一種新型插裝式水壓電磁換向閥的仿真研究

蘇龍龍，劉忠，聶松林，陳明輝

(1.中國(guó)石油大學(xué)，北京102249;2.北京工業(yè)大學(xué)，北京100124)

水液壓技術(shù)以淡水、海水為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳遞，不含任何添加劑，具有來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、清潔安全的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，是國(guó)際上流體傳動(dòng)控制領(lǐng)域最新的發(fā)展方向之一［1］。其中三位四通電磁換向閥作為水液壓系統(tǒng)中的控制調(diào)節(jié)單元，亦成了研究重點(diǎn)。

與礦物油相比，水具有腐蝕性強(qiáng)、黏度低、氣化壓力高等特點(diǎn)，因此研制插裝式三位四通電磁換向閥時(shí)要克服氣蝕、腐蝕、磨損和泄漏等關(guān)鍵技術(shù)問題［2］。基于蓋板式二通插裝閥，并借鑒其在油壓系統(tǒng)中的應(yīng)用理論，提出了一種新型插裝式三位四通電磁換向閥的方案。

1 插裝式三位四通電磁換向閥的工作原理

圖1 為所設(shè)計(jì)的插裝式三位四通電磁換向閥的原理［3］。在結(jié)構(gòu)形式上采用了蓋板式二通插裝閥結(jié)構(gòu)，由4 個(gè)插裝單元組成了三位四通換向閥的主液路，其中與入口P 連接的兩個(gè)插裝單元的閥芯上安裝有阻尼孔。由2 個(gè)常閉型兩位兩通水壓電磁換向閥組成先導(dǎo)控制液路。

(1)當(dāng)電磁鐵YA1、YA2 均斷電時(shí)，常閉型兩位兩通電磁先導(dǎo)閥V1、V2 處于初始關(guān)閉位置，來(lái)自入口P 的液體經(jīng)過插裝單元V4、V5 主閥芯上的阻尼孔，分別為4 個(gè)插裝單元的主閥芯的上腔(控制腔)提供控制液。根據(jù)主閥芯的軸向受力分析，此時(shí)4 個(gè)插裝單元均處于可靠關(guān)閉狀態(tài)，即中位O型機(jī)能。

(2)當(dāng)電磁鐵YA2 通電，YA1 斷電時(shí)，常閉型兩位兩通電磁先導(dǎo)閥V1 處于關(guān)閉位置，來(lái)自主液路P 的液流經(jīng)過插裝單元V5 主閥芯上的阻尼孔，為插裝單元V3 和V5 的閥芯上腔提供先導(dǎo)液，此時(shí)V3 和V5 處于可靠關(guān)閉狀態(tài);常閉型兩位兩通電磁先導(dǎo)閥V2 打開，插裝單元V4 和V6 的閥芯上腔的控制液經(jīng)電磁先導(dǎo)閥V2 流回油箱，插裝單元V4 和V6 在入口P 和工作腔B 壓力的作用下，克服彈簧力和液動(dòng)力打開主閥，從而P 與A 相通，B 與T 相通。

(3)當(dāng)電磁鐵YA1 通電，YA2 斷電時(shí)，常閉型兩位兩通電磁先導(dǎo)閥V2 處于關(guān)閉位置，來(lái)自主液路P 的液流經(jīng)過插裝單元V4 主閥芯上的阻尼孔，為插裝單元V4 和V6 的閥芯上腔提供先導(dǎo)液，此時(shí)V4 和V6 處于可靠關(guān)閉狀態(tài);常閉型兩位兩通電磁先導(dǎo)閥V1 打開，插裝單元V3 和V5 的閥芯上腔的控制液經(jīng)電磁先導(dǎo)閥V1 流回油箱，插裝單元V3 和V5 在入口P 和工作腔B 壓力的作用下，克服彈簧力和液動(dòng)力打開主閥，從而P 與B 相通，A 與T 相通。

圖1 插裝式水壓三位四通電磁換向閥的原理圖

2 換向閥仿真模型的建立

2.1 數(shù)學(xué)模型

在建立數(shù)學(xué)模型時(shí)，只考慮閥體自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)，而忽略測(cè)試系統(tǒng)中的管路與其他零件對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，則換向閥的動(dòng)態(tài)特性如下［4－5］:

