振動環境下直動式溢流閥的建模與特性

殷晨波,房劍飛,葉民鎮,周俊靜,賈文華

(1.南京工業大學車輛與工程機械研究所,南京211816; 2.南京工程學院機械工程學院,南京211167)

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振動環境下直動式溢流閥的建模與特性

殷晨波1,房劍飛1,葉民鎮1,周俊靜1,賈文華2

(1.南京工業大學車輛與工程機械研究所,南京211816; 2.南京工程學院機械工程學院,南京211167)

工程機械工作環境惡劣、工況復雜特殊,作業過程中的強振動、強沖擊等因素一定程度上對其液壓系統及液壓元件的安全穩定工作產生影響.選取工程中常被用作安全閥、保壓閥的直動式溢流閥為研究對象,建立了閥在振動環境下的數學模型及Simulink仿真模型,分析了閥主要相關結構參數及振動因素對溢流閥特性的影響,為溢流閥的設計優化及其在工程機械上的應用提供了重要的理論依據和參考價值.

振動; 直動式溢流閥; 工程機械; 動態特性

工程機械是用于工程建設的施工機械的總稱.工程機械作業環境惡劣多變,作業功能特殊[1],因此作為液壓系統核心元件之一、控制液壓系統或機構工作壓力的溢流閥,必須要能夠承受住機械工作時的振動、沖擊等極限環境的考驗[2].在外界負載變化及整機振動的情況下,閥體的振動以及閥芯與閥體的相對振動都容易引起閥芯的自動啟閉,影響液壓閥的動態特性,嚴重的甚至會產生閥口的泄漏,造成閥功能失效[3].目前國內外學者在溢流閥動態特性方面的研究主要集中在閥結構尺寸主要參數對閥特性的影響以及閥自身振動的產生機理上[4-8].振動環境下液壓閥的動態特性研究[9]和工程應用涉及到了國防建設等重要領域,因此如何建立合理的貼近工程應用的振動環境下閥的數學及仿真模型,得到閥的相關性能參數[10]以及研究閥體振動及閥內部結構對其動態性能的影響,至關重要.

1 溢流閥的工作原理

如圖1為一種滑閥式直動型溢流閥的工作原理圖.液壓泵供給液壓油Qb,一部分油Qf流向負載,一部分油Q流向溢流閥進油口.溢流閥中液壓油直接作用在閥芯的左端,與作用在閥芯右端的彈簧相平衡[11].當進油口的液壓油壓力足夠大時,彈簧被壓縮,閥芯右移,閥口打開,溢流閥溢流,油液排回油箱.阻尼孔減弱了敏感腔壓力隨供油壓力波動的趨勢,提高了閥工作的平穩性.調壓螺栓用于調節溢流閥的工作壓力.

圖1 直動式溢流閥結構原理圖Fig.1 Schematicdiagramof direct operated relief valve

2 振動環境下的溢流閥模型

2.1 數學模型

假設閥芯的自重不計,忽略摩擦力、瞬態液動力及系統其他零件對溢流閥的影響,溢流閥在振動環境下工作,設閥體隨整機作簡諧運動,y為振動環境下閥體的位移,大小為y=asin(wt),方向與閥芯的絕對位移x的正方向相同,向右為正.閥芯相對于閥體的相對位移,即閥節流口開口量為(x-y).

2.1.1 閥芯的運動微分方程

(1)

式中:Pc為敏感腔壓力;A為閥芯左端面面積;a為振幅；m為閥芯質量;w為閥體振動的頻率;k為彈簧剛度;Fβ為穩態液動力,Fβ=ks(x-y)P,ks為閥口穩態液動力系數;ks=2CdCvWcosα≈0.43W,Cd為流量系數,Cv為速度系數,W為閥口周長;P為受控腔壓力;B為黏性阻尼系數.

2.1.2 溢流閥的流量連續性方程

(2)

式中:Q為溢流閥的流量;Qa為流經受控腔的流量;Qc為流經敏感腔的流量;Cl為泄漏系數;V為受控腔容積;E為油液體積的彈性模量.

2.1.3 敏感腔的連續性方程

(3)

式中:VC為敏感腔容積.

2.1.4 閥口的流量方程

(4)

式中:ρ為油液密度；P0為出油口壓力.

2.1.5 阻尼孔R1的流量方程

(5)

式中:Kc為阻尼孔R1液導,Kc=πδ4/(128μl)，δ為阻尼孔直徑;μ為油液動力黏度;l為阻尼孔長度.

