液壓挖掘機換向閥微動特性的健壯性評價

姜濤,夏明杰,王安麟

(同濟大學機械與能源工程學院, 201804, 上海)

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液壓挖掘機換向閥微動特性的健壯性評價

姜濤,夏明杰,王安麟

(同濟大學機械與能源工程學院, 201804, 上海)

針對液壓挖掘機換向閥微動性能評價問題,提出采用最小敏感流量系數作為定量化評價微動性能的方法。在先導壓力與工作流量同步的條件下,以相對先導壓力的工作流量變化梯度為其微動性能評價指標,并在以液壓馬達表達工作流量變化的前提下構建液壓挖掘機換向閥微動的仿真過程,通過與多路閥動態特性實驗臺架物理實驗結果對比來驗證其仿真的可靠性;以某型號整機微動性能良好的液壓挖掘機多路閥回轉聯為對象,在其微動初段敏感度與微動末段敏感度之比為7.35的情況下,敏感流量系數的變化具有健壯性。研究結果表明,將最小敏感流量系數作為其微動性能評價指標具有較高的合理性,對閥芯的結構拓撲形態優化設計具有實際意義。

液壓挖掘機換向閥;微動性能;敏感流量系數;多路閥動態實驗臺;健壯性

挖掘機液壓系統的操作可靠性、準確性、微動性等性能很大程度上取決于液壓主控制閥的性能[1-3]。多路閥控制整機的大部分執行機構,實現不同的工況。對于滑閥式方向控制閥來說,關于液壓挖掘機換向閥微動性能的評價卻缺乏一個較為合理和量化的評價方法,從而影響了液壓挖掘機換向閥性能的改善和系列化設計。近年來,越來越多的國內外學者采用計算流體力學方法分析液壓挖掘機換向閥的動態性能。文獻[4-8]應用CFD軟件研究滑閥局部動態過程的響應,但此系列研究均未考慮回轉聯液壓挖掘機換向閥在實際工作中會經歷一個死區而后節流換向。文獻[9-10]采用以換向過程的響應時間作為微動性能評價指標對微動性能進行改善,但其評價指標并不能囊括整個過程不同閥芯位移區段的微動性能。

針對以上分析,本文以某型液壓挖掘機回轉聯為例,建立三維有限元模型來模擬挖掘機用多路閥回轉聯的微動調節段。設計仿真實驗來獲得本研究評價微動性能方法的關鍵數據,關鍵點的數據通過動態特性實驗臺實驗驗證。以某型號整機微動性能良好的液壓挖掘機多路閥回轉聯為對象,研究發現該型液壓挖掘機換向閥在微動起始階段敏感度較大,在開度為1.76 mm左右時達到頂峰;微動中間區段,由于各個物理量達到自平衡,敏感度系數趨于平緩。研究結果表明,在特定整機工況下,某型液壓挖掘機回轉聯換向閥的微動特性具有健壯性,從而驗證了最小敏感系數作為定量化評價換向閥微動性能的合理性。

1 液壓挖掘機換向閥及液壓馬達數學模型

本研究以液壓挖掘機回轉聯微動區段為例,說明采用最小敏感流量系數作為定量化評價微動性能的方法的可行性。

液壓挖掘機回轉系統由回轉液壓系統和回轉裝置組成,回轉動作時,液壓挖掘機的司機室、工作裝置、油箱等隨回轉平臺一起轉動,回轉啟動時,回轉液壓挖掘機換向閥開啟,液壓系統提供高壓油驅動回轉馬達轉動,馬達通過回轉支撐驅動回轉平臺轉動,再經過微動調節使回轉臺轉動到理想工作位置。

液壓挖掘機換向閥在換向過程中,閥芯在軸向上受力包括先導力、液動力(瞬態液動力與穩態液動力)、彈簧力、摩擦力、慣性力。液壓挖掘機換向閥閥芯運動位移由以上物理量共同影響,而ps作為初始輸入量由駕駛員控制的操作桿決定,表達式為

x=f(ps,Fflow,Ff,Fm,Fx)

(1)

式中:x為液壓挖掘機換向閥閥芯運動位移;ps為先導壓力;Fflow為液動力;Ff為摩擦力;Fm為慣性力;Fx為彈簧力。

液壓挖掘機換向閥的閥口面積取決于閥芯運動位移,表達式為

(2)

