基于柱塞位移控制的乳化液泵變量方式研究

(1.山西大同大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院, 山西 大同 037003；2.太原科技大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山西 太原 030024； 3.山西大同大學(xué) 科技處， 山西 大同 037009)

引言

乳化液泵作為液壓支架的動(dòng)力源，其性能好壞直接決定著乳化液泵站的工作效率[1]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)乳化液泵相關(guān)性能的研究已經(jīng)取得了諸多成果，主要集中在流動(dòng)參數(shù)特性[2-4]、動(dòng)態(tài)特性[5-7]、控制驅(qū)動(dòng)技術(shù)[8-9]和變量機(jī)構(gòu)[10-11]等方面的分析研究，并基于試驗(yàn)和仿真[12-13]進(jìn)行了驗(yàn)證。

由于乳化液泵采用臥式布局單向閥配流的方式進(jìn)行配流，乳化液泵的排量固定且不可調(diào)節(jié)[14]。而現(xiàn)代煤礦生產(chǎn)中不同礦井對(duì)泵站的需求不同，因乳化液泵特殊的配流方式與結(jié)構(gòu)布局，目前存在的乳化液泵還沒(méi)有變量形式。國(guó)內(nèi)外學(xué)者一直致力于通過(guò)液壓閥實(shí)現(xiàn)泵的變量調(diào)控，李林等[15]基于柱塞式液壓泵閥配流原理，引入變有效排量(VVD)理論，提出采用液控單向閥控制柱塞單元有效輸出/輸入，實(shí)現(xiàn)軸向柱塞泵/馬達(dá)配流及變量的配流機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)具有液壓沖擊和噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)有待進(jìn)一步優(yōu)化。朱碧海等[16]提出一種采用缸體和配流閥一起旋轉(zhuǎn)的雙斜盤(pán)閥配流軸向柱塞式液壓電機(jī)泵，并提出一種通過(guò)改變右斜盤(pán)與左斜盤(pán)的相對(duì)位置實(shí)現(xiàn)變量的新型閥配流軸向柱塞泵變量調(diào)節(jié)方式，該方法具有大功率、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，但配流閥所受的離心力存在正負(fù)兩方面的效果，增加了精確控制的難度。本研究提出一種基于柱塞位移反饋調(diào)節(jié)的乳化液泵變量方式，以實(shí)現(xiàn)排量的無(wú)極調(diào)節(jié)。

1 乳化液泵工作原理

1.1 閥配流乳化液泵工作原理

圖1為閥配流乳化液泵的工作原理示意，圖中pT為油箱壓力，pp為柱塞腔中的壓力，ps為排油壓力。吸油時(shí)pT壓力最低，排液閥在ps壓力下關(guān)閉，pT此時(shí)與大氣壓相等，在pT作用下進(jìn)液閥打開(kāi)，油液通過(guò)進(jìn)液閥從油箱中進(jìn)入柱塞腔；排液時(shí)，在pp的作用下進(jìn)液閥關(guān)閉，在柱塞的壓縮下pp升高到大于ps將排液閥打開(kāi)排液。

圖1 乳化液泵的工作原理

乳化液泵采用閥配流，油液無(wú)論何時(shí)都是從進(jìn)液閥進(jìn)入柱塞，然后再?gòu)闹型ㄟ^(guò)排液閥排出，排量固定不變。

為滿足液壓支架在不同工況下的不同動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)流量的分級(jí)調(diào)節(jié)，同時(shí)為了能夠使同一套泵站系統(tǒng)在不同礦井可以統(tǒng)一使用，應(yīng)企業(yè)實(shí)際使用需求為實(shí)現(xiàn)乳化液泵的變量需求，提出一種基于柱塞位移反饋調(diào)節(jié)的乳化液泵。由于乳化液泵是通過(guò)柱塞移動(dòng)形成真空環(huán)境進(jìn)行吸液，以及通過(guò)柱塞移動(dòng)壓縮油液進(jìn)行排液，為實(shí)現(xiàn)乳化液泵在一定范圍內(nèi)的排量變化，通過(guò)設(shè)置位移傳感器將乳化液泵柱塞的位移變化以電信號(hào)的方式傳遞給控制電磁鐵，通過(guò)控制電磁鐵在柱塞排液時(shí)段的開(kāi)啟，進(jìn)而控制進(jìn)液閥在排液行程的開(kāi)啟時(shí)段。在柱塞位移的排液行程時(shí)段內(nèi)，使得進(jìn)液閥開(kāi)啟一定時(shí)段排液。由于在一定時(shí)間段內(nèi)，進(jìn)液閥和排液閥同時(shí)排液，所以通過(guò)排液閥排出的流量減少，通過(guò)控制進(jìn)液閥的開(kāi)啟時(shí)段從而改變?nèi)榛罕玫呐帕俊?/p>

