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液压支架大流量安全阀动态特性仿真

文档作者：焦黎栋廉自生文档来源：太原理工大学机械工程学院		点击数：	更新时间： 2021年05月20日
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第5期(总第162期)
2010年10月
机械工程与自动化
MECHANICAL ENGINEERING &amp;amp; AUTOMATION
No．5
0ct．
文章编号：1672—6413(2010)05—0004—03
液压支架大流量安全阀动态特性仿真
焦黎栋，廉自生
(太原理工大学机械工程学院， 山西 太原030024)
摘要：介绍了支架大流量安全阀的工作原理和结构特点，采用功率键合图法和状态空间法建立安全阀系统动态
特性的数学模型以及仿真模型，利用Simulink对其动态特性进行了数字仿真分析，得出了在顶板快速下沉时，
该阀的阀口压力及流量曲线和阀芯的位移及速度曲线。通过分析仿真结果可知，适当增加弹簧的刚度，可提高
闽的灵敏度，减小阀芯的振荡，实现大流量安全阀的动态特性优化。
关键词：功率键合图；大流量安全阀； 动态特性；仿真
中图分类号：TD355 ．4：TH134 文献标识码：A
1 大流量安全阀工作原理及结构特点
图1为立柱安全阀在液压支架系统中的简化回
路。在井下采煤过程中，由于采煤工艺引起的地质条
件的变化，会使岩石层顶板作用在支架顶梁上的压力
突然增大，并超过支架的工作阻力，由于液控单向阀
的闭锁功能，这时立柱下腔的压力会迅速升高，当压
力超过安全阀的调定压力时，高压乳化液顶开安全阀
的阀芯，下腔的乳化液经安全阀溢出、卸载，起到了
保护支架系统的作用。顶板来压时的下沉速度和立柱
的直径决定了系统中所需安全阀的流量， 目前国内液
压支架用的安全阀的额定流量大多数比较小，而新型
大流量安全阀的设计流量高达1 500 L／min，直径达到
了~P13 mm，溢流液孔为4排孔，安全阀阀芯结构简图
见图2。分析该阀的动态性能对保证支架系统具有良
好的工作性能是很有必要的。
O
P
图1 安全阀在液压支架系统中的简化回路
2 建立安全阀系统的数学模型
2．1 建立系统的功率键合图
该系统为典型的多输入、多输出的非线性系统，所
以选择功率键合图法和状态空间法建立系统的数学模
型。在建模过程中考虑因素过多往往会导致系统过于
复杂，必然会出现刚性方程，造成系统的一阶微分方
程组无解，所以在绘制键合图时，只考虑影响动态性
能的主要因素，把一些对系统动态特性影响很小的因
素忽略不计(如乳化液的质量、压缩性等)。
卜
)
【V／／／／／／／／／／／／／~
图2 安全阀阀芯结构简图
在研究系统的动态特性时，可以认为：由支架立
柱进入安全阀的液体为一个流源S，；弹簧预紧力为一
个力源S ；立柱和阀芯内容腔的液容C +阍和弹簧的
柔度C弹为两个容性元件；阀芯和弹簧的质量 阀+弹为
惯性元件；立柱和阀芯的泄漏液阻R立+闽、液体通过溢
流孔的液阻R阀、液体通过阻尼孔的液阻R阻尼孔、阀芯
上密封圈与阀套之间的库仑摩擦阻力F阻和阀芯与阀
套之间的粘性摩擦阻力F粘阻为阻性元件。根据系统的
功率流程，绘制系统的功率键合图，如图3所示。其
中，q 为立柱进入安全阀的流量；g。为乳化液膨胀和
压缩所储存的流量；q。为立柱和阀芯腔泄漏引起的流
量；q 为安全阀溢流口流出的流量；P。、 、 。、 分
别为流量q 、g。、g。、q 所对应的压力；q 为经安全阀
口进入的流量；q。为进入阻尼孔后的流量；q 为进人
*国家“十一五”科技支撑计划资助项目(2007BAB13B01)
收稿13期：2010一O4—3O
作者简介：焦黎栋(1985一)，男，山西介休人，在读硕士研究生，研究方向为矿山机电液一体化。
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2010年第5期 焦黎栋，等：液压支架大流量安全阀动态特性仿真 ·5·
阀芯内空腔的流量；P 、P 、P 分别为流量qs、q 、q
所对应的压力；F。为q 所具有的压力户 转换成作用
在阀芯上能够推动阀芯动作的力； 。为在F。作用下
阀芯的运动速度；F。为弹簧的预紧力；F o为弹簧的弹
性力；F 为使阀芯产生加速度的惯性力；F ：为阀芯上
密封圈与阀套之间的库仑摩擦阻力；F 。为阀芯与阀套
之间的粘性摩擦阻力； 。、V1。、 1l、 12、V13分别为F。、
F 。、F 、F 、F 。所产生的速度；X 。为阀芯的位移；
TF为能量转换器。
飓 +
图3 大流量安全阀系统的功率键合图
2．2 由功率键合图建立系统的状态方程
由于状态方程是一个一阶微分方程组，其各状态
变量间具有导数关系，而功率键合图中只有惯性元
和容性元C各自两个变量间有导数和积分的关系，所
以，元和C元的自变量的积分必然就是状态方程的
状态变量。根据上述功率键合图，这些自变量共有3
个，即q：、 。、F 它们的积分就是状态变量 ：、 。、
P 。其中， 为立柱和阀芯内容腔膨胀压缩需补充的
乳化液体积，P 。为阀芯的动量。3个状态变量与因变
量之间的关系为：P。一 、F 。一 X 。、 一
立+ 阎 弹
。
将各状态变量的导数写成各因变量输入变量的函
数关系，就可得到以下状态方程：
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)
阀+ 弹
一 +(o．863 5nf．
d密D阀套R阻尼孔A阀一Rmlg~A阎z一丝 )P 一
