高壓氣動溢流閥動態特性分析

李娟 楊建江

摘 要：本文以高壓氣體作用下氣動溢流閥為研究對象，用AMESim中的PCD庫對其進行建模仿真，分析在不同氣壓、彈簧剛度、阻尼孔直徑作用下，閥芯的動態響應特性。研究結果表明：隨著氣瓶壓力值或彈簧剛度的增大，閥芯的動態響應頻率減小；阻尼孔直徑小范圍變化時，對溢流閥動態性能影響不明顯。研究成果旨在應用于溢流閥的研制和生產，為溢流閥結構參數設計提供參考。

關鍵詞：高壓；氣動溢流閥；動態特性

中圖分類號：034 文獻標識碼：B

溢流閥是各種氣液壓設備中重要的壓力控制單元，在工程機械、汽車工業、航空航天、船舶交通等各個領域中有著廣泛的應用。重量輕、尺寸小、靈敏度高、穩定性好是各行各業在溢流閥設計中面臨的共性問題。因此，分析不同環境參數、結構參數對溢流閥動態響應特性的影響，以提高其工作性能，保障高壓氣動系統的安全是問題分析的關鍵。

目前，國內外對溢流閥的研究和應用還主要側重于液壓環境、低氣壓環境，常用的方法是根據經驗確定有關參數，通過試驗來檢驗其特性，并修正設計參數[1]。對于高壓氣動溢流閥的研究還較少，為了獲得理想的動態品質，得知溢流閥真實工作狀態下其內部結構參數的變化對其動態特性的影響很有意義。本文以高壓氣體作用下氣動溢流閥為研究對象，運用AMESim中的PCD庫進行建模仿真，分析在不同氣壓、阻尼孔直徑、彈簧剛度作用下，閥芯的動態響應特性。

1 溢流閥數學原理

溢流閥工作原理為當系統的壓力達到或超過溢流閥的調節壓力時，系統的氣體通過閥口溢往大氣，以維持系統壓力峰值不會超過設定值，防止系統壓力過載，保障執行機構、閥和系統的安全。

溢流閥動態特性是接到輸入信號以后，高壓腔的壓力瞬態峰值與波動情況、負載或控制機構的響應速度。求解動態特性需要建立動態模型，通常是一組以時間為獨立變量的微分方程[2]。

高壓氣動閥口流量公式：

式中：Ave為有效面積，p為閥口入口壓力，k為絕熱指數，空氣k=1.4，R為氣體常數，干空氣R=287.1J/（kg·K），T為閥口入口溫度。

當閥芯只在氣壓力、彈簧力和重力作用下處于平衡狀態，閥芯運動時的動力學平衡方程為：

式中：Qvacosα項是閥口的穩態氣動力，Me為閥芯運動的當量質量，y為閥芯位移，a為聲速，α為氣體流出閥口時的方向與閥芯軸線夾角，K為彈簧剛度，B為變向粘性阻力系數，Fr為閥芯與閥套之間的干摩擦力，C為單向粘性阻力。

閥腔連續性方程為：

式中：πDvpδ36lv是泄漏量，δ為環縫間隙，l為環縫密封長度，v為氣體運動粘度，V為彈簧腔容積。

通過式（2）、（3）得出閥芯動態特性的二元二階非線性微分方程組，即氣動溢流閥的動態數學模型[3]：

式中：Cv為閥口收縮系數，無量綱。

針對溢流閥的幾何參數，當輸入一個壓力信號，通過求解上述微分方程組，即可求得閥的動態響應過程。

2 溢流閥AMESim模型

AMESim提供了一個系統及工程的完整平臺，從其豐富的氣動庫和氣動元件設計庫可以搭建氣路系統[3]。但是，其中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足氣動系統設計要求，需要根據氣路控制的結構設計原理，利用PCD庫（氣動元件庫）的子模型組合建立控制閥的模型。通過PCD庫建立的溢流閥仿真模型，如圖1所示。

3 仿真分析

設定圖1溢流閥的參數，其中作為輸入信號的環境參數氣瓶壓力分別為20MPa、25MPa、30MPa進行變化；作為結構參數的彈簧剛度分別為40N/mm、50N/mm、60N/mm進行變化；阻尼孔直徑分別為2mm、2.5mm、3mm進行變化；分析閥芯的動態響應特征。

從圖2可以看出：氣瓶壓力值的大小對閥芯的輸出位移的動態品質影響較大。氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態響應頻率越小，閥芯的振蕩次數越少。

從圖3可以看出：彈簧剛度的大小對閥芯的輸出位移的動態品質稍有影響。彈簧剛度越大，閥芯的動態響應頻率越小，閥芯的振蕩次數越少；但是對溢流閥閥芯起始響應時間的影響敏感度不高。

從圖4可以看出，阻尼孔直徑在小范圍之間變化時，閥芯響應的起始響應時間、動態響應頻率幾乎沒有變化，對溢流閥動態性能影響不明顯。

4 結論

通過AMESim對溢流閥進行建模和仿真，得出了氣瓶充氣壓力、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數對溢流閥動態品質的影響。結果表明，氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態響應頻率越小。彈簧剛度越大，閥芯的動態響應頻率越小。阻尼孔直徑在小范圍之間變化時，對溢流閥動態性能影響不明顯。

要想提高溢流閥的動態工程品質，可根據仿真分析結果，改變溢流閥內部結構尺寸，來達到滿足設計要求的目的。

參考文獻：

[1]曾祥榮，葉文柄，吳沛榮.液壓傳動.北京：國防工業出版社，1980.

[2]李建藩.氣壓傳動系統動力學.廣州：華南理工大學出版社，1991.

[3]KOHNOH，BATHE K J. Aninenode quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673699.

[4]付永領，齊海濤.AMESim系統建模與仿真實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版署，2011.

項目名稱：裝備預研中航工業聯合基金項目（編號：6141B050706）