基于AMESim與ADAMS聯合仿真的高壓大流量安全閥彈簧設計

李家寧，趙繼云，暢軍亮

（中國礦業大學 機電工程學院，徐州 221116）

0 引言

我國煤炭資源儲量豐富，隨著開采需求的增加，高壓大流量安全閥開始應用在液壓支架中，作為液壓支架中最精密關鍵的基礎部件，直接影響人身安全和整個液壓支架的可靠性。遇到高壓大流量沖擊工況時，安全閥閥芯隨彈簧振動，呈現出復雜的振蕩狀態，而在常規設計計算過程中，單純的依靠力學平衡方程來選擇彈簧，很難準確地模擬分析彈簧在該沖擊工況下的振動情況，文中將以計算得到的彈簧剛度值為初始值，進而利用AMESim與ADAMS兩款軟件聯合仿真，通過不斷改變彈簧剛度值，對得到的結果進行分析對比，從而得出理想值。打破了以往只利用AMESim進行安全閥仿真的局面，實現了安全閥仿真的方法創新，為后續的安全閥設計提供了一定的參考。

1 安全閥動力學建模及接口文件創建

1.1 構建ADAMS仿真模型

在安全閥工作過程中，閥體、閥套主要起到連接作用，不參與閥的內部流體工作，所以文中將參與工作的閥芯、彈簧座及彈簧進行建模仿真，構建的仿真模型如圖1所示。

仿真工作開始前需要定義好各個部件的材料屬性。為減小仿真與實際情況的偏差，調壓堵4與ground固定連接，閥芯1、彈簧座2需要分別與調壓堵4建立滑動副約束，此外，由于實際過程中，閥芯與彈簧座有碰撞，且開啟時不分離，因此在模型中閥芯1與彈簧座2還需建立接觸力約束以及固定約束[1]。

圖1 安全閥ADAMS模型

1.2 創建聯合仿真接口文件

AMESim與ADAMS進行聯合仿真時需要進行數據的交換，需要定義一些狀態變量作為兩個軟件間的交換變量。本文中，需要在ADAMS定義兩個輸出變量sudu、weiyi作為輸出到AMESim的安全閥閥芯的速度與位移，一個輸入變量faxinli作為ADAMS中閥芯受到的液壓力。

輸入輸出變量定義完成后，通過Control模塊完成接口文件的創建。

2 聯合仿真模型

本文在以往仿真的基礎上進行了一定的創新，運用ADAMS和AMESim進行聯合仿真，將安全閥分為兩部分[2,3]。一部分是位于ADAMS中的主要構件，如閥芯、彈簧座及彈簧等，另一部分是位于AMESim中的安全閥內部細化結構，包括安全閥閥芯的卸油口、乳化液泵站以及回油線路[4]。聯合仿真模型如圖2所示。

3 仿真結果與分析

仿真環境具體設置如下：壓力400bar，彈簧預壓力為2010N。AMESim的閥芯模型中，累計共設有兩排卸油孔，每排孔數量為8個[5,6]，卸油孔形狀為跑道形，圓弧半徑為3mm，矩形尺寸為3mm×3mm。聯合仿真主要過程在于通過修正安全閥的彈性元件，來獲取最佳的響應時間和最小的振蕩幅度。

初選的彈簧剛度由計算而來，為350kN/m，為方便選取，同時防止彈簧剛度有效值溢出，以[300,400]為彈簧剛度參數區間，以10kN/m遞增，進行類比仿真分析。通過多次類比仿真，得到彈簧剛度k取值為390kN/m及400kN/m時效果較好，閥芯速度仿真如圖3所示。

圖2 安全閥聯合仿真模型

圖3 閥芯速度仿真結果

由圖3可以看出，兩者在閥芯位移大小、速度大小等整體趨勢上沒有大的區別，閥芯趨于穩定時間在0.05s～0.06s之間，為進一步確定合適的彈簧剛度，故將仿真時間調整為0.06s，細化仿真圖形曲線，進一步對圖形結果進行比較。如圖4、圖5所示。

4 結束語

1）在k=390kN/m與k=400kN/m安全閥的響應時間基本相同，由兩者的穩定時間可知，前者在t=0.050s時閥芯位移已經穩定沒有波動，后者在t=0.050s過后仍有波動。

圖4 細化位移結果

圖5 細化速度結果

2）由速度圖可知，k=390kN/m時，閥芯開啟后期，速度振蕩較小，且在t=0.060s時閥芯已經較為穩定，反之，k=400kN/m時，閥芯的速度振蕩要比前者大，且在t=0.060s時速度仍有小幅度波動。

3）彈簧剛度k取390kN/m合適。

本文利用聯合仿真，通過建立高壓大流量安全閥的質量彈簧系統并模擬其運動，在多次優化的基礎上，確定了安全閥彈簧剛度，該剛度下的質量彈簧系統具有響應快、振蕩幅度小、穩定時間短的優點。且本文首次將AMESim與ADAMS兩者的聯合仿真應用于安全閥的仿真設計中，為安全閥的優化設計提供了新的思路。

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