安全阀动态特性数字仿真与优化研究.pdf

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总第124期doi：10．3969／j．issn．1005—2798．2010．02．004安全阀动态特性数字仿真与优化研究安林超，程雪利，廉自生(1．河南机电高等专科学校，河南新乡453002；2．太原理工大学，山西太原030024)摘要：借助于功率键合图技术建立支架立柱用安全阀的动态数学模型，给出必要的约束条件，在SIMU．LINK环境下实现其动态特性的数字仿真，并确定对安全阀动态特性影响较大的参数，在仿真环境下实现仿真与优化有机结合，得到使安全阀动态特性稳定的优化参数组合。关键词：溢流阀；动态特性；数字仿真；参数优化中图分类号：TD355．3文献标识码：A文章编号：1005—2798(2010)02—0010．03ReliefValveDynamicalCharacteristicsDigitalSimulationandOptimizationResearchANLin—Chao，CHENGXue-Li，LIANZi-Sheng(1．tlenanMechanicalandElectricalEngineeringCollege，Xinxiang453002，China；2．TaiyuanUniversityofTechnology，Taiyuan030024，China)Abstract：Adynamicmathematicsmodelofcolumngreliefvalveisdevelopedbymeansofpowerbondgraph，necessaryconstraintcon．ditionisconfined，ontheSIMULINKenvironment，realizethedynamicalcharacteristics"sdigitalsimulation．Theparametersaffectedthereliefvalveisconfirmed．thesimulationandoptimizationarecombinedbymeansofsimulationenvironmentandtheoptimization，parameterscombinationofreliefvalveisfound．Keywords：reliefvalve；dynamicalcharacteristics；distalsimulation；parameteroptimization安全阀是液压支架立柱回路控制和过载保护的ulink对其溢流卸载状态进行动态特性仿真，为优化关键元件。其工作状态表现为瞬变过程，具有动作安全阀结构、减小压力冲击提供理论参考。时问短、压力高、流量大、动态特性强等特点。对它1数学模型的建立的要求主要是：要有良好的静态特性，当顶板沉降速度很小时，能保证支架的恒阻性能；要有良好的动态在建立液压系统的动态数学模型时，功率键合特性(稳定性、压力超调量、开启时间、稳压时问)，图是一种有效的工具，它是在功率流概念的基础上，当顶板突然快速下沉时，能够对支架进行可靠的过用一种有限符号构成的双信号流图。可以清晰地表载保护⋯。达系统动态过程中各组成部分的相互关系，描述功当顶板岩层以较快的冲击速度急剧下沉时，立率的构成、功率流程、能量分配和转换及各作用因素柱活塞腔的压力迅速上升，并作用于安全阀的阀芯，的影响。利用功率键合图技术建立的液压动态分析使之开启卸荷。由于压力高、冲击速度快，阀口的泄模型与实际情况接近，仿真分析结果和实验室下测流量很大，极易使阀芯产生非线性振荡，从而导致在得结果相近。立柱系统安全阀工作原理结构，见图立柱控制回路中产生液压冲击。因此必须采取有效1。的措施来提高阀芯的稳定性，改善安全阀的动态特图1立柱系统安全阀进行分析，根据功率键合性。本文运用功率键合图和状态空间相结合的方图的绘制规则，画出系统的功率键合图如图2所示。法，建立了立柱系统安全阀的数学模型，借助于sire—选取键合图中容性元和惯性元上自变量对时间的积收稿日期：2009．11-19基金项目：国家自然科学基金资助项目(50775155)作者简介：安林超(1982一)，男，河南焦作人，硕士，现为河南机电高等专科学校教师，研究方向为矿山机械液压系统的动态特性仿真。