(1)閥口流量方程

式中:QL為閥口的流量;α1為閥口流量系數(shù);D 為閥座孔直徑;X 為閥起升高度;φ 為閥芯半錐角;ρ 為工作介質(zhì)密度;pA、pB分別為閥進(jìn)口和出口的壓力。

(2)閥芯受力平衡方程式中:pX為控制腔壓力;m 為閥芯質(zhì)量加上1/3 彈簧質(zhì)量;DX為閥阻尼系數(shù);Ft1為閥芯受到的瞬態(tài)液動(dòng)力;Fyx為閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;KX為彈簧剛度;X0為彈簧預(yù)壓縮量;Fk為液壓卡緊阻力。

(3)阻尼孔節(jié)流方程

式中:Q1為通過阻尼孔的流量;ν 為水的運(yùn)動(dòng)黏度;p1為阻尼孔的前腔壓力;p2為阻尼孔的后腔壓力;a0為阻尼孔的面積;d0為阻尼孔的直徑;l0為阻尼孔的長(zhǎng)度。

干預(yù)實(shí)施1學(xué)年后，兒童吃水果的頻率明顯增加。選擇“每天都吃水果”的比例從干預(yù)前的18.6%提高到50.0%，而選擇“基本不吃”的比例從干預(yù)前的5.7%下降至0。差異具有顯著性(P=0.003)。

(4)通過先導(dǎo)閥的流量方程

式中:α2為先導(dǎo)閥通道的流量系數(shù);A2為先導(dǎo)閥的通流面積。

(5)先導(dǎo)閥前腔的流量連續(xù)方程(忽略閥芯圓柱段的泄漏量)

式中:Q2為通過先導(dǎo)的流量;為閥芯位移性流量;為閥芯壓縮性流量;E 為工作介質(zhì)體積彈性模量;VX為閥芯控制腔容積。

(6)先導(dǎo)閥芯的受力平衡方程

式中:F1為先導(dǎo)閥的彈簧復(fù)位力;F2為先導(dǎo)閥的所受的電磁力。

2.2 換向閥AMESim 仿真模型

根據(jù)所設(shè)計(jì)的三位四通插裝式電磁換向閥的結(jié)構(gòu)原理圖，調(diào)用AMESim 中的HCD 庫(kù)中的錐閥液壓元件作為模型基礎(chǔ)，構(gòu)建插裝式換向閥的AMESim 仿真模型如圖2所示，建模過程中忽略了部分管道沿程壓力損失對(duì)仿真結(jié)果的影響，同時(shí)建模時(shí)忽略了閥芯和閥套之間的摩擦力［6－8］，AMESIM 模型中最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖2 插裝式水壓三位四通電磁換向閥的AMESim 模型

表1 AMESim 仿真模型中的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)

3 仿真結(jié)果與分析

在空載的情況下進(jìn)行仿真試驗(yàn)，溢流閥壓力調(diào)定為14 MPa，電磁鐵YA2 在0.2 s 時(shí)通電，在0.4 s 時(shí)斷電，電磁鐵YA1 在0.6 s 時(shí)通電，在0.8 s 時(shí)斷電，總仿真時(shí)間取1.0 s，仿真結(jié)果取插裝單元V4 的仿真數(shù)據(jù)，通過給定不同的模型參數(shù)值，對(duì)比各組仿真數(shù)據(jù)，其分析如下:

3.1 插件不同的面積比的影響

由圖3 位移圖得出:當(dāng)閥芯面積比為1∶1.2 時(shí)，閥芯未開啟，閥芯進(jìn)口處的壓力保持14 MPa 不變;當(dāng)閥芯面積比為1∶1.5 時(shí)，閥芯開啟，閥芯達(dá)到最大位移的時(shí)間即開啟時(shí)間為20 ms，閥芯的關(guān)閉時(shí)間為100 ms;隨著面積比的減小，即閥芯上腔(控制腔)的容積增加，當(dāng)閥芯面積比為1∶2 時(shí)，閥芯的開啟時(shí)間無(wú)顯著變化，關(guān)閉時(shí)間為130 ms，關(guān)閉時(shí)間明顯增加。由閥芯位移圖還可看出，不同面積比下，閥芯均經(jīng)過10 ms 開始關(guān)閉。

