(1.山西大同大學 機電工程學院, 山西 大同 037003；2.太原科技大學 機械工程學院， 山西 太原 030024； 3.山西大同大學 科技處， 山西 大同 037009)

引言

乳化液泵作為液壓支架的動力源，其性能好壞直接決定著乳化液泵站的工作效率[1]。國內(nèi)外學者對乳化液泵相關性能的研究已經(jīng)取得了諸多成果，主要集中在流動參數(shù)特性[2-4]、動態(tài)特性[5-7]、控制驅(qū)動技術[8-9]和變量機構(gòu)[10-11]等方面的分析研究，并基于試驗和仿真[12-13]進行了驗證。

由于乳化液泵采用臥式布局單向閥配流的方式進行配流，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有變量形式。國內(nèi)外學者一直致力于通過液壓閥實現(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，實現(xiàn)軸向柱塞泵/馬達配流及變量的配流機構(gòu)，該機構(gòu)具有液壓沖擊和噪聲小等優(yōu)點，但是結(jié)構(gòu)有待進一步優(yōu)化。朱碧海等[16]提出一種采用缸體和配流閥一起旋轉(zhuǎn)的雙斜盤閥配流軸向柱塞式液壓電機泵，并提出一種通過改變右斜盤與左斜盤的相對位置實現(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，但配流閥所受的離心力存在正負兩方面的效果，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，以實現(xiàn)排量的無極調(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pT壓力最低，排液閥在ps壓力下關閉，pT此時與大氣壓相等，在pT作用下進液閥打開，油液通過進液閥從油箱中進入柱塞腔；排液時，在pp的作用下進液閥關閉，在柱塞的壓縮下pp升高到大于ps將排液閥打開排液。

圖1 乳化液泵的工作原理

乳化液泵采用閥配流，油液無論何時都是從進液閥進入柱塞，然后再從柱塞中通過排液閥排出，排量固定不變。

為滿足液壓支架在不同工況下的不同動作，實現(xiàn)流量的分級調(diào)節(jié)，同時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，應企業(yè)實際使用需求為實現(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柱塞移動形成真空環(huán)境進行吸液，以及通過柱塞移動壓縮油液進行排液，為實現(xiàn)乳化液泵在一定范圍內(nèi)的排量變化，通過設置位移傳感器將乳化液泵柱塞的位移變化以電信號的方式傳遞給控制電磁鐵，通過控制電磁鐵在柱塞排液時段的開啟，進而控制進液閥在排液行程的開啟時段。在柱塞位移的排液行程時段內(nèi)，使得進液閥開啟一定時段排液。由于在一定時間段內(nèi)，進液閥和排液閥同時排液，所以通過排液閥排出的流量減少，通過控制進液閥的開啟時段從而改變?nèi)榛罕玫呐帕俊?/p>

1.2 變量閥配流機構(gòu)

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

圖2 變量閥配流機構(gòu)工作原理

如圖2所示，在曲軸轉(zhuǎn)動至排液行程時，可分為2個階段。

階段1，排液前段：在柱塞排液開始的一段行程范圍，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，排液閥關閉，通過電磁鐵動作打開進液閥，柱塞中的一部分流量通過進液閥排回油箱。

階段2，排液后段：在柱塞位移通過排液前段行程范圍后電磁鐵斷電關閉，進液閥關閉，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，柱塞中剩余的油液通過排液閥排出。

閥芯是閥體借助其移動來實現(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，考慮到不同閥芯對液壓閥的性能指標至關重要，對錐閥和球閥兩種結(jié)構(gòu)進行對比分析，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比

圖4 球閥與錐閥過流面積對比

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

圖4所示為球閥與錐閥過流面積對比，從圖中可以看出在閥芯的開口量相同，即閥芯與閥座離開相同距離時球閥的過流面積要大于錐閥。

綜合以上結(jié)論，由于球閥較錐閥具有更大的過流面積、更快的響應時間，總體性能優(yōu)于錐閥，所以本研究中的變量閥配流機構(gòu)選擇球閥作為進/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。通過設置位移傳感器，將柱塞位移對應的排液行程反饋給電磁閥。然后，通過設置電磁閥的開啟實現(xiàn)進液閥的反向開啟。由于電磁閥開啟時通過力作用于閥芯，所以圖5中采用力輸入信號代替電磁鐵動作。

圖5 乳化液泵AMESim模型

基于AMESim對乳化液泵進行仿真分析，考查其工作性能，主要系統(tǒng)參數(shù)見表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構(gòu)控制，通過位移傳感器將柱塞位移反饋，柱塞的位移如圖7所示。反饋的位移與設置好的開啟行程進行比較，在需要開啟的行程輸出信號為1，輸出的信號如圖8所示，輸出信號經(jīng)過增益進行放大，放大后的信號輸入到電磁鐵中將進液閥打開。

圖6 變量機構(gòu)控制

圖7 柱塞位移

圖8 開啟行程輸出信號

如圖9所示為進液閥在排液行程開始的開啟對比，圖中對比了在柱塞的排液行程中進液閥開啟不同時段的排液量，分別選取了進液閥開啟整個行程的1/6，2/6，3/6，4/6，5/6時間段。圖中流量為正時進液閥吸液，流量為負表示進液閥排液，圖中曲線所圍成的面積表示排量，從圖中可以看出這5個不同行程進液閥排出的液體體積(排量)分級明顯，表明通過柱塞位移反饋調(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，如同斜盤式柱塞泵一樣，通過控制斜盤角度使得柱塞吸排液行程改變，通過控制進液閥排液改變?nèi)榛罕弥乓盒谐踢_到變量目的。

圖9 進液閥吸液/排液

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

圖10 進液閥開啟1/6行程排液

圖11 進液閥開啟3/6行程排液

圖12 進液閥開啟5/6行程排液

4 結(jié)論

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

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

(2) 仿真分析結(jié)果顯示通過柱塞位移反饋調(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，實現(xiàn)變量控制的目的，響應更快，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)，為負載敏感系統(tǒng)的改造提供支撐，但對于球閥等關鍵零部件的可靠性，仍需在后續(xù)實驗研究中考查驗證。