式中:A(x)為閥口面積;xs為各節流口開始開啟的相應閥芯位移死區量;函數ω與節流槽結構尺寸、位置、特征等相關。

在節流口階段,閥口的流量為

QL=CdA(x)(2Δp/ρ)1/2

(3)

式中:Cd為流量系數;Δp為節流進出口壓差;ρ為液壓油密度。

在先導壓力的作用下,液壓挖掘機換向閥開始移動,由文獻[11]知液壓馬達的流量表達式為

TL=φ(PL,θ,QL)

(4)

式中:θ為馬達轉角;PL為負載;TL為作用于馬達軸上的外負載力矩。表達式中馬達轉角為定值;PL屬于中間變量;QL為馬達啟動工作時的最初輸入量,它的變化會直接影響中間變量,最終使馬達軸上的外負載力矩產生變化,在這個小響應面函數中外負載力矩受流量激勵而做出反饋。

由式(4)知,外負載力矩TL對QL最為敏感;再根據式(1)、式(2)、式(3)知,工作口流量QL由先導壓力ps決定。ps作為整個系統的初始輸入量,流量作為構建液壓挖掘機換向閥模型與液壓馬達模型的關鍵參量,構成以先導壓力為輸入量、工作流量為輸出量的響應面函數。這個函數表征了液壓挖掘機換向閥處于動態過程的響應關系,微動過程作為動態過程的無窮細化,取相對先導壓力的工作流量變化梯度作為微動性能評價方法,表達式為

λ=?q/?p

(5)

其輸出特征量為本研究所需最小流量梯度,故稱其為最小敏感流量系數。

2 液壓挖掘機換向閥微動性能仿真

2.1 液壓挖掘機換向閥模型

液壓挖掘機換向閥結構如圖1所示,其中包括閥體、閥芯、進油口P、工作口A、工作口B、回油口T、U形槽等;P口與液壓泵相連,A、B口與執行機構(如液壓缸或液壓馬達)連接。

如圖1所示,液壓挖掘機回轉聯換向閥可實現P→A,B→T或P→B,A→T的過程;當閥芯處于中位時,液壓油直接從P通過中央旁通油路回油箱T(P→T);當液壓挖掘機換向閥左位工作時,液壓油頂開單向閥從主進油口流向工作口A,由A流向工作液壓缸,此時P→B切斷,B口直接流回油箱(P→A,A→B,B→T);當液壓挖掘機換向閥右位工作時,液壓油繼續頂開單向閥從主進油口流向工作口B,由B流向工作液壓缸,P→A切斷,A口直接流回油箱(P→B,B→A,A→T)。液壓挖掘機換向閥的微動調節區段為液壓挖掘機換向閥由中位(P→T)換到工作位(P→A或P→B)。微調區段受先導力及彈簧力外部力,由于4個腔開啟和關閉過程一致,故本文選取P→B腔作為研究對象[12],高壓油頂開單向閥后,剛開始直接從中路流回油箱,當閥口打開后,油液分兩路,一路從中位回油,另一路從B口流出供給執行機構,隨著閥芯往左運動至某一位置時,中路關閉,油液只從B口流出。

圖1 液壓挖掘機換向閥結構圖

2.2 邊界條件

流體與壁面接觸的邊界為靜止壁面,進出口邊界條件分別為流量和出口壓力。計算過程的流體狀態設置為:①流體為牛頓流體,不可壓縮;②液壓油密度為890 kg/m3,動力黏度為0.036 N·s/m2,體積模量為700 MPa;③流動狀態為湍流,采用標準k-ε模型;④彈簧剛度k為117 000 N/m。

2.3 微動段仿真

回轉聯的流體網格模型如圖2所示,為獲得較好的計算收斂性,采用Minimum Cell Size尺寸為0.001 m劃分網格,模型單元數為1 021 676個,節點數為1 184 363個,圖中閥口B為加載口,閥口A在換向過程中未工作,P口為多路閥進油口,T為回油口。