1.2 變量閥配流機(jī)構(gòu)

圖2所示為變量閥配流機(jī)構(gòu)工作原理示意圖，主要包括進(jìn)液閥、排液閥和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

圖2 變量閥配流機(jī)構(gòu)工作原理

如圖2所示，在曲軸轉(zhuǎn)動(dòng)至排液行程時(shí)，可分為2個(gè)階段。

階段1，排液前段：在柱塞排液開(kāi)始的一段行程范圍，油箱中的壓力低于柱塞中的壓力，而柱塞中的壓力又低于排液閥口的壓力，排液閥關(guān)閉，通過(guò)電磁鐵動(dòng)作打開(kāi)進(jìn)液閥，柱塞中的一部分流量通過(guò)進(jìn)液閥排回油箱。

階段2，排液后段：在柱塞位移通過(guò)排液前段行程范圍后電磁鐵斷電關(guān)閉，進(jìn)液閥關(guān)閉，柱塞中的壓力繼續(xù)上，直到大于排液閥口壓力，排液閥打開(kāi)，柱塞中剩余的油液通過(guò)排液閥排出。

閥芯是閥體借助其移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)方向控制、壓力控制或流量控制的基本功能零件，是液壓閥的核心，考慮到不同閥芯對(duì)液壓閥的性能指標(biāo)至關(guān)重要，對(duì)錐閥和球閥兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。

圖3 球閥與錐閥同一排液行程對(duì)比

圖4 球閥與錐閥過(guò)流面積對(duì)比

圖3所示為乳化液泵進(jìn)液閥采用球閥和采用錐閥時(shí)同一排液行程的對(duì)比圖，其中實(shí)線代表球閥，虛線代表錐閥。從圖中可以清晰的看到采用球閥時(shí)進(jìn)液閥的吸液和排液能力均優(yōu)于錐閥，且球閥的響應(yīng)速度較錐閥更快。

圖4所示為球閥與錐閥過(guò)流面積對(duì)比，從圖中可以看出在閥芯的開(kāi)口量相同，即閥芯與閥座離開(kāi)相同距離時(shí)球閥的過(guò)流面積要大于錐閥。

綜合以上結(jié)論，由于球閥較錐閥具有更大的過(guò)流面積、更快的響應(yīng)時(shí)間，總體性能優(yōu)于錐閥，所以本研究中的變量閥配流機(jī)構(gòu)選擇球閥作為進(jìn)/排液閥的閥芯。

2 乳化液泵模型的建立

在AMESim仿真系統(tǒng)中建立乳化液泵的仿真模型，如圖5所示。通過(guò)設(shè)置位移傳感器，將柱塞位移對(duì)應(yīng)的排液行程反饋給電磁閥。然后，通過(guò)設(shè)置電磁閥的開(kāi)啟實(shí)現(xiàn)進(jìn)液閥的反向開(kāi)啟。由于電磁閥開(kāi)啟時(shí)通過(guò)力作用于閥芯，所以圖5中采用力輸入信號(hào)代替電磁鐵動(dòng)作。

圖5 乳化液泵AMESim模型

基于AMESim對(duì)乳化液泵進(jìn)行仿真分析，考查其工作性能，主要系統(tǒng)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 乳化液泵主要參數(shù)

