电液比例阀的性能分析及其在提升机制动系统中应用的实验研究

为锥 阀芯上 的综合弹簧刚度 。 （ ）锥 阀 口上的压力 一流量方程 ３
ｑ （）＝ ｑ ｌｔ Ｐ ｔ ｔ Ｋ （）一 。 （） （） ３
式 中：ｑ ｔ为通过锥 口的流量 ； （） 为锥 阀Ｖ 的流量增益 ； Ｉ
为锥 阀口的流量 一压力系数。 （ ）容腔 Ｑ 的流量平衡方程 ４ ． 考虑到溢流阀与恒 流源和负载并联 ，以及 阀进 口 受控容腔 中液压油的压缩效应 ，有 ：
。
ｑ ｔ 为从受 控 容腔 流 向负 载 的流量 ， 含 有 （ ） 包 效 流量和扰 动流量 ； 为溢流 阀进 口处控制容腔的容积 ；
（） ｔ；
Ｅ为油液 的体积弹性模 量 ； ｇ （） Ⅱ ｔ为从控 制容腔 泄漏掉 的流量 ，与压差成 正 比 ，是扰动量 。 对式 （ ）一 （ ）在 初始 条 件为零 的条件 下进 １ ４ 行拉 氏 变 换 ，其 中 常 数 项 的拉 氏 变 换 为 零 ，得 式
ＣＨＡＮＧ ｈｕ ｉ ｅ ｇ．ＧＵ ｉ ｈ ｎ．Ｗ ＡＮＧ ｎｃ ｅ Ｓ ａｐ ｎ Ｌｃ ｅ Ｙｉ ｈ ｎ
（ ｏ ｅｅｏ Ｍｅｈ ｎ ａ ａ ｄＥｅｔｃｌ ｎｉｅｒ ｇ Ｘ’ ｎｖｒ ｔ ｏ ｒｈｔ ｔｒ Ｃ ｌ ｇ ｆ ｃ ａ ｉ ｌ ｎ ｌ ｒ ａ Ｅ ｇ ｅｉ ， ｉｎＵ ｉ ｓ ｙ ｆ ｃｉ ｃｕｅ＆ ｌ ｃ ｃｉ ｎ ｎ ａ ｅ ｉ Ａ ｅ
＋
（） ５
（） ６
Ｆ１ｓ 一 １ ｓＡ １ ｍｌ Ｂｓ Ｋｌ Ｘ１ｓ ） Ｐ ） ＝（ ｓ （ （ ＋ １ ＋ ） ） 。 （ Ｑ。ｓ Ｋ （） Ｐ （） （）＝ ｑ Ｘ ５一 Ｓ （） ７
Ｑ （ ） ｓ ＋Ｑ ｓ ｓ ＝Ｑ （ ） （）＋（ ｓ ｃ 。Ｐ （）（ ） ＋ ） ｓ ８
矿井提升机是矿 山企业 的主要设备 ，而矿井提升 机 的制动 液压站 是矿井 提升系统的重要组成部分 。从 液压站 的功能可知 ，液压 站主要是控 制制动器获得 不 同的制动力矩确保提升安全运行 。传统的矿井提升机 采用液压传动技术 ，由于压力 和速度 不能 连续调 节 ， 导致液压站在压力和速度 的转换过程 中产生 冲击和 噪 声 ，而且 系统采用 的元件 较多 ，液 压系统 过 于复杂 ， 导致 系统可靠性低 ，故 障诊断难度大 。作者 以电液 比 例 控制技术 在Ｔ ｌ １ 提升机液 压站 中的应用 为例 ， Ｅ６ 型 建立 电液 比例 阀的 数学模 型 ，应 用 ＭＡ Ｌ Ｂ对 其 传 ＴＡ 递 函数进 行静 动态 性 能分 析 ；最 后利 用数 据 采集 系 统 、传感器技术 以及计算机技术对液压站进行性能测 试 和数据 处 理 ，采 集 比例调 压 阀 和提 升机 的运 行参 数 。通过 参数 和图形变化规律能够判断提升机液压系 统的安全状况 ，便于操作人ຫໍສະໝຸດ Baidu及时地进行现场处理 。
（ ） 一 （ ） ５ ８ ：
