主動(dòng)控制的直動(dòng)式溢流閥壓力特性分析

劉桓龍，季曉偉，柯 堅(jiān)，吳文海

（西南交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610031）

1 引言

直動(dòng)式溢流閥既可單獨(dú)使用，也可作為先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥使用，主要采用溢流閥結(jié)構(gòu)，利用彈簧直接對(duì)閥芯加載，調(diào)定其工作壓力。作為一種重要的壓力閥，溢流閥幾乎應(yīng)用在每個(gè)液壓系統(tǒng)中。普通溢流閥閥芯系統(tǒng)的低阻尼特點(diǎn)讓閥芯不容易穩(wěn)定，造成溢流閥的動(dòng)態(tài)壓力特性較差甚至使得系統(tǒng)不能正常工作。因此，針對(duì)溢流閥的不穩(wěn)定現(xiàn)象，眾多學(xué)者和工程技術(shù)人員進(jìn)行了大量的研究[1-4]，主要都是探討孔道結(jié)構(gòu)參數(shù)、固定阻尼、閥芯結(jié)構(gòu)和油液含氣量等對(duì)溢流閥其振動(dòng)特性的影響，并提出一些改善振動(dòng)特性的閥芯結(jié)構(gòu)，未涉及到采用主動(dòng)控制的方法。

借鑒主動(dòng)控制的思路，提出采用主動(dòng)控制提高溢流閥閥芯穩(wěn)定性的方法。在溢流閥前腔增加一個(gè)活塞腔，通過主動(dòng)控制活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)改變溢流閥前腔的容積大小，從而快速平衡壓力波動(dòng)，使溢流閥具有較強(qiáng)的閥芯穩(wěn)定能力和一定的適應(yīng)參數(shù)變化的能力。

2 溢流閥主動(dòng)減振控制的工作原理

溢流閥主動(dòng)減振控制技術(shù)的關(guān)鍵內(nèi)容是在溢流閥前腔增加一套可變?nèi)莘e裝置，包括活塞、活塞彈簧、作動(dòng)器、壓力傳感器、控制器等。可變?nèi)莘e裝置通過活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，動(dòng)態(tài)改變溢流閥前腔的容積，來平衡由于外部激勵(lì)以及閥芯振蕩帶來的壓力波動(dòng)，加速閥芯的平衡。主動(dòng)減振溢流閥的原理結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1中，調(diào)壓螺母用于給調(diào)壓彈簧施加預(yù)緊力來調(diào)定閥的額定壓力。力傳感器用于檢測(cè)調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力，預(yù)緊力與壓力閥的額定壓力成線性關(guān)系，可以通過檢測(cè)預(yù)緊力值得知壓力閥的額定壓力。油壓傳感器用于檢測(cè)溢流閥入口的實(shí)時(shí)油液壓力值。減振過程分成兩個(gè)階段。第一階段，入口壓力上升期間，壓力值在控制器閾值以下時(shí)，活塞被動(dòng)運(yùn)動(dòng)，由活塞彈簧承擔(dān)一級(jí)減振；第二階段，壓力上升到控制器閾值以上時(shí)，活塞在作動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)下主動(dòng)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)溢流閥的主動(dòng)減振?？刂破鏖撝档脑O(shè)定是為了避免溢流閥在壓力上升期間過早觸發(fā)主動(dòng)減振裝置，只有在入口實(shí)時(shí)壓力達(dá)到閥值后才會(huì)觸發(fā)主動(dòng)減振裝置。依據(jù)溢流閥入口壓力波動(dòng)范圍設(shè)定閾值為額定壓力的0.85倍。

控制器采集力傳感器的數(shù)據(jù)與油壓傳感器的數(shù)據(jù)，并將力傳感器采集到的調(diào)壓彈簧預(yù)緊力值轉(zhuǎn)化為壓力閥工作的額定壓力，作為參考?jí)毫?。入口壓力上升到控制器閾值以上時(shí)，控制器通過入口實(shí)時(shí)壓力值與參考?jí)毫χ档钠顏砜刂谱鲃?dòng)器動(dòng)作。當(dāng)入口壓力低于參考?jí)毫r(shí)，作動(dòng)器推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，通過壓縮前腔容積的方式來提高入口壓力；當(dāng)入口壓力高于參考?jí)毫r(shí)，活塞向右運(yùn)動(dòng)，通過增大前腔容積的方式來降低入口壓力。通過改變前腔容積的方式來平衡溢流閥入口壓力，此過程在削弱入口壓力波動(dòng)的同時(shí)，也加快了閥芯的穩(wěn)定。