2.2 Simulink模型

根據數學模型方程(1)～(5)以及表格1中的參數值,建立了子系統封裝模塊,構成了溢流閥在振動環境下的仿真模型.輸入信號為進入溢流閥的流量Q,輸出信號為控制腔壓力P.

圖2 動態特性系統模型圖Fig.2 Model of dynamic characteristics of system表1 模型閥結構參數及相關物理常數Tab.1 Structure parameters and related physical constants of the valve

結構參數數值閥口平均直徑d/mm8阻尼孔直徑δ/mm700阻尼孔長度l/mm5彈簧剛度k/(N·m-1)1.3×105閥口周長W/m0.0251受控腔容積V/m33.2×10-3動力粘度μ/Pa·s0.062液壓油密度ρ/(kg·m-3)896閥芯質量m/kg0.062粘性阻尼系數B/(N·s·m-1)700彈簧預壓縮量x0/m0.005敏感腔體積VC/m35×10-6油彈性體積模量E/Pa2×10流量系數Cd0.62速度系數Cv0.98

3 仿真及其結果分析

系統的輸入為溢流閥流量階躍信號Q,根據實際工程應用,取Q為200 L·min-1.在溢流閥未溢流的狀態下,研究結構參數和振動等多因素對閥動態特性的影響.

3.1 主要結構參數對溢流閥特性的影響

液壓閥閥體振動信號y為0,即溢流閥在非振動環境下工作.選取液壓閥某一結構參數為研究對象,結合實際,給定其他主要結構參數值的情況下,逐一改變研究變量值,探究單一重要參數對其動態性能的影響.

圖3 不同彈簧剛度下的壓力響應特性曲線Fig.3 Dynamic characteristics of the pressure under different spring stiffnesses

圖3為不同彈簧剛度下的閥壓力響應特性曲線圖.彈簧剛度k分別取60,130,200 kN·m-1.隨著k的增大,溢流閥入口穩定調整時間略微增大,超調量略微減小,差別不明顯.但隨著k值的增大,閥入口穩定壓力增大明顯,與k=60 kN·m-1相比,入口穩定壓力分別提高了74.8%和141%.因此溢流閥的彈簧剛度對閥的動態特性影響小,剛度值應根據溢流閥的靜態特性確定.

圖4為不同閥芯質量下的閥壓力響應特性曲線圖.閥芯質量m分別取0.03,0.062,0.1 kg.隨著m的增大,溢流閥入口壓力階躍響應曲線基本重合.閥芯的入口壓力響應對閥芯質量的變化都不敏感,即溢流閥的閥芯質量對閥的動態特性影響小.

圖5為不同受控腔體積下的閥壓力響應特性曲線圖.受控腔體積V包括連接管道的體積,分別取1.8×10-3,3.2×10-3,5×10-3m3隨著V的增大,溢流閥入口穩定壓力基本不變,超調量和入口壓力波動減小,動態特性變好.適當地增大V有利于提高液壓閥的動態特性,但V過大時,溢流閥壓力反應速度減緩,上升時間和穩定調整時間都分別增大,即閥響應遲緩,開啟滯后量大,增加了管路的長度.因此受控腔體積對閥的動態特性影響較大,其值應結合實際情況綜合選取,并注意選取合理的管道和連接方式.

圖4 不同閥芯質量下的壓力響應特性曲線Fig.4 Dynamic characteristics of the pressure under different masses of spool

圖5 不同受控腔體積下的壓力響應特性曲線Fig.5 Dynamic characteristics of the pressure under different controlled chamber volumes

圖6 不同阻尼B下的壓力響應特性曲線Fig.6 Dynamic characteristics of the pressure under differentdamping B

圖6為不同阻尼下的閥壓力響應特性曲線圖.阻尼B分別取50,350,700 N·s·m-1.隨著B的增大,溢流閥入口穩定壓力基本不變,超調量增大,振蕩次數減小,入口穩態調整時間減小.阻尼減小可以很好地降低系統的超調量,但當阻尼過小時,液壓閥趨于不穩定,閥芯震蕩.如圖6,B=50時,液壓閥幾乎沒有超調量,但閥振蕩次數明顯增多,振蕩近乎為無阻尼振蕩,閥開啟后將不能在某一位置穩定,實際表現為嘯叫現象.因此阻尼B大小對輸出壓力的動態特性和閥的穩定性有很大影響,但對于穩態輸出壓力無影響.