圖3 插件不同的面積比的閥進(jìn)口壓力圖和閥芯位移圖

此外，由圖3 的閥進(jìn)口壓力圖得出，當(dāng)面積比為1∶1.5 和1∶2 時(shí)，與電磁鐵信號(hào)時(shí)間相比，閥芯進(jìn)口處的壓力變化有一定的延遲時(shí)間;隨著面積比的減小，壓力變化的延遲時(shí)間增加，同時(shí)閥芯進(jìn)口處的穩(wěn)態(tài)壓力值顯著增大。

3.2 閥芯阻尼孔和先導(dǎo)閥孔的影響

圖4 中閥芯的阻尼孔直么d0取1.1 mm，先導(dǎo)閥孔直徑d1分別取為1.1、1.2、1.4、1.8、2(mm)。由圖4 閥芯位移圖得出，當(dāng)閥芯阻尼孔直徑為1.1 mm，先導(dǎo)閥直徑孔為1.1 mm 和1.2 mm 時(shí)，閥芯未打開，閥進(jìn)口處的壓力保持14 MPa 不變;當(dāng)先導(dǎo)孔直徑1.4 mm，1.8 mm，2 mm 時(shí)，閥芯的開啟時(shí)間均為20 ms，沒有變化。當(dāng)先導(dǎo)孔直徑為1.4 mm 時(shí)，經(jīng)過10 ms 閥芯開始關(guān)閉，閥芯的關(guān)閉時(shí)間為150 ms;當(dāng)先導(dǎo)孔直徑為1.8 mm 和2 mm 時(shí)，經(jīng)過20 ms閥芯開始關(guān)閉，閥芯的關(guān)閉時(shí)間為160 ms，即隨著先導(dǎo)閥孔直徑的增加，關(guān)閉時(shí)間隨之增加。

圖4 當(dāng)d0 =1.1 mm 時(shí)，不同先導(dǎo)閥孔的閥進(jìn)口壓力圖和閥芯位移圖

此外，由圖4 的壓力圖還可得出，當(dāng)先導(dǎo)閥孔直徑為1.4 mm 時(shí)，開啟時(shí)經(jīng)20 ms 閥進(jìn)口處的壓力開始變化，關(guān)閉時(shí)閥口壓力立即增加，經(jīng)10 ms 穩(wěn)定到14 MPa;當(dāng)先導(dǎo)孔直徑為1.8 mm 和2 mm 時(shí)，開啟時(shí)經(jīng)10 ms 進(jìn)口的壓力開始變化，關(guān)閉時(shí)閥口壓力立即增加，經(jīng)20 ms 穩(wěn)定到14 MPa，即開啟時(shí)閥進(jìn)口處壓力經(jīng)過一定的延遲時(shí)間開始變化，隨著先導(dǎo)閥孔直徑的增大，延遲時(shí)間減小，關(guān)閉時(shí)閥口壓力回復(fù)到額定壓力14 MPa 的時(shí)間增加;同時(shí)隨著先導(dǎo)閥孔的增大，閥口處的穩(wěn)態(tài)壓力值顯著減小，則閥口進(jìn)出口的壓差增大，從而穩(wěn)態(tài)流量增大。

圖5 中的閥芯阻尼孔直徑d0取1.4 mm，先導(dǎo)閥孔直徑分別取1.1、1.2、1.4、1.8、2 mm。由圖5得出，當(dāng)閥芯阻尼孔直徑為1.4 mm，先導(dǎo)閥孔直徑為1.1、1.2、1.4 mm 時(shí)，閥芯未打開，閥進(jìn)口處的壓力保持14 MPa 不變。先導(dǎo)閥孔直徑為1.8、2 mm，閥芯開啟時(shí)間均為20 ms，閥芯均經(jīng)過10 ms 開始關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間均為100 ms;開啟時(shí)閥進(jìn)口處的壓力均經(jīng)10 ms 開始變化，關(guān)閉時(shí)閥口處的壓力立即變化，均經(jīng)10 ms 壓力回復(fù)到額定壓力14 MPa。同時(shí)由圖還可得出隨著先導(dǎo)閥孔的增大，閥口處的穩(wěn)態(tài)壓力值減小，閥口穩(wěn)態(tài)流量增大。

