導(dǎo)閥參數(shù)對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性的影響*

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(武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院機械工程學(xué)院，湖北武漢430205)

0 引言

先導(dǎo)式溢流閥是利用先導(dǎo)閥調(diào)定壓力來控制主閥導(dǎo)通的，研究不同導(dǎo)閥參數(shù)對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性的影響，對先導(dǎo)式溢流閥的選用、優(yōu)化設(shè)計具有一定的參考價值。

1 先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)及工作原理

如圖1[1-2]，先導(dǎo)式溢流閥由先導(dǎo)閥和主閥兩部分組成。在先導(dǎo)閥與主閥之間有密閉的穩(wěn)壓油腔A和平衡活塞腔B。當(dāng)進(jìn)油口P處壓力小于錐閥4的調(diào)定壓力時，先導(dǎo)閥閥口關(guān)閉，阻尼孔1中無液壓油流動，平衡活塞8上下無壓差，并在彈簧力的作用下處于最下端；反之，先導(dǎo)閥打開，進(jìn)油口液壓油經(jīng)阻尼孔1、穩(wěn)壓油腔A、泄油口6、回油口T流回油箱，平衡活塞8上下形成壓差，當(dāng)壓差大于平衡彈簧8的作用力時，活塞9上移，進(jìn)出油口被打開，實現(xiàn)溢流，進(jìn)油口P的壓力也隨之降低，直到平衡活塞9穩(wěn)定在某一個平衡位置。

圖1 先導(dǎo)式溢流閥工作原理圖

2 建立仿真模型

使用Amesim軟件建立先導(dǎo)式溢流閥的仿真模型，分析不同導(dǎo)閥參數(shù)對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性的影響。在Amesim軟件中建立仿真模型主要有功能級建模和元件級建模兩種形式。

2.1 功能級建模

功能級建模是指使用Amesim軟件Hydraulic液壓庫中的標(biāo)準(zhǔn)液壓元件進(jìn)行建模，即采用HV001元件子模型建模。HV001元件模型有五個端口構(gòu)成，其中端口2可采取多種方式與其它元件相配合，以實現(xiàn)多種液壓閥模擬仿真。HV001子模型如圖2。

由于先導(dǎo)式溢流閥由先導(dǎo)閥和主閥構(gòu)成，因此建立仿真模型時需采用兩個HV001元件模型，如圖3。

圖2 HV001模型

圖3 先導(dǎo)式溢流閥仿真模型

2.2 元件級建模

元件級建模是指根據(jù)先導(dǎo)式溢流閥工作原理和結(jié)構(gòu)圖使用Amesim軟件Hydraulic 、Compent Design和Mechanical機械元件庫構(gòu)建仿真模型，具體建模過程為：

1)根據(jù)先導(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)特征在(Sketch mode)模式下建立主閥、先導(dǎo)閥的Amesim仿真模型，如圖4[3-5]。

圖4 主閥、先導(dǎo)閥Amesim仿真模型

圖5 先導(dǎo)式溢流閥仿真模型

2)根據(jù)先導(dǎo)式溢流閥的工作原理在(Sketch mode)模式下建立仿真模型，如圖5。

3)按Submodel mode鍵進(jìn)入子模型模式，按Premier submodel鍵對所有元件應(yīng)用主子模型。

4)按Parameter mode鍵，分別設(shè)置主閥、導(dǎo)閥參數(shù)，如表1、表2。

表1主閥參數(shù)設(shè)置

表2導(dǎo)閥參數(shù)設(shè)置

相比功能級建模，元件級建模更能方便快捷地仿真先導(dǎo)式溢流閥各個參數(shù)對其動態(tài)特性的影響。對圖5所示的仿真模型，使其主閥參數(shù)不變，分別改變導(dǎo)閥主要參數(shù)值，分析導(dǎo)閥參數(shù)對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性的影響。

3 仿真結(jié)果分析

將表1、表2設(shè)置的參數(shù)輸入到圖5的仿真模型中，并設(shè)置第一階段開始時輸出流量為80 L/min、結(jié)束時輸出流量為80 L/min、仿真時間為1 s，仿真步長為0.01 s，其它參數(shù)設(shè)為默認(rèn)值，得到先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性曲線，如圖6。由圖6可知，主閥開啟的過渡時間為0.25 s，穩(wěn)定壓力為13.5 MPa，溢流量為79 L/min；先導(dǎo)閥開啟的過渡時間為0.17 s，壓力為11.9 MPa，溢流量為0.89 L/min。

圖6 先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)口壓力特性曲線

3.1 導(dǎo)閥阻尼孔對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響分析

圖7是導(dǎo)閥阻尼孔直徑分別為0.0001 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm時先導(dǎo)式溢流閥壓力、流量隨時間變化特性曲線。

圖7 導(dǎo)閥阻尼孔對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響

1)由圖7(a)可知，當(dāng)阻尼孔直徑為0.0001 mm時，相當(dāng)于阻尼孔直徑堵塞，無液壓油流經(jīng)導(dǎo)閥，導(dǎo)閥的進(jìn)口壓力及溢流量均為0 bar(L/min)；對于主閥來說，此時溢流量為0 L/min，進(jìn)口壓力為2513.99 MPa，平衡活塞9上下壓力相等，無壓差，溢流閥不工作。