3.2 振動因素對溢流閥特性的影響

為了研究振動因素對閥特性的影響,結合工程實際工況,初步選取正弦振動信號幅值a=0.008 m,頻率f=50 Hz.如圖7a所示為兩種環境下的溢流閥的壓力響應特性曲線.從圖7a中可以看出,溢流閥在振動環境下工作后,其動態特性變化不大.溢流閥壓力上升速度基本相同,超調量略微下降,幾乎可以忽略.圖7b為有振動時,在額定流量階躍信號作用下閥芯與閥體的絕對位移曲線圖.閥芯在t=0.0 067 s時開啟,溢流閥達到穩定狀態后,閥芯與閥體做同頻率的同步簡諧振動.

與無振動下工作相比,振動環境下,溢流閥仍能將入口穩定壓力保持在16.48 Mpa左右,保證溢流閥的正常工作壓力和功能的實現,但有振動時,溢流閥穩定壓力是保持一種周期波動狀態,長期這樣工作會對液壓閥的使用壽命造成一定影響.

圖7 振動環境下閥壓力、位移響應特性圖Fig.7 Dynamic characteristics of pressure,displacement of valve under vibration envirnoment

3.2.1 振動幅值a的影響

為了研究閥動態特性與振動幅值之間的關系,仿真時設定f=50 Hz,分別取a=0.004,0.008,0.010 m.由圖8,9可知,在f一定的情況下,隨著a的增大,入口壓力的響應速度及上升時間不變,壓力超調量減小,穩定壓力基本不變,確保了系統正常的工作壓力,但是上下周期波動的幅度逐漸增大.閥芯與閥體的相對位移在靜平衡位置附近上下波動,波動幅值隨振動的振幅的增大而增大,波動周期相等.

3.2.2 振動頻率f的影響

為了研究閥動態特性與振動頻率之間的關系,仿真時設定a=0.008 m.根據現場采集的工程機械工作過程的振動信號顯示,低頻時振動較為劇烈.因此設定基礎振動頻率為0～50 Hz.仿真時分別取f=10,30,50 Hz.由圖10,11可知,在a一定的情況下,隨著f的增大,入口壓力響應速率及上升時間不變,壓力超調量減小,穩定壓力基本不變,確保了系統正常的工作壓力.當f較小時,壓力基本無波動,閥壓力、位移與非振動環境下基本一致.隨著f的增大,上下周期波動的幅度逐漸增大.閥芯與閥體的相對位移在靜平衡位置附近上下波動,波動幅值隨振動的頻率的增大而增大,波動周期相等.

圖8 不同振幅下溢流閥的壓力響應特性曲線Fig.8 Dynamic characteristics of pressure of relief valve under different foundation amplitudes

圖9 不同振幅下閥芯與閥體的相對位移時間曲線Fig.9 Dynamic characteristics of relative displacement of spool and valve body under different foundation amplitudes

圖10 不同頻率下溢流閥壓力響應特性曲線Fig.10 Dynamic characteristics of pressure of relief valve under different foundationfrequencies

圖11 不同頻率下閥芯與閥體的相對位移時間曲線Fig.11 Dynamic characteristics of relative displacement of spool and valve body under different foundation frequencies

4 結論

通過Simulink軟件分別對溢流閥在無振動和振動環境下進行了建模與仿真研究,得出以下結論:

(1) 液壓閥的關鍵結構參數中,彈簧剛度決定了閥的入口穩定壓力,閥芯質量基本無影響,受控腔體積和阻尼為影響閥動態特性的主要因素.但過度地增大受控腔體積或減小阻尼值,會導致響應速度和穩定性較差.

(2) 隨著振動幅值的增大,穩定壓力值基本不變,確保了系統正常的工作壓力,但是上下周期波動的幅度逐漸增大.

(3) 振動低頻段,當頻率較小時,壓力基本無波動,閥壓力、位移與非振動環境下基本一致.當頻率較高時,入口壓力在穩定壓力值基礎上波動,且頻率越高,上下周期波動的幅度越大.

(4) 在不改變閥材料和結構的基礎上,可根據仿真結果恰當設計尺寸參數，提高閥動態特性,做到低頻振動環境下的壓力特性和非振動環境下的壓力特性基本一樣,來滿足工程及設計的要求.

[1] 孫新學,蘇曙,周玉平.工程機械液壓技術發展綜述[J].液壓與氣動,2001(3):3-7.

SUN Xinxue,SU Shu,ZHOU Yuping.Development summary of hydraulic technology for constructionmachinery[J].Chinese Hydraulics & Pneumatics,2001(3):3-7.