圖5 當(dāng)d0 =1.4 mm 時(shí)，不同先導(dǎo)閥孔的閥進(jìn)口壓力圖和閥芯位移圖

圖6 是先導(dǎo)閥孔徑為1.8 mm，閥芯阻尼孔為1、1.2、1.4、1.6 mm 時(shí)的閥芯位移圖和閥口處的壓力變化圖。由圖可以得出:當(dāng)先導(dǎo)閥孔直徑為定值1.8 mm 時(shí)，隨著閥芯阻尼孔直徑的增大，閥芯的開啟時(shí)間沒有顯著的變化，但是關(guān)閉時(shí)間在逐漸減小，但是當(dāng)閥芯阻尼孔增大到1.6 mm 時(shí)，閥芯未曾打開;同時(shí)閥芯進(jìn)口處的穩(wěn)態(tài)壓降值隨著閥芯阻尼孔的增大而逐漸減小，當(dāng)閥芯阻尼孔增大到1.6 mm 時(shí)，閥芯未打開，閥口處壓力不變。

圖6 不同閥芯阻尼孔的閥進(jìn)口壓力圖和閥芯位移圖

3.3 閥芯質(zhì)量的影響

由圖7 得出，不同的閥芯質(zhì)量，閥芯開啟關(guān)閉時(shí)間均無(wú)明顯變化，開啟時(shí)間均為20 ms，關(guān)閉時(shí)均經(jīng)10 ms 開始關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間均為100 ms。

圖7 不同閥芯質(zhì)量的閥芯位移圖

3.4 彈簧剛度的影響

由圖8 得出，不同的彈簧剛度，開啟時(shí)間均為20 ms，關(guān)閉時(shí)均經(jīng)10 ms 開始關(guān)閉，關(guān)閉時(shí)間均為100 ms。隨著彈簧剛度的增大，開啟時(shí)間無(wú)變化，關(guān)閉初始速度稍微變快，閥芯即將完全關(guān)閉時(shí)速度明顯減緩，但是總關(guān)閉時(shí)間無(wú)明顯變化。

圖8 不同彈簧剛度的閥芯位移圖

3.5 仿真動(dòng)態(tài)特性曲線

仿真結(jié)果表明，在最優(yōu)參數(shù)下仿真過程中調(diào)定不同的溢流閥壓力得到如圖9所示的新型水壓插裝式三位四通電磁換向閥的壓力流量曲線和閥口壓差流量曲線圖，從圖9 中可看出插裝閥的開啟壓力為0.3 MPa，壓力增大到4.1 MPa 時(shí)，流量達(dá)到160 L/min，隨著壓力的增大，流量穩(wěn)定在164 L/min。

圖9 插裝式換向閥的動(dòng)態(tài)特性曲線圖

由圖10 得出，表1 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的仿真動(dòng)態(tài)特性較好，插裝式換向閥的開啟和關(guān)閉都迅速可靠，開啟時(shí)間僅為20 ms，關(guān)閉時(shí)間為100 ms，換向迅速、穩(wěn)定、可靠。

圖10 最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下的開啟時(shí)間和關(guān)閉時(shí)間

4 結(jié)論

(1)AMEsim 仿真結(jié)果表明，不同的閥芯面積比、閥芯阻尼孔直徑和先導(dǎo)閥孔直徑對(duì)插裝式換向閥的開啟和關(guān)閉動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性有較為顯著的影響;彈簧剛度和閥芯質(zhì)量對(duì)插裝式換向閥的開啟和關(guān)閉動(dòng)態(tài)特性均無(wú)明顯影響。

(2)仿真結(jié)果表明選擇合適的面積比、閥芯阻尼孔直徑和先導(dǎo)閥孔直徑才能得到較好的插裝式換向閥的動(dòng)態(tài)特性。基于AMEsim 仿真得到了在水介質(zhì)條件下的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)以及最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)下插裝式電磁換向閥的動(dòng)態(tài)特性曲線，其中開啟壓力0.3 MPa，開啟時(shí)間為20 ms，關(guān)閉時(shí)間為100 ms 穩(wěn)態(tài)流量為164 L/min，。結(jié)果表明最優(yōu)參數(shù)下插裝式換向閥換向迅速、穩(wěn)定、可靠。

(3)基于AMEsim 仿真，仿真得到了水介質(zhì)條件下的16 mm 通徑的二通插裝閥的閥口壓差－流量曲線以及壓力－流量曲線，對(duì)其他水壓元件的設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。

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