基于比例减压阀控制的液压架空乘人装置特性研究

　　架空乘人装置主要用于运送矿井工作人员，在煤矿生产中占有极其重要的地位. 液压驱动式架空乘人装置具有安全可靠、性能稳定且可以解决防爆环境下^[1].

　　闭式回路调速有变频液压调速、二次调节、电比例溢流阀调速等方法^{[2 -4]}. 本文提出采用比例减压阀作为液压架空乘人装置液压系统调速单元，可以显著减少比例控制所需油量、减少发热、提高效率.现代架空乘人装置要求运量大、运距长、运行倾角大、运行速度较高，载荷变化大，在运行过程中会引起闭式回路高、低压端压力的变化，基于比例减压阀调速架空乘人装置液压系统动态分析，是架空乘人装置液压系统设计的基础.

　　1 闭式调速系统工作原理

　　液压驱动式架空乘人装置闭式调速系统是一个典型的泵控比例调速系统，如图1 所示. 其工作原理如下: 比例减压阀11 输出压力，经电磁换向阀12，作用在先导变量活塞1 的一端，压缩弹簧，使先导活塞的位移x_c与减压阀出口压力p 成正比例.先导活塞与伺服阀阀芯相连，伺服阀阀芯位移是xc，伺服阀与双向变量泵的变量机构为机械反馈系统，伺服阀芯的位移x_c与泵的排量V_p成线性关系. 调节比例减压阀出口压力p 也就是调节液压马达转速w_m. 通过电磁换向阀12 改变液压马达牵引方向.

　　2 闭式调速系统模型

　　2. 1 比例减压阀、先导变量活塞回路数学模型

　　基于以下假设建立比例减压阀及先导变量活塞回路动态方程: 忽略比例电磁铁的响应过程; 非线性摩擦均用粘性摩擦近似表示; 忽略液压管道液阻、液感影响; 忽略瞬态液动力; 忽略回油背压.

　　图2 所示为比例减压阀结构简图，P₁口为入口，B 口为出口，C 口为泄油口。根据比例减压阀结构特点建立数学方程如下^{[5 -8]}:

　　式中: F 为电磁铁输出力( N) ; K_i为电磁铁的力 —电流增益( N/A) ; i 为电磁铁电流( A) .

　　比例减压阀阀芯力平衡方程:

　　约束方程:

　　式中: P 为比例减压阀控制压力 ( Pa) ; S 为比例减压阀出口测压面作用面积( m²) ; m 为阀芯质量( kg) ; x 为阀芯位移( m) ; B 为阀芯粘性阻尼系数( N·s/m) ; K 为阀芯等效弹簧刚度( N/m) .

　　比例减压阀压力流量方程:

　　约束方程:

　　式中: Q₁为比例减压阀输入流量( m³/ s) ; C_d为阀口流量系数，取值0.68; d 比例减压阀阀芯直径( m) ，取值8 ×10^-3; x₁为比例减压阀阀口开度( m) ; Δp为比例减压阀阀口前后压差( Pa) ; pb为比例减压阀入口压力( Pa) ; ρ 液压油密度( kg/m³) ，取值 0. 85×10³.