[2] 劉洪宇,張曉琪,閆耀寶.振動環境下雙級溢流閥的建模與分析 [J].北京理工大學學報,2015,35(1):13-18.

LIU Hongyu,ZHANG Xiaoqi,YIN Yaobao.Analysis of a two-stage relief valve under vibration environment[J].Transactions of Beijing Institute of Technology,2015,35(1):13-18.

[3] 王蔚坪,張懷亮,章國亮.基礎振動下直動式溢流閥的閥口泄漏分析[J].浙江大學學報,2015,49(6):1160-1165.

WANG Weiping,ZHANG Huailiang,ZHANG Guoliang.Analysis of valve port leakage on direct operated relief valve under foundation vibration[J].Journal of Zhejiang University,2015,49(6):1160-1165.

[4] 弓勇軍,王祖溫,徐杰,等.先導式純水溢流閥仿真與實驗研究[J].機械工程學報,2010,46(24):136-141.

GONG Yongjun,WANG Zuwen,XU Jie,et al.Simulation and experiments study on water hydraulic pressure relief valve with pilot stage[J].Journal of Mechanical Engineering,2010,46(24):136-141.

[5] 柴光遠,黃楠,顏麗娜.直動式純水溢流閥的動態特性分析[J].組合機床與自動化加工技術,2008(10):37-43.

CHAI Guangyuan,HUANG Nan,YAN Lina.Numerical simulation of water hydraulic relief valve[J].Modular Machine Tool & Automatic Manufacturing Technique,2008(10):37-43.[6] HOS C J,CHAMPNEYD A R,PAUL K,et al.Dynamic behavior of direct spring loaded pressure relief valves in gasservice:Model development,measurements and instabilitymechanisms[J].Journal of Loss Prevention in the Process Industries,2014(31):70-81.

[7] SONG Xueguan,CUI Lei,CAO Maosen,et al.A CFD analysis of the dynamics of a direct-operated safety reliefvalve mounted on a pressure vessel[J].Energy Conversion and Management,2014(81):407-419

[8] DASGUPTA K,WATTON J.Dynamic analysis of proportionalsolenoid controlled piloted relief valve by bondgraph[J].Simulation Modelling Practice and Theory,2005,13(1):21-38.

[9] 張懷亮,章國亮,齊征宇.基礎振動下直動式溢流閥的動態特性[J].中南大學學報:自然科學版,2014,45(12):4181-4186.

ZHANG Huailiang,ZHANG Guoliang,QI Zhengyu.Dynamic characteristics of direct operated relief valve on fundamental vibration[J].Journal of Central South University:Science and Technology,2014,45(12):4181-4186.

[10] 文學洙.影響振動式挖掘機性能的主要參數[J].農機化研究,2012(4):127-135.

WEN Xuezhu.Main parameter of effect on vibrating digger performance[J].Journal of Agricultural Mechanization Research,2012(4):127-135.

[11] 鄭淑娟,宋運運.基于AMESim的直動式溢流閥的特性分析研究[J].煤礦機械,2011(12):76-78.

ZHENG Shujuan,SONG Yunyun.Analysis and study on characteristic of direct-acting pressure relief valve based on AMESim[J].Coal Machinery,2011(12):76-78.

Modeling and property study ondirect-acting relief valve under vibration environment

Yin Chen-bo1,Fang Jian-fei1,Ye Min-zheng1,Zhou Jun-jing1,Jia Wen-hua2

(1. Institute of Automobile and Construction Machinery,Nanjing Tech University, Nanjing 211816,China;2. School of Mechanical Engineering,Nanjing Institute of Technology, Nanjing 211167,China)

Such factors as harsh working environment, complicated and special working condition, strong vibration and shock during operational process affect the working security and stability on hydraulic system and components. As such, the direct-acting pressure relief valve, frequently used as the safe and pressure retaining valve, is first applied for mathematical and SimulinkTM modeling under vibration conditions.Then, the impacts of vibration factors and major structural parameters upon valve properties are analyzed. Finally, this approach provides atheoretical reference to relief valve design optimization and application for construction machinery.

vibration; direct-acting relief valve; construction machinery; dynamic property

江蘇省產學研前瞻性項目(SBY2015020146);國家自然科學青年基金項目(51505211)

殷晨波(1963-),男,教授,博士生導師,E-mail:yinchenbo_iacm@163.com

TH 137.52

A

1672-5581(2016)04-0300-05