而下一步可以利用该仿真模 型优化安全阀的结果参数 分析其动态特性 以得到最佳的系统 性能 通过这里的研究 可为国内各煤机制造业在研制和开发液 压支架用大流量安全阀的过程中提供宝贵的经验 依据和参考 对于优化大流量安全阀的结构参数 提高安全阀的动态特性 加 大新产品研发力度 提高支架用安全阀的质量和精度等方面起到 良好的推动作用 在此基础上 对于大流量安全阀还可以进一步利用相关理论 进行优化研究和配置以达到最佳的系统性能 同时在实验过程中 还可以采用加入位移传感器的思想来对安全阀的阀芯位移量的 动态工作籽 生 进行深入的研究 参考文献 1 崔骥山 张井泉 赵先志 液压干斤顶安全阀设计合理性的探讨 J 机 械设计与制造 1 9 9 1 2 2 5 2 7 C u i j i s h a n Z h a n g j i n g q u a n Z h a o x i a n z h i Hy d r a u l i c s a f e t y v a l v e s t e m j a c k o n t h e r e a s o n a b l e n e s s o f t h e d e s i g n J Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e 1 9 9 1 2 2 5 2 7 2 王永强 周万春 一种新型安全阀在液压支架系统 中的数学建模 J j 中 州大学学报 2 0 0 8 2 5 3 1 0 5 1 0 7 Wa n g Yo n g q i a n g Z h o u Wa n c h u n T h e ma t h m o d e l s o f a n e w k i n d o f s afe t y v a l v e i n t h e s y s t e m o f h y d r a u l i c t r e s t l e s J J o u r n a l o f Z h e n g z h o u Un i v e r s i t y 2 0 0 8 2 5 3 1 0 5 1 0 7 3 杨国来 许敏影 周胜宽 液压支架安全阀内部流场仿真与性能分析 J 煤矿机械 2 0 1 3 3 4 2 6 2 6 4 Ya n g G u o l a i X u n Mi n y i n g Z h o u S h e n g k u a n I n t e r n a l fl o w f i e l d s i mu l a t i o n a n d pe r f o r ma n c e a n a l y s i s o f r e l i e f v a l v e o f h y d r a u l i c s u p p o r t n C o a l M i n e M a c h i n e ry 2 0 1 3 3 4 2 6 2 6 4 4 谢腾飞 赵继云 王温锐 液压支架大流量安全 阀动态性能试验方法研 究 J 液压与气动 2 0 1 0 1 2 1 7 1 9 X i e T e n g f e i Z h a o J i y u n Wang We n r u L S t u d y o n d y n a n i c a l c h a r a c t e r i s t i c s t e s t m e t h o d s o f h i g h fl o w r e l i e f v a l v e f o r h y d r a u l i c s u p p o rt J H y d r a u l i c a n d P n e u ma t i c 2 0 1 0 1 2 1 7 1 9 5 付盼娣 马胜钢 王永强 液压支架用新型高水基大流量安全阀动态特 性的研究与分析 J 煤矿机械 2 0 1 0 3 1 3 4 7 4 9 F u P a n d i Ma S h e n g g a n g Wa n g Yo n g q i a n g D y n am i c c a p a b i l i t y s t u d y a n d a n a l y s i s o f n e w t y p e l arg e fl u x s a f e t y v a l v e J C o al Mi n e Ma c h i n e r y 2 0 1 0 3 1 3 4 7 4 9 6 赵 越 杨建新 牛一村 液压 支架安全 阀试验 台测控 系统设 计 J 煤 炭 工程 2 0 1 3 7 1 2 9 1 3 3 Z h a o y u e Ya n g J i an x i n N i uY i e u n D e s i gn o f m e a s u r e me n t a n d c o n t r o l s y s t e m o f t h e s a f e t y v a l v e o f h y d r a u l i c s u p p o rt t e s t b e d J C o a l E n g i n e e r i n g 2 0 1 3 7 1 2 9 1 3 3 7 陈殿京 刘殿坤 董海波 安全阀流场数值模拟研究 J 流体机械 2 0 0 8 3 6 1 0 2 4 2 7 C h e n D i a n j i n g L i u Di a n k u n D o n g H a i b o N u m e r i c a l s i m u l a t i o n o f p r e s s u r e r e l