3 壓力特性仿真分析

以小流量中壓直動(dòng)式溢流閥為例，利用AMESim軟件初步仿真計(jì)算了其壓力動(dòng)態(tài)特性，分析了主要參數(shù)對(duì)其性能的影響，仿真計(jì)算模型，如圖2所示。仿真計(jì)算的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters

利用圖2的模型，設(shè)定好相關(guān)參數(shù)后，在AMESim中對(duì)閥的壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性進(jìn)行了仿真計(jì)算，為了提高仿真精度，觀察詳細(xì)的壓力變化，仿真步長(zhǎng)取為0.00001s。對(duì)于該結(jié)構(gòu)類型的主動(dòng)減振溢流閥，減小閥芯的粘性阻尼系數(shù)進(jìn)行了多次計(jì)算，發(fā)現(xiàn)粘性系數(shù)大于1時(shí)均能穩(wěn)定，表明該結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的閥芯穩(wěn)定能力。在相同的參數(shù)條件下，對(duì)普通溢流閥也進(jìn)行了計(jì)算，當(dāng)粘性系數(shù)小于7N/（m·s-1）時(shí)，普通溢流閥無法穩(wěn)定，振動(dòng)很大。為方便比較分析，選擇在普通溢流閥能夠穩(wěn)定的情況下進(jìn)行對(duì)比，取閥芯的粘性系數(shù)為10N/（m·s-1）。計(jì)算主動(dòng)減振溢流閥的壓力響應(yīng)曲線，并把普通溢流閥的曲線繪制在一起，如圖3所示。由圖3中可以看出，普通溢流閥由于閥芯的低阻尼特性，在初始激勵(lì)下不易穩(wěn)定，壓力波動(dòng)的幅值也較大，而主動(dòng)減振溢流閥壓力波動(dòng)幅值小，穩(wěn)定速度快。并且主動(dòng)減振裝置的存在不影響溢流閥的額定工作壓力。由于活塞彈簧一級(jí)減振的存在，使得壓力上升時(shí)間略微增加。

圖3 普通錐閥與主動(dòng)減振錐閥的壓力響應(yīng)對(duì)比Fig.3 General Cone Valve and Active Control Cone Valve Pressure Response Comparison

4 活塞結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)壓力特性的影響

4.1 活塞直徑的影響

考慮到溢流閥前腔的尺寸限制，活塞直徑不能太大，針對(duì)4mm、6mm、8mm的小直徑活塞進(jìn)行仿真分析，得到壓力動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線，如圖4所示。由于壓力在未上升到控制器閾值時(shí)，不觸發(fā)作動(dòng)器，活塞彈簧承擔(dān)了一級(jí)減振。因此活塞直徑越大，活塞彈簧的受力越大，壓縮量增大，壓力上升時(shí)間略微增加。但是，在增大活塞直徑的同時(shí)，也會(huì)帶來作動(dòng)器產(chǎn)生單位位移時(shí)溢流閥前腔體積變化量的增大，能夠更有效地平衡入口壓力，穩(wěn)定閥芯。為彌補(bǔ)上升時(shí)間增加的不足，在選擇大的活塞直徑時(shí)可以匹配較大剛度的活塞彈簧。

圖4 活塞直徑對(duì)壓力響應(yīng)的影響Fig.4 Effect of Piston Diameter on the Pressure Response

