分析電磁球閥的工作原理，建立相應(yīng)的功率鍵合圖，并利用20-Sim軟件進(jìn)行建模分析，得出電磁球閥的動(dòng)態(tài)性能曲線以及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其性能的影響。結(jié)果表明：設(shè)計(jì)的電磁球閥的響應(yīng)時(shí)間快、超調(diào)量小、工作范圍大，最大流量達(dá)12L/min；平衡回路上的阻尼孔的尺寸、閥芯行程及彈簧剛度分別對(duì)電磁鐵推力大小、閥的出口流量、閥的使用壽命影響較大。

　　目前，電液控制系統(tǒng)廣泛使用于液壓支架系統(tǒng)中。在電液控制系統(tǒng)中，由電磁先導(dǎo)閥控制的電液閥組是核心控制元件，而電磁先導(dǎo)閥閥芯部件的性能，直接決定相應(yīng)的主閥的動(dòng)作，從而影響著液壓支架工作的響應(yīng)速度與可靠性。電磁換向閥的閥芯結(jié)構(gòu)有滑閥和球閥兩種，球閥結(jié)構(gòu)的電磁換向閥又稱為電磁球閥。小流量的電磁球閥一般用作先導(dǎo)閥來(lái)控制主油路上的主閥，而大流量的電磁球閥可直接用于控制主油路的通斷。對(duì)于大噸位的液壓支架來(lái)說(shuō)，先導(dǎo)閥流量越大，主閥動(dòng)作就越迅速，液壓支架響應(yīng)也更快，這對(duì)提升整個(gè)采煤系統(tǒng)的工作效率具有重大的意義。目前，礦井下用作先導(dǎo)閥的常用的電磁球閥的流量是1.6L/min，其值比較小，大流量的電磁球閥的國(guó)內(nèi)外也無(wú)成熟產(chǎn)品，因此，真空技術(shù)網(wǎng)(http://www.lalazzu.cn/)認(rèn)為研究電磁先導(dǎo)閥的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)設(shè)計(jì)出一款實(shí)用的大流量的電磁先導(dǎo)換向閥具有重大意義。本文作者通過(guò)搭建電磁球閥的功率鍵合圖，并用20-Sim軟件對(duì)其閥芯的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行仿真分析，研究其動(dòng)態(tài)性能。

1、電磁先導(dǎo)閥的工作原理

　　圖1為設(shè)計(jì)的一款大尺寸的電磁球閥閥芯的結(jié)構(gòu)圖。

圖1 電磁球閥閥芯的結(jié)構(gòu)

　　其工作原理是：右端電磁鐵得電產(chǎn)生的電磁鐵推力作用于閥芯運(yùn)動(dòng)部件(1，2，4，5，7，8)上，閥芯運(yùn)動(dòng)部件克服阻力向左運(yùn)動(dòng)，使4與6形成的常開(kāi)閥口逐漸關(guān)閉，6與7形成的常閉閥口逐漸開(kāi)啟，從而使工作口A口連通，電磁先導(dǎo)閥開(kāi)啟，高壓油通向工作端；同理，當(dāng)電磁鐵失電時(shí)，在彈簧的彈力的作用下，閥芯運(yùn)動(dòng)部件向右運(yùn)動(dòng)，使6與7形成的閥口趨向關(guān)閉，4與6形成的閥口趨向開(kāi)啟，從而使P口與A口斷開(kāi)，A口與T口連通，電磁先導(dǎo)閥關(guān)閉，工作端的液壓油回流至油箱。

　　閥芯動(dòng)作時(shí)，由于閥芯運(yùn)動(dòng)部件中4與7有位置約束，使得組件part1(5，7，8)與組件part2(1，2，4)動(dòng)作不會(huì)完全一致，則應(yīng)分別對(duì)其進(jìn)行建模分析。

2、電磁球閥閥芯的功率鍵合圖

　　根據(jù)電磁球閥的結(jié)構(gòu)與工作原理，忽略頂針5處的內(nèi)泄漏，用液壓缸與質(zhì)量塊模擬執(zhí)行元件與負(fù)載，即可得電磁球閥的簡(jiǎn)化模型，如圖2所示。其中R1-R8為相應(yīng)流道、閥口或阻尼孔的液阻，C1-C3為對(duì)應(yīng)容腔的液容，A1-A5為各截面的有效面積，Se為系統(tǒng)提供的恒定壓力的液壓源。

圖2 電磁球閥的簡(jiǎn)化模型

　　根據(jù)電磁球閥的簡(jiǎn)化模型與其功率的流向，可建立對(duì)應(yīng)的功率鍵合圖，如圖3所示。

圖3 電磁球閥的功率鍵合圖

　　其中P0為系統(tǒng)提供的恒定油壓，F(xiàn)c為電磁鐵推力，Seo為彈簧預(yù)壓縮力，Cs為彈簧柔度，I1、I2、I分別表示為閥芯運(yùn)動(dòng)部件part1、part2與負(fù)載的等效質(zhì)量，Rw1、R分別表示常閉陶瓷球受到的穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)液動(dòng)力的液阻，Rw2、Rt2、Rf分別表示常開(kāi)陶瓷球受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力、瞬態(tài)液動(dòng)力與摩擦力的液阻。