2)由圖7(b)、(d)可知，當(dāng)阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之間變化時，主閥進(jìn)口壓力分別為15.39 MPa、14.25 MPa、13.54 MPa，響應(yīng)時間分別為0.01 s、0.05 s、0.02 s，過渡時間為0.04 s、0.05 s、0.19 s，壓力超調(diào)率分別15.6%、13.9%、3.4%；溢流量為79.53 L/min、79.08 L/min、79.02 L/min。得出結(jié)論：阻尼孔直徑越小，主閥進(jìn)口壓力越大、溢流量越大(但變化很小)、響應(yīng)越快、過渡時間越短、振蕩次數(shù)越少、壓力超調(diào)率越大。

3)由圖7(c)、(e)可知，當(dāng)阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之間變化時，導(dǎo)閥進(jìn)口壓力分11.63 MPa、11.86 MPa、11.87 MPa，響應(yīng)時間分別為0.1 s、0.12 s、0.13 s，過渡時間為0.14 s、0.15 s、0.22 s，壓力超調(diào)率約為45.4%、2.5%、1.8%；溢流量為0.4769 L/min、0.8894 L/min、0.9180 L/min。得出結(jié)論：阻尼孔直徑越小，導(dǎo)閥進(jìn)口壓力及溢流量幾乎無變化，壓力超調(diào)率越小，響應(yīng)越快，過渡時間越短。

綜上所述，導(dǎo)閥阻尼孔變化對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性穩(wěn)定性和響應(yīng)靈敏性影響較大，而對其壓力、流量大小影響較小。分析原因為：阻尼孔直徑越小，液壓油經(jīng)過導(dǎo)閥阻尼孔的壓力損失越大，主閥閥芯上下壓差越大，主閥能快速開啟實現(xiàn)溢流；但當(dāng)阻尼孔過小，甚至堵塞時，溢流閥上下壓差相等，溢流閥不工作，易引起電機及其他元件燒壞，甚至造成安全事故。

3.2 導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響分析

圖8為先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量分別為0.04 kg、0.06 kg、0.1 kg時先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性曲線。由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)可知導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量對主閥進(jìn)口壓力、溢流量、導(dǎo)閥進(jìn)口壓力幾乎沒有影響，但對導(dǎo)閥溢流量動態(tài)穩(wěn)定性影響較大。當(dāng)m=0.1 kg時壓力超調(diào)率為51%，過渡時間為0.4 s，振蕩次數(shù)較多；當(dāng)m=0.06 kg時壓力超調(diào)率為26%，過渡時間為0.27，振蕩次數(shù)相對質(zhì)量為0.1 kg時有所減少；當(dāng)m=0.04 kg時壓力超調(diào)率為17%，過渡時間為0.2 s，振蕩次數(shù)較少。得出結(jié)論：先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量越大，先導(dǎo)閥進(jìn)口壓力超調(diào)量越大、響應(yīng)緩慢、噪聲較大，穩(wěn)定性較差。

圖8 導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響

3.3 導(dǎo)閥彈簧剛度對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響分析

圖9為導(dǎo)閥彈簧剛度分別為20 N/mm、40 N/mm、80 N/mm時先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性曲線。由圖9(a)、圖9(b)可知導(dǎo)閥彈簧剛度決定先導(dǎo)式溢流閥開啟壓力，彈簧剛度越大，導(dǎo)閥進(jìn)口壓力、主閥進(jìn)口壓力越大(但變化不是很大)，壓力超調(diào)量越小，響應(yīng)越快，振蕩次數(shù)越少，穩(wěn)定性越好。由圖9(c)、圖9(d)可知，導(dǎo)閥彈簧剛度對主閥溢流量影響較小，而對導(dǎo)閥溢流量影響較大，導(dǎo)閥彈簧剛度越大其溢流量越大，壓力超調(diào)量越大，響應(yīng)越快，振蕩次數(shù)越少。

圖9 導(dǎo)閥閥芯彈簧剛度對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響

3.4 導(dǎo)閥預(yù)緊力的影響

圖10為導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力分別為80 N、100 N、120 N時先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性曲線。由圖10(a)、圖10(b)可知導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力決定先導(dǎo)式溢流閥開啟壓力，導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力越大，導(dǎo)閥進(jìn)口壓力、主閥進(jìn)口壓力越大。但導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力變化對壓力超調(diào)量、響應(yīng)時間、振蕩次數(shù)幾乎無影響。由圖10(c)、圖10(d)可知導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力對主閥溢流閥量影響較小，對導(dǎo)閥溢流量大小影響較大，導(dǎo)閥彈簧預(yù)緊力越大，導(dǎo)閥溢流量越大，而對穩(wěn)定性影響較小。

圖10 導(dǎo)閥預(yù)緊力對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性影響

4 結(jié)論

利用Amesim軟件構(gòu)建先導(dǎo)式溢流閥仿真模型，通過改變導(dǎo)閥的調(diào)壓彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、阻尼孔參數(shù)，模擬仿真在不同條件下先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性變化情況，分析出不同導(dǎo)閥參數(shù)對先導(dǎo)式溢流閥動態(tài)特性的影響，為先導(dǎo)式溢流閥的選用及結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供理論基礎(chǔ)。