圖2 回轉聯換向閥三維流體網格模型

經研究發現,在微動初段工作口流量隨先導壓力的變化較復雜,末段的變化較簡單,現設計仿真先導壓力值為0.5、0.525、0.55、0.575、0.6、0.7、0.8、0.9及1.0 MPa,出口壓力設恒定壓力為23.5 MPa,P口流量設恒定流量為150 L/min。

由仿真獲得在不同先導壓力下的閥芯行程圖,如圖3所示。

圖3 不同先導壓力下的閥芯行程圖

由圖3可見,閥芯在先導壓力為0.5～1.0 MPa之間時,閥口經歷整個微調區段,其中有3 mm的死區,最大行程為9 mm,閥芯在運動到最大行程后由于彈簧力較大使其趨于關閉,所以圖中行程曲線后半段有下降的趨勢。通過獲取在不同先導壓力下閥芯最大行程時所對應的工作口流量值,得到相對先導壓力的工作流量變化梯度。解析模型中腔外流體與腔內流體設置滑移網格,三維動態過程的流場如圖4所示。由壓力云圖可見,工作口與入口已經完全連通,故壓力變化平緩,節流口處并沒有壓力突變;由速度云圖可見,速度在該處的變化較大,且大的速度集中在節流口處。

(a)壓力云圖

(b)速度云圖圖4 先導壓力為1 MPa、閥口開度為2 mm時的壓力及速度云圖

3 微動性能實驗及分析

3.1 實驗設計

為獲得與仿真同等條件下的實驗值,采用可模擬挖掘機實際工況的實驗臺。液壓元器件動態特性綜合實驗臺是本研究所采用的實驗臺架,其主要包括被試閥及邏輯控制模塊,如圖5所示。被試閥管路接口如圖5b所示,上端3個口中,2個較小的管為進油管,分P1、P2兩路進油先導壓力為1 MPa、(做單聯實驗時一般只需一個口進油),較大的管為回油管;被試閥左端為工作口A、B;前端及背面為先導口,控制閥芯開啟和關閉。

實驗臺原理如圖6所示,其包括主泵、多路閥回轉聯、加載模塊、先導控制、回油測試等模塊。先導控制系統由先導泵與先導閥組成,先導泵為先導閥提供壓力,其最高壓力由溢流閥調定,通過減壓閥調節先導壓力大小;主泵提供油源,回轉聯與加載閥相連;安裝在油路中的流量計可以實時采集泵出口流量、閥出口流量以及回油流量。實驗臺模擬回轉系統加載的模塊如圖中虛線框中所示,采用比例溢流閥、伺服方向閥模擬回轉工況,伺服方向閥可調節溢流閥的背壓,溢流閥則模擬回轉系統的回轉溢流閥。

(a)被試閥

(b)邏輯控制模塊圖5 被試閥與邏輯控制模塊

圖6 回轉聯測試原理圖

本研究中的加載壓力值采用比例溢流閥來模擬加載。實驗臺在多路閥閥口安裝有流量與壓力傳感器,實時采集流量與壓力數據,并且實驗臺采用計算機Labview軟件實現自動化控制。

根據已有條件設計實驗:系統壓力為30 MPa,流量以及加載壓力同2.1節仿真邊界條件設置,實驗過程油溫為40 ℃左右,表中電信號是計算機輸入信號,經過標定其變化與先導壓力值基本成線性。換向仿真在微動初段時先導壓力設計梯度較小,而實驗由于受環境、系統等條件的影響很難在此微小變化下得到精確值,為驗證同等條件下關鍵點的仿真準確性,設計微動換向實驗,其先導壓力分別為0.5、1.0 MPa,溫度為40 ℃左右,先導變化梯度為0.5 MPa,基本驗證微動段仿真初值及終值設置的正確性。

3.2 結果分析

表1為設計先導壓力值下的實驗值及仿真值,仿真與實驗基本接近,為仿真結果及結果分析的正確性提供了一定的依據。從這兩個關鍵點可以發現,實驗出口流量值在相同先導壓力下較仿真值要大,主要原因是由于管道流量損失造成,兩者的平均相對誤差為8.38%,表達式為

eaver=(|enum1|+|enum2|)/2

(6)