x1o— S 。⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ (4)
其中： 阀为阀芯的面积；A溢为溢流孔总面积；JD乳为
乳化液的密度；C 为流量系数； 为密封圈的个数；f
为摩擦因数；d密为密封圈断面直径；D阎套为阀套直径
乳为乳化液的动力粘度；D阀芯为阀芯的直径；L接触为
阀芯与阀体有效接触长度；C 阀为阀芯与阀体配合间
隙；X搭台量为安全阀不产生溢流时阀芯位移的范围。
3 建立安全阀系统的仿真模型
根据上述状态方程，在MATI AB／Simulink环境
下建立仿真模型对系统进行仿真分析。该系统仿真的
关键是仿真参数的设置。在Configuration Parameters
模式下设置系统各元件参数如下：顶板下沉速度为
0．2 m／s、阀芯油压腔的有效作用面积为7．386×
10 m 、立柱和阀芯液容之和为1．435 4×
10 m ／N、立柱和阀芯泄漏液阻之和为6．465×
10 Ns／m 、阻尼孔的液阻为2．24×10 Ns／m 、阀芯
和弹簧质量之和为l16．49 g、弹簧刚度为3．68×
10 N／m、安全阀调定压力为45 MPa。
在Simulation模式下设置仿真参数并运行，得到安全
阀阀口压力、流量和阀芯位移、速度仿真曲线，见图4。
4 仿真结果分析
安全阀的调定开启压力为45 MPa，从阀口压力曲
线可以看出：在顶板来压时安全阀溢流，压力峰值达
到49．2 MPa，阀的动态压力超调率为9．3％ ，远远小
于《矿用液压支架阀性能指标要求》中规定的40 9，6。峰
值时问为10．6 ms～ 10．7ms，稳定时问为60 ms～
80 ms，这两项指标表明该大流量安全阀既具有快速
的动态响应特性，又具有良好的稳定性，能够起到迅
速开启并及时卸载溢流保护液压支架的作用。
从阀芯的速度曲线可以看出：阀芯的最大速度达
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·6· 机械工程与自动化 2010年第5期
到2．45 m／s，并且在阀开启之后有大的波动。在这个
过程中，由于高压液体的冲击速度快，阀口的泄流量
大，阀芯的非线性振荡产生剧烈的液压冲击。因此，必
=
＼
口
垦
E
置
＼
屡
、、 r 、， m 十⋯ 一p M ～
t／S
(a)阀口压力曲线
厂＼
L， v～ √
O O．O5 0．1O O．15 O．2O 0．25
t／s
(c)阀芯位移曲线
须采取有效的措施来提高阀芯的稳定性，改善安全阀
的动态特性。
1 200
800
垦
400
f
＼
屡
＼
V 、’～V、 ／＼八八／＼ ， ，、／V＼
0 0．O5 O．1O O．15 O．20 0．25
t／s
(b)阀口流量曲线
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)阀芯速度曲线
图4 Simulink环境下安全阍的仿真结果
在仿真模型中改变相应的参数，得到弹簧刚度在 5 结论
4．68×10 N／m时的阀芯速度曲线，如图5所示。从阀 研究表明适当增加安全阀的弹簧刚度，可减小阀
芯速度曲线可以看出：当弹簧的刚度增加到4．68× 芯的振荡，提高阀的灵敏度。该研究所用的方法和得
10 N／m时，阀芯在开启后的振荡明显减小，此时安全 到的一些重要结论，为进一步研究和设计液压支架用
阀溢流产生的液压冲击减小，同时阀芯在开启时的响 大流量安全阀提供了可靠的参考资料。
应速度也有所提高。
f
＼
蜊
均
垦
O O．O5 O．1O O．15 0．20 0．25
t／s
图5 弹簧刚度为4．68×lO N／m 时的阀芯速度曲线
参考文献：
[1] 冯静，王永强，杨明杰，等．新型液压支架用安全阀的动态
性能分析与研究EJ]．煤矿机械，2007(9)：72—74．
[2] 冯静，陶然，马胜钢．功率键合图一状态方程法在新型安
全阀动态特性研究中的应用[J]．机床与液压，2009(8)：
85—87．
[3] 张建卓，李新淼，毛君，等．基于功率键合图的大流量安全
阀仿真研究[J]．煤矿机械，2008(12)：60—62．
[4] 刘能宏，田树军．液压系统动态特性数字仿真[M]．大连：
大连理工大学出版社，1993．
(英文摘要转第13页)
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 机械工程与自动化 ·13·
参考文献：
[1] 刘国柱．矿用液压支架带压浮动控制系统[J]．煤矿机械，
2008(4)：109—111．
123 王伟．两柱掩护式支架平衡千斤顶控制方式的分析[J]．
煤矿机械，2009(1)：168—170．
[3] 李聚领，杨卫书．平衡补偿双向锁的可行性探讨I-J]．煤矿
[4]
[5]
机械，2009(3)：68—170．
寇子明．液压支架动态特性分析与检测[M]．北京：冶金
工业出版社，1996．
王国彪，饶明杰．液压支架优化设计与计算机模拟分析
[M]．北京：机械工业出版社，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页)
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页)
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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