10 安林超等：安全阀动态特性数字仿真与优化研究弟19卷弟2期分为状态变量，应用功率键合图的有关规则及其变在额定流量下阀口的开启量：量间的关系，推导出系统的数学模型一状态方程。2=(s，一P调／R泄)／Cd~rd,,／2V2／pC~弹簧的预紧力：S=P调A一(1+2)／C弹约束条件是指对系统的动态数学模型的某种约束，也就是对由数值计算所得出的系统状态变量过程值的限制。设置约束条件的目的是要对系统的动态的状态方程在描述系统动态结构及特征方面的不完备性进行补正。具体到本模型有：若阀芯位移11<1，则令11=l；若阀芯位移1l>，则令1l=。；若阀芯位移=，且速度<0，则令=0；若阀芯位移=，且速度V>0，则令=0。一X1一l‘F，)通过设置上述诸约束条件，可以间接描述运动部件处在两端极限位置时所受的支反力效应。3安全阀动态特性仿真将状态方程模型转化为simulink模型用计算机进行仿真。在simulink环境下，可以通过直接对每个状态方程建立仿真模块、创建子系统，然后根据状．Pl：一1+As(1)=态方程中变量间的传递关系将各个子系统连接起来构成一个大系统，这样就得到了系统的仿真模型，见图3。i，2=一1。Pl2一(去+去)+(Xll~X1)i，2=一-Plz一1+去)一c。仃‘d)·崖)(4)图3安全阀simulink仿真模型在simulink仿真模型的基础上，设定仿真参数，包括方针起始和终止时间，积分步长，允许误差以及参数测值返回的变量等，微分方程采用ode23s算法。对于要阀芯面积A／m阀芯质量m／kg研究的安全阀，考虑到压力的阶跃响应，运行仿真程阀芯弹簧刚度c／(m·kgI1)序，得到图4为安全阀在老顶来压时的压力阶跃响调定压力P／(kg·m)应曲线，图5为安全阀阀芯位移阶跃响应曲线，图6乳化液液密度(kg·in)阀芯阀套搭含量Xl／m为阀芯速度的阶跃响应曲线。阻尼孔液阻l／(kg·s·m。)4安全阀动态特性优化研究泄露液阻／(kg·s‘m)供液流量s／(m·s)影响安全阀动态特性的因素是很多的，在仿真管道液容C管／(m·kg)的基础上，针对某一参数在一定范围内通过改变其11 2010年2月安林超等：安全阀动态特性数字仿真与优化研究第19卷第2期值的大小，进行仿真得到响应曲线，通过比较可以看Q=』tlp(t)一pf出如∞∞∞m0出具体的参数对安全阀压力阶跃响应的影响大小，MATLAB的优化工具箱提供了一系列优化函把那些对所期望的动态特性有较大影响的参数作为数，在simulik模块中加人调用MATLAB的优化的语优化的对象。利用这种方法得出安全阀阀芯质量、句来实现对某些参数的优化。仿真模块与优化指标弹簧刚度对安全阀动态特性有较大的影响，在优化函数结合的simulink模型，见图7。时将这两个参数作为优化的对象，在各参数可行域内寻求能够产生系统最佳动态响应的参数值组合。磊Step器邑图7simulink下安全阀优化模型设定仿真参数，对similink模型进行仿真得到优化过程中产生的ItAE值，然后利用有约束化命令Time／sfmincon．()进行寻优，此过程是一个仿真和优化反复图4安全阀出口压力的阶跃响应交替的过程。图8为优化前后压力的阶跃响应曲8O7O线，对比可知适当增加弹簧刚度、阀芯质量可以提高60∞∞如加m0尝5o响应速度、减小超调量。宕403O2O10O6Time／s图5安全阀阀芯位移的阶跃响应30，20量l0Time／s言0图8优化后阀口压力曲线一10—205结论lime／s图6安全阀阀芯速度的阶跃响应利用功率键合图理论建立安全阀动态的数学模型，在simulink环境下建立仿真模型、设置仿真参数支架立柱用安全阀的工作特性是来压快，要求进行动态特性仿真，得到动态特性的仿真曲线。通其迅速、稳定施放高压能量。因此，超调量和过渡过程时问成为安全阀动态设计的一个重要的追求目过仿真确定了对安全阀动态特性影响较大的参数，标。而综合控制性能指标(ItAE准则)兼顾了相对选择ItAE准则为优化指标函数，在simulink环境下稳定性和快速性，所以根据支架立柱安全阀的动态得到使安全阀较为稳定、快速的动态特性的参数组特性的具体要求选取ItAE准则作为目标函数比较合，为安全阀的优化设计提供理论基础。合适。ItAE准则是时间乘以误差的绝对积分，可以[责任编辑：张雪松]表示为：l2