3、電磁球閥的20-Sim建模與仿真

　　3.1、電磁球閥的20-Sim建模

　　20-Sim軟件是一個(gè)主要面向機(jī)電液系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一體化建模仿真平臺(tái)，具有方程、方框圖、圖標(biāo)與鍵合圖四種建模方式，便于建立各種混合復(fù)雜的系統(tǒng)模型，它還提供了多種積分算法，提高了仿真速度，確保了結(jié)果的正確性。

　　根據(jù)電磁球閥的功率鍵合圖與狀態(tài)方程，可方便的搭建對(duì)應(yīng)的20-Sim鍵合圖模型，如圖3所示。電磁球閥采用子模型(VALVE，PART1，PART2)的模塊化建模，各可變參數(shù)在子模塊間通過(guò)全局變量進(jìn)行參數(shù)的相互傳遞。根據(jù)閥芯結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸值與閥芯的流量方程、流量連續(xù)性方程、受力方程，可對(duì)圖3中各元件的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，建立各元件流變量與力變量間的相互關(guān)系。圖4為常閉閥口液阻R3的參數(shù)設(shè)置。

圖4 常閉閥口液阻R3的參數(shù)設(shè)置

　　由于20-Sim Viewer為試用版，不能保存數(shù)據(jù)，且電磁球閥功率鍵合圖模型的元件多，定義繁瑣，應(yīng)該在每一個(gè)元件定義好后，把元件的設(shè)置復(fù)制并保存在文本文檔中，方便以后調(diào)試時(shí)二次使用。

　　3.2、電磁球閥的性能仿真

　　用20-Sim軟件進(jìn)行仿真分析時(shí)，電磁鐵給電時(shí)間段為0.01-0.07s，總仿真時(shí)間取0.14s，用Backward Differentiation(BDF)求解器進(jìn)行求解，可得到電磁球閥的動(dòng)態(tài)性能曲線。

　　圖5為電磁球閥的閥芯位移曲線。由圖可知，構(gòu)成閥芯運(yùn)動(dòng)部件的兩個(gè)組件(part1與part2)運(yùn)動(dòng)不完全一致。在t=0.01s時(shí)電磁鐵推力作用于頂桿上，組件part2與組件part1迅速一起向左運(yùn)動(dòng)，使常開(kāi)閥口關(guān)閉，常閉閥口開(kāi)啟。當(dāng)常開(kāi)閥口的閥口開(kāi)口量減為0時(shí)，組件part2與中間閥套碰撞，其開(kāi)口量保持為0，而組件part1由于慣性繼續(xù)向左運(yùn)動(dòng)，使常閉閥口開(kāi)口量大于設(shè)定值0.5mm，然后在受到彈簧力的作用下，組件part1往回運(yùn)動(dòng)，直到組件part2碰撞后一起向右回彈。多次的來(lái)回振蕩后，閥芯運(yùn)動(dòng)部件在t=0.38s時(shí)達(dá)到穩(wěn)定。在t=0.07s時(shí)，電磁鐵斷電，閥芯運(yùn)動(dòng)部件在彈簧力的作用下，迅速?gòu)?fù)位。由于中間閥套的限位作用，組件part1復(fù)位時(shí)與中間閥套碰撞后反彈，而組件part2繼續(xù)向右運(yùn)動(dòng)。當(dāng)兩組件斷開(kāi)接觸時(shí)，組件part2受到總的向左的靜液壓力，使其減速后也反向運(yùn)動(dòng)，直到與組件part1接觸后一起振蕩，最終在t=0.078s時(shí)，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5 閥芯位移曲線

　　從圖5可知，兩閥芯組件運(yùn)動(dòng)不完全一致， 難證了建模之前的分析，也凸顯了分開(kāi)建模的重要性。另外，閥芯從開(kāi)始運(yùn)動(dòng)到穩(wěn)定僅用0.28s，響應(yīng)快，其超調(diào)量也較小，電磁球閥的動(dòng)態(tài)性能較好。

　　電磁球閥的出口流量如圖6所示。可以看出t=0.01s時(shí)，常閉閥口慢慢開(kāi)啟，閥的出口開(kāi)始有流量輸出。但由于閥芯組件的振蕩，閥口開(kāi)口量也變化，使電磁球閥出口流量值有一定幅度的波動(dòng)。在閥口開(kāi)口量達(dá)到穩(wěn)定值后，閥的出口流量也逐漸達(dá)到穩(wěn)定值11L/min。當(dāng)電磁鐵斷電，閥芯復(fù)位時(shí)，電磁球閥的出口流量迅速減為0。在負(fù)載重力的作用下，液壓缸中的液壓油，經(jīng)小幅振蕩后，回流至油箱。