一般情況下,司機在微調手柄時希望在較大手柄動作下工作口的流量變化較小,從而使工作裝置的動作幅度減小,此時流量對先導壓力敏感度降低,操作者對機構的定位更加準確,工作裝置的微動性較好。如果相對先導壓力的工作流量變化梯度基本不變,那么司機在手柄微調操作時就相對輕松很多,故不同開度下敏感度趨于平緩是微動性能最理想的狀態。

表1 不同先導壓力下工作口流量

仿真的回轉聯流量、閥口開度與先導壓力的關系如圖7所示,先導壓力范圍在0.5～0.575 MPa與0.6～1.0 MPa范圍內時,流量上升趨勢基本一致,在先導壓力從0.575 MPa過渡到0.6 MPa時,流量會有一個較大的跳躍。在此區間閥口面積恰有一個突變點,該點閥口面積突然增大,故流量會產生跳躍。司機操作手柄經過此點時,較其他點稍微靈敏一些。

以往的微動性能評價僅參考壓力或流量與閥芯行程變化關系,沒有提供一個量化的微動性能評價方法,而本研究在以液壓馬達表達工作流量變化的前提下構建液壓挖掘機換向閥微動的仿真過程。某型液壓挖掘機多路閥回轉聯的敏感度與閥口開度曲線關系如圖8所示。由圖可見,在微動調節初始階段敏感度較大,因為在這個階段閥口剛剛打開,受到液壓沖擊以及液動力影響最為劇烈;在開度為1.76 mm左右時達到頂峰,因為在該處閥口面積恰有一個突變點,閥口結構造成敏感度突變;越過該突變點,敏感度減小;隨著開度的慢慢變大,由于各個物理量達到自平衡,敏感度趨于平緩。在微動初段敏感度與微動末段敏感度之比為7.35的情況下,敏感流量系數的變化具有健壯性,可為液壓挖掘機換向閥的微動性能評價提供量化指標。

圖8 回轉聯敏感系數與閥口開度關系圖

4 結 論

本文針對液壓挖掘機換向閥微動性能評價問題,取得如下研究成果:在以液壓馬達表達工作流量變化的前提下構建液壓挖掘機換向閥微動的仿真過程,提出了采用最小敏感流量系數作為定量評價微動性能的方法,并設計動態特性實驗臺進行實驗仿真,獲得本研究評價微動性能方法的關鍵數據,以關鍵點實驗數據為基準,在一定程度上驗證了仿真結果的可靠性。基于某型號整機微動性能良好的液壓挖掘機多路閥回轉聯的敏感流量分析,揭示了在某特定工況下液壓挖掘機換向閥的微動性能表現。該評價方法可定量評價換向閥的微動性能,對閥芯的結構拓撲形態優化設計具有實際意義。

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(編輯 武紅江)

A Robust Evaluation Method of Micro Characteristics for Directional Control Valve of Hydraulic Excavators

JIANG Tao,XIA Mingjie,WANG Anlin

(College of Mechanical and Energy Engineering, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A micro performance evaluation method is proposed to solve the problem of micro performance evaluation in excavator directional control valves and the method uses the least sensitive flow coefficient as a quantitative evaluation. The working flow rate gradient relative to pilot pressures is used to evaluate the micro performance under the synchronization condition of the pilot pressure and the outlet flow. Then the micro analytical process of directional control valve is built under the premise of working flow rate that is expressed by a hydraulic motor and based on the results of dynamic characteristics test bench for hydraulic components. Comparisons between analytical and experimental results verify the reliability of the simulation. A swing way of a multi-way valve used in hydraulic excavator is taken as a research object, and the results show that the changes of flow coefficient is robust in case that the sensitivity of micro early stage is 7.35 times of the sensitivity of micro last stage.The rationality of the evaluation method is verified. The results show that the proposed method has engineering value to valve’s structural morphology optimization designs.

directional control valve; micro performance; sensitive flow coefficient; multi-way valve dynamic test bed; robustness

2015-08-04。

姜濤(1969—),男,博士,副教授。 基金項目:工業和信息化部2011年科技成果轉化資助項目(財建〔2011〕30號)。

時間:2016-01-07

10.7652/xjtuxb201602020

TH137.52

A

0253-987X(2016)02-0118-06

網絡出版地址:http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160107.1232.006.html