4.2 活塞彈簧的影響

活塞彈簧用于平衡作動(dòng)器的受力，保證溢流閥壓力穩(wěn)定后作動(dòng)器可以不輸出力。由于在未觸發(fā)作動(dòng)器主動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段，活塞彈簧會(huì)產(chǎn)生一定的壓縮量，作動(dòng)器被動(dòng)運(yùn)動(dòng)。在選擇活塞彈簧的剛度時(shí)，要考慮作動(dòng)器的位移限制，彈簧剛度過小則會(huì)超出作動(dòng)器的位移范圍；剛度過大則會(huì)導(dǎo)致作動(dòng)器主動(dòng)運(yùn)動(dòng)階段所需要的輸出力過大，因此要選擇合適的活塞彈簧剛度。針對(duì)3MPa的工作壓力和6mm的活塞直徑，計(jì)算得出活塞彈簧的剛度在（10～20）N/mm的范圍內(nèi)比較合理。對(duì)10N/mm、15/mm、20/mm的活塞彈簧剛度進(jìn)行仿真分析。圖5中可以看出，活塞彈簧的剛度對(duì)溢流閥入口的壓力動(dòng)態(tài)特性影響不大，但是要做好與活塞直徑以及作動(dòng)器輸出力范圍的合理匹配。

圖5 活塞彈簧的剛度對(duì)壓力響應(yīng)的影響Fig.5 The Piston Spring Stiffness on the Influence of Pressure Response

5 不同工況下的適應(yīng)能力分析

5.1 不同的額定工作壓力

在保證溢流閥其它參數(shù)相同的情況下，分析彈簧預(yù)緊力分別為300N、1000N、2200N時(shí)的壓力響應(yīng)特性。普通溢流閥在中、高壓下由于較強(qiáng)的激勵(lì)與低阻尼，往往不能穩(wěn)定，或穩(wěn)定較慢。從圖6中可以看出主動(dòng)減振溢流閥在低、中、高壓下都能很快穩(wěn)定，且壓力波動(dòng)幅值小。但由于額定壓力的增大會(huì)帶來活塞彈簧受力的增加，因此在一級(jí)減振階段中，由于低的活塞彈簧剛度會(huì)導(dǎo)致壓力上升時(shí)間的增加，因此在高壓場(chǎng)合使用時(shí)可以考慮適當(dāng)增加活塞彈簧的剛度。

圖6 不同工作壓力下的適應(yīng)能力Fig.6 The Ability to Adapt to Different Working Pressure

5.2 不同工作流量

為考察主動(dòng)減振溢流閥對(duì)不同工作流量的適應(yīng)能力，針對(duì)10L/min、25L/min、40L/min三種不同工作流量進(jìn)行了仿真分析。

圖7 不同工作流量下的適應(yīng)能力Fig.7 The Ability to Adapt to Different Work Flow

溢流閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)限制了其工作的流量范圍，因此只能在一定流量范圍內(nèi)考察其工況適應(yīng)能力。如圖7所示，主動(dòng)減振溢流閥能夠在不同工作流量下快速穩(wěn)定閥芯，且壓力波動(dòng)小。

5.3 不同油液體積彈性模量

在該主動(dòng)減振系統(tǒng)中，體積彈性模量直接影響油液體積壓縮時(shí)的壓力上升特性，因此需要考察主動(dòng)減振溢流閥對(duì)不同油液體積彈性模量的適應(yīng)能力。針對(duì)800MPa、1100MPa、1700MPa三種油液體積彈性模量進(jìn)行分析，結(jié)果如下。普通溢流閥在油液體積彈性模量過小時(shí)很難穩(wěn)定，如圖8所示。主動(dòng)減振溢流閥在不同體積彈性模量下都能很快穩(wěn)定，表明主動(dòng)減振效果對(duì)油液的體積彈性模量不敏感。

圖8 不同體積彈性模量下的適應(yīng)能力Fig.8 The Ability to Adapt to Different Bulk Modulus

6 結(jié)論

（1）主動(dòng)減振溢流閥具有較好的壓力動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性，在閥芯粘性系數(shù)較小的情況下仍可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，活塞直徑是影響減振性能的關(guān)鍵參數(shù)，作動(dòng)器的位移范圍與輸出力范圍限制了活塞彈簧的剛度，要做好三者之間的匹配關(guān)系。（2）設(shè)計(jì)的主動(dòng)減振溢流閥能夠適用于低、中、高壓，不同的工作流量以及不同的油液體積彈性模量的場(chǎng)合，克服普通溢流閥在不同工況下適應(yīng)能力差的缺點(diǎn)。

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