Ｆ （）＝ Ｘ （）一 （） ＝Ｆ （） ｓ Ｋ ［ ｓ Ｘ ｓ ］ ｓ
。
（） ｔ为作用在 阀芯上 的指令 力 ； Ｋ。 弹簧 刚度 ； 为 （） 比例 电磁铁推杆 的输 出位移 ； ｔ为 （） ｔ为锥阀芯 的位移 ，溢流开启时不等于零 。 （ ）锥 阀芯上 的力平衡方程 ２ 由牛顿运动定理得 ：
５ ・ ８
机 床 与 液 压
第４ ０卷
Ｇｍ ２ ． Ｂ（ｔ ６ ａ ／）Ｐ ＝８ ．。 （ｔ ．５ｒ ｄ ｓ ＝ ７５ｄ ａ ８ｒ ｄ ｓ， ｍ ９６ ａ ６ ａ ／） ２ ７
１ 采用 电液 比例 阀的 液压 站液压 系统
该液压站有两套油泵 ，一套工作 ，一套备用 ，这 里为 了简化液压 系统 的原理图只画出一套 油泵 ，并 且 省 略了后 面的液压 站主油路 。液压站 工作油 压的调 节 则 由并联 在油路 上的电液调压装置 ５来进行 ，采用 比 例压力阀也大大简化 了泵站压力控制 回路 。图 １ 是液
２１ ０ ２年 ４月
机床与液压
ＭＡＣＨＩ ＮＥ ０ＯＬ ＆ ＨＹＤＲＡＵｕ ＣＳ Ｔ
Ａｐ ． ２ ２ ｒ ０１
Ｖｏ ． ０ Ｎｏ ７ １４ ．
第４ Ｏ卷 第 ７ 期
Ｄ ： ０ ３ ６ ／．ｓｎ １ ０ ＯＩ １ ． ９ ９ ｊｉｓ． ０ １—３ ８ ． ０ ２ ０ ． １ ８ １２ １．７ ０ ７
电液 比例阀的性能分析及其在提升机制动 系统中应用的实验研究
常帅鹏 ，谷立 臣，王 寅晨
（ 西安 建 筑科 技 大 学机 电学 院 ，陕 西 西安 ７ ０ ５ ） １０５
摘要 ：根据电液 比例阀的工作原理 ，建立其数学模型 ，应用 ＭＡ Ｌ Ｂ对其进行动态特性 和稳定 性 的仿 真研 究 ，可看 出 ＴＡ
中图分类号 ：Ｔ ３ Ｈ１７ 文献标识码 ：Ａ 文章编 号 ：１０ —３８ （０ ２ ０ １ ８ １ ２ １ ）７— ５ ３ ０ ６—
Ｐｅ ｆ ｒ ａ ｅ Ａｎ ｌ ｓｓ ｆ ｒ Ｅｌ ｃ ｒ ｈ ｒ ｕ ｉ ｏ ｒ ｉ ｎ ｌＶａ ｖ ｎ ｒ ｏ ｍ ｎｃ ａ ｙ ｉ ｏ ｅ ｔ ｏ． ｙｄ ａ ｌｃ Ｐｒ ｐｏ ｔｏ ａ ｌ ｅ ａ ｄ Ｅｘ ｒｍ ｅ ｔ ｌＳ ｕ ｎ Ｉｓ Ａｐｐ ｉａ ｉ ｎ ｎ ａ ｉ ｙ ｔ ｍ ｆＨｏ ｓ ａ ｈｉ ｐｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｄｙ ｏ ｔ ｌｃ ｔｏ ｉ Ｂｒ ｋ ｎｇ Ｓ ｓ ｅ ｏ ｉｔＭ ｃ ｎｅ