3 乳化液泵變量閥仿真分析

如圖6所示為乳化液泵變量機(jī)構(gòu)控制，通過(guò)位移傳感器將柱塞位移反饋，柱塞的位移如圖7所示。反饋的位移與設(shè)置好的開(kāi)啟行程進(jìn)行比較，在需要開(kāi)啟的行程輸出信號(hào)為1，輸出的信號(hào)如圖8所示，輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)增益進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)輸入到電磁鐵中將進(jìn)液閥打開(kāi)。

圖6 變量機(jī)構(gòu)控制

圖7 柱塞位移

圖8 開(kāi)啟行程輸出信號(hào)

如圖9所示為進(jìn)液閥在排液行程開(kāi)始的開(kāi)啟對(duì)比，圖中對(duì)比了在柱塞的排液行程中進(jìn)液閥開(kāi)啟不同時(shí)段的排液量，分別選取了進(jìn)液閥開(kāi)啟整個(gè)行程的1/6，2/6，3/6，4/6，5/6時(shí)間段。圖中流量為正時(shí)進(jìn)液閥吸液，流量為負(fù)表示進(jìn)液閥排液，圖中曲線所圍成的面積表示排量，從圖中可以看出這5個(gè)不同行程進(jìn)液閥排出的液體體積(排量)分級(jí)明顯，表明通過(guò)柱塞位移反饋調(diào)節(jié)的變量方式能夠很精確地將乳化液泵的排量分成不同等級(jí)，如同斜盤(pán)式柱塞泵一樣，通過(guò)控制斜盤(pán)角度使得柱塞吸排液行程改變，通過(guò)控制進(jìn)液閥排液改變?nèi)榛罕弥乓盒谐踢_(dá)到變量目的。

圖9 進(jìn)液閥吸液/排液

圖10～圖12分別顯示了進(jìn)液閥和排液閥在進(jìn)液閥開(kāi)啟1/6，3/6，5/6行程中流量的對(duì)比，0坐標(biāo)以上為吸液，0坐標(biāo)以下為排液。以進(jìn)液閥開(kāi)啟3/6行程為例，此時(shí)柱塞有一半位移通過(guò)進(jìn)液閥排液，一半位移通過(guò)排液閥排液， 進(jìn)液閥和排液閥排液各自約占柱塞內(nèi)液流體積的1/2，此時(shí)乳化液泵的整體排量降為原來(lái)的一半，其他位移行程開(kāi)啟原理同理。

圖10 進(jìn)液閥開(kāi)啟1/6行程排液

圖11 進(jìn)液閥開(kāi)啟3/6行程排液

圖12 進(jìn)液閥開(kāi)啟5/6行程排液

4 結(jié)論

基于當(dāng)前乳化液泵的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出一種基于柱塞位移反饋調(diào)節(jié)的控制方式，通過(guò)控制進(jìn)液閥在柱塞排液行程的開(kāi)啟時(shí)段的乳化液泵變量形式泵配流方式。在AMESim中進(jìn)行建模仿真分析，驗(yàn)證了該配流方式的可行性，通過(guò)變量閥配流方式實(shí)現(xiàn)了乳化液泵的變量調(diào)節(jié)。

(1) 通過(guò)對(duì)比進(jìn)液閥球閥結(jié)構(gòu)和錐閥結(jié)構(gòu)，當(dāng)閥芯的開(kāi)口量相同，即閥芯與閥座離開(kāi)相同距離時(shí)，球閥比錐閥具有較大的過(guò)流面積，選擇球閥作為進(jìn)液閥閥芯能夠使得進(jìn)液閥的吸液/排液效果更好；

(2) 仿真分析結(jié)果顯示通過(guò)柱塞位移反饋調(diào)節(jié)的變量方式能夠很精確地將乳化液泵的排量分成不同等級(jí)，實(shí)現(xiàn)變量控制的目的，響應(yīng)更快，更穩(wěn)定。

提出的變量調(diào)節(jié)方式，能夠?qū)崿F(xiàn)乳化液泵精確、高效的變量調(diào)節(jié)，為負(fù)載敏感系統(tǒng)的改造提供支撐，但對(duì)于球閥等關(guān)鍵零部件的可靠性，仍需在后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究中考查驗(yàn)證。