圖6 閥的出口流量曲線

　　由于閥芯換向時(shí)，受到的液動(dòng)力與液壓卡緊力均與通過(guò)的流量和壓力值有關(guān)，則電磁球閥只能在一定的流量壓力范圍內(nèi)才能正常工作。圖7為電磁球閥的工作范圍曲線。從圖7可以看出，該電磁球閥的工作壓力范圍大，輸出流量值也大，最大可達(dá)12L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前礦井常用的電磁球閥額定輸出流量值(1.6L/min)。

圖7 閥的工作范圍曲線

　　3.3、結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)電磁球閥的性能的影響

　　電磁球閥平衡回路上的阻尼孔，用于平衡閥芯上受到向左與向右的靜液壓力，使電磁鐵推力僅須克服彈簧力、液壓卡緊力、液動(dòng)力，便可以讓電磁球閥開(kāi)啟。電磁鐵推力為50N時(shí)，把平衡回路上的阻尼孔的液阻R4設(shè)置為不同的值，仿真可得組件part1的位移曲線，如圖8所示。

圖8 不同的阻尼孔液阻時(shí)組件part1的位移曲線

　　由圖8可知，在相同的電磁推力下，平衡回路上阻尼孔的液阻值越小，閥口開(kāi)啟至達(dá)到穩(wěn)定時(shí)用時(shí)更長(zhǎng)，響應(yīng)變慢。則在保證響應(yīng)時(shí)間不變時(shí)，平衡回路上阻尼孔的液阻值越小，所需的電磁鐵推力變大。所以，在設(shè)計(jì)電磁球閥時(shí)，須反復(fù)校核設(shè)計(jì)平衡回路上的阻尼孔的結(jié)構(gòu)尺寸，在保證良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)下，盡量減小電磁鐵推力，從而降低對(duì)應(yīng)的電磁鐵設(shè)計(jì)要求。

　　在相同壓差情況下，閥芯最大開(kāi)口量直接決定電磁球閥出口的最大流量值。改變閥芯最大行程參數(shù)xm，值分別設(shè)置為0.3、0.5、0.7mm，通過(guò)仿真即可獲得先導(dǎo)閥出口的流量變化，如圖9所示。由圖9可知，隨著閥芯行程的增加，電磁球閥的出口最大流量值也增加，但增加的幅度越來(lái)越小，穩(wěn)定性也變差，響應(yīng)時(shí)間變長(zhǎng)。則在設(shè)計(jì)閥芯行程時(shí)，應(yīng)合理選擇閥芯行程值，使電磁球閥的出口流量盡量大，同時(shí)使電磁鐵的銜鐵行程偏小。

圖9 不同行程時(shí)閥的出口流量曲線

　　彈簧的剛度對(duì)閥芯位移的超調(diào)量、振蕩次數(shù)、響應(yīng)時(shí)間都有很大關(guān)聯(lián)。改變彈簧剛度k值，分別設(shè)置為10、15、20N/mm，通過(guò)仿真即可獲得電磁球閥組件part1的位移變化情況，如圖10所示。由圖10可知，彈簧剛度越大，其超調(diào)量越小，則常開(kāi)閥口關(guān)閉時(shí)與中間閥套的碰撞也越柔和，增加了電磁球閥的壽命，但其達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)用的時(shí)間變長(zhǎng)，響應(yīng)變慢。則在選擇彈簧剛度時(shí)，應(yīng)在保證響應(yīng)時(shí)間的情況下，盡量偏大選取，可增加電磁球閥的使用壽命。

圖10 不同彈簧剛度時(shí)part1的位移

4、結(jié)束語(yǔ)

　　(1)通過(guò)20-Sim仿真可以看出，電磁球閥閥芯動(dòng)作時(shí)，由于存在中間閥套的限位作用，組件part1與組件part2動(dòng)作不完全一致，閥芯的振蕩，導(dǎo)致電磁球閥出口壓力與流量的波動(dòng)，但其波動(dòng)較小，響應(yīng)時(shí)間快，動(dòng)態(tài)性能較好。另外，電磁球閥的工作范圍曲線區(qū)域大，最大輸出流量值可達(dá)12L/min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于目前礦井常用的電磁球閥額定輸出流量值(1.6L/min)。

　　(2)電磁球閥平衡回路上的阻尼孔的尺寸對(duì)平衡閥芯受到的靜液壓力具有重要作用，合理的結(jié)構(gòu)尺寸可減小電磁鐵推車，從而降低對(duì)應(yīng)的電磁鐵設(shè)計(jì)要求。增加閥芯行程可增加閥的輸出流量，但其增加效果越來(lái)越不明顯。彈簧剛度值對(duì)電磁球閥的動(dòng)態(tài)性能影響較大，應(yīng)在保證響應(yīng)時(shí)間的情況下，盡量選取較大剛度的彈簧，減小碰撞，從而增加電磁球閥的使用壽命。