Ｔ ｅ ｒ ｓ ｌ ｓ ｏ ｓ ｔ ａ ｅｖ ｌｅ ｈ ｓａ ｇ ｏ ｌ ｗ ｐ ｒ ｒ ａ ｃ ｒｏｌｐ ｅ ｓ ｒ ． ｉ ｅ ｐ ｅ ｓ ｒ ｖ ｒｈ ｏ ， ｉ ｒ ｔ ｎ ａ ｄ ｓ ｏ ｋ ｃ ｕ ｅ ｈ ｅ ｕ ｔ ｈ ｗ ｈ ｔ ｈ ａｖ ａ ｏ ｄ ｆ ｌ ｅ ｏ ｔ ｏｏ ｆ ｍ ｎ ｅｆ ｉ ｒ ｓ ｕ ｅ ｗｈ ｌ ｔ ｒ ｓ ｕ ｅ ｏ ｅｓ ｏ ｔ ｖ ｂ ａ ｉ ｎ ｈ ｃ ａ ｓ ｄ ｏ ｅｈ ｏ ｂ ｈ ｔｐ ｃ ａ ｇ ｆ ｒ ｓ ｕ ｅ ｃ ｎｒ ｌ８＂ ａ ｏ ｄ ｄ ｏ ｔｅ ｃ ｎ ｒ ｌ ｅ ｆｒ ａ ｃ ｆｔｅ ｈ ｄ ａ ｌ ｙ ｔｍ ｓ ｉ ｒ ｖ ｄ ｙ ｔ ｅ ｓｅ ｈ ｎ ｅ ｏ ｅ ｓ ｒ ｏ ｔ ２ ｖ ｉ ｅ ．Ｓ ｈ ｏ ｔ ｒｏ ｐ ｏ ｅ ｏｐ ｍ ｎ ｅｏ ｙ ｒｕｉ ｓ ｓ ｈ ｃ ｅ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ． Ｋｅ ｗｏ ｄ ：Ｅ ｅ ｔ — ｙ ｒ ｕ ｉ ｒｐ ｒ ｏ ａ ａｖ ｙ ｒ ｓ ｌｃｒ ｈ ｄ ａ ｌ ｐ ｏ ｏ ｔ ｎ ｌ ｌ ｅ；Ｓ ｍｕ ａｅ；Ｈｏ ｓ ｈ ｄ ａ ｌ ｔｔ ｎ Ｓ ｇ ａ ｅ ｔ ｏ ｃ ｉ ｖ ｉ ｌｔ ｉｔ ｙ ｒ ｕ ｉ ｓａｉ ； ｉｎ ｌｔｓ ｃ ｏ
ｂｌｔ．Ｔ ｒ ｕ ｈ ａ ｓｇ ａ ｅ ｔｓ ｓｅ ，ｔ ｅ ｆｌ ｗ ｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｏ ｅ ｖ ｌｅ ｉ ｏｓ ｒ ｋ ｎ ｙ ｒ ｕｉ ｙ ｔｍ ｅ ｔｓａ ｄ ｗ ｓ ｒ ｓ ａ ｃ ｅ ． ｉ ｙ ｈ ｏ ｇ ｉｎ ｌ ｓ ｙ ｔｍ ｉ ｔ ｈ ｏ ｌ ｅｆ ｍａ ｃ ｆｔ ａｖ ｎ ｈ ｉｔｂ ａ ｉ ｇ ｈ ｄ ａ ｌ ｓ ｓ ｏ ｏ ｈ ｃ ｅ ｔｓ ｔ ｎ ａ ｅ ｅ ｒ ｈ ｄ
压 系统 的原理简 图。
图 １ 液 压 系 统 的 原理 简 图
２ 比例 压 力阀数 学模 型 的建立
Ｔ ｌ０型 液 压 站 选 用 的是 带 位 置 调 节 型 比例 电 磁 Ｅ６
铁的直动式 比例溢流阀 ，位置调节型 比例 电磁铁是通 过弹簧与 阀芯联结 的，其本质上是一个位置负反馈 系
的输入信号就是 比例电磁铁推杆输入 的位移压缩 弹簧
收 稿 日期 ：２ １ ０ ２ ０ １— ３— ８ 作 者 简 介 ：常 帅鹏 （９ ６ ） １８ 一 ，男 ，硕 士 研 究 生 ，研 究 方 向为 机 电 液一 体 化 。Ｅ—ｍ ｉ ｓｇｅｔ １３ ｃｒ。 ａ ：ｃｐｒａ＠ ６ ． ｏ ｌ ｎ
第 ７期
常帅鹏 等 ：电液 比例 阀的性能 分析及其 在提升机制动系统 中应用 的实验研究
・５ ７・
形 成的弹簧力 ，故对直动式 比例溢流 阀的分 析就从弹 簧着手 。
Ａ 为阀芯锥面上液压力 的作用面积 ； ｍ 为锥 阀芯质量 ； 曰 为锥 阀的黏性 阻尼 系数 ；
统 ，它压缩弹簧 的定位精度高 ，即线 圈上控制 电流 不 变 时 ，无论 阀芯上 的干扰力如何变化 ，其衔 铁推杆 的 位 置是不 变的。和普通 溢流阀一样 ，比例溢流阀也是 与恒流源和负载并联使用 的，由此可 以画 出带位置调 节型 比例电磁铁的直动式 比例溢流 阀所在控制 系统 的
工作原理 图 ，如 图２所示 。直动式 比例溢流 阀阀芯上
Ｔ ｃ ｎ ｌｇ ｅ ｈ ｏｏ ｙ。Ｘｉ ｎ Ｓ ａ ｎ ｉ ０ ５， Ｃ ｉａ ’ ｈ ａ ｘ １ ５ ａ ７０ ｈｎ ）
Ａｂ ｔ ａ ｔ Ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｈ ｒ ｉ ｇ ｐ ｎ ｉｌ ｆ ｔｅ ｅｅ ｔ — ｙ ｒｕ ｉ ｒ ｐ ｒｉｎ ｌ ｖ ｌｅ ｔ ｍａ ｈ ｍａ ｉａ ｄ ｌｗａ ｓ ｂ ｓｒ ｃ ： ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｔ ｅ ｗｏｋ ｎ ｒ ｃｐ ｅ ｏ ｈ ｌ ｃｒ ｈ ｄ ａ ｌ ｐ ｏ ｏｔ ａ ａｖ ，ｉ ｔ ｅ ｔ ｌｍｏ ｅ ｓ ｅ ｔ — ｉ ｏ ｃ ｏ ｓ ｃ ａ ｌｈｄ ｉ ｅ ．ＭＡＴ ＡＢ ｗ ｓｕ ｅ ｉ ｌ ｔ ｓｄ ｎ ｍｉ ｈ ｒ ｃｅ ｓｉ ｎ ｔｂ ｌ ｙ ｔ ｓ ｓ ｏ ｎ ｔｅ ｖ ｌｅ ｈ ｓａ ｇ ｏ ｅ ｐ ｎ ｅ ｓ ｅ ｄ ａ ｄ ｓａ ｓ Ｌ ａ ｓ ｄ ｔ ｓｍｕ ａｅ ｉ ｙ ａ ｃ ｃ ａ ａ ｔｒ ｔ ａ ｄ ｓａ ｉ ｔ ．Ｉ ｉ ｈ ｗ ｈ ａｖ ａ ｏ ｄ ｒ ｓ ｏ ｓ ｐ ｅ ｎ ｔ— ｏ ｔ ｉ ｃ ｉ
（ ）传递 函数方框 图 ５
Ｋ １ 。
１
（） ｔ
（） ２
结合式 （ ） （ ） ５ 一 ８ ，可得带位置调节型比例 电磁铁
式 中 ： （） Ｐ ｔ为溢流 阀的稳态输 出压力 ；
的直动式 比例溢流阀传递函数方框 图，如 图３所示 。
图 ３ 比例溢流 阀传递 函数 方框 图
・
图 ２ 带位置调节型 比例 电磁铁 的 直动式 比例溢流 阀工作原理
㈩ ＝ｇｌ ＋ Ｉ ）十 ｙ ㈩ ｇ ＿
式 中 ：ｑ ｔ 为 恒 流 源 流 量 ； （）
＋ １ （） ｇ『 ． ㈩ ４
２ １ 电液 比例 溢 流 阀的 比例 数 学模 型 ． （ ）弹簧 的位移 一 １ 力方程
为了建 立模 型方便 和直观 ，以下均用变量代替增 量 。溢 流阀在工作时其稳态工况对应有一个稳定 的开
口量 ，该 开 口量对应弹簧 的压缩量 。为 了降低建模 的 复杂性 ，采用线性弹簧 ，其位移 一 方程 为 ： 力 （） 日 （） （） ＝ （ ） ｔ ＝ ，［ ｔ 一 ｔ］ ｔ （） １ 式 中 ： （） 弹簧 受压 缩 后 的输 出力 ，即 （ ）＝ ｔ为 ｔ
该阀具有 良好的响应速度和稳定性 。通过信号测试 系统研究 该 阀在 提升机 制动 系统液压 站试验 台中 的跟 随性 ，结 果表 明 ：
该 阀有很好 的油压跟 随性 ，同时避免 了压力控制 阶跃 变化引起 的压力超调 、震荡和冲击 ，提高 了液压系统的控制性能 。 关键词 ：电液 比例 阀；仿真 ；提升机液压站 ；信号测试