基于正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)的先導(dǎo)式比例減壓閥動態(tài)特性優(yōu)化

任 恒，袁紅兵，廉自生，廖瑤瑤

(1.太原理工大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.太原理工大學(xué) 煤礦綜采裝備山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

引言

減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓力損失，使其出口壓力低于進(jìn)口壓力控制閥[1]。根據(jù)調(diào)節(jié)要求的不同，減壓閥可分為定值減壓閥、定比減壓閥和定差減壓閥[2]。減壓閥廣泛應(yīng)用在工程機(jī)械、石油化工、自動生產(chǎn)等領(lǐng)域中，因此減壓閥成為學(xué)者們不斷研究的對象。羅宏博等[3]對先導(dǎo)式減壓閥進(jìn)行了動靜態(tài)特性分析，得出了固定阻尼孔直徑對減壓閥出口壓力無明顯影響的結(jié)論。董建文等[4]通過對不同的彈簧預(yù)緊力、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、阻尼孔直徑和初始開口度進(jìn)行動態(tài)特性仿真，得到了減壓閥合理的工藝參數(shù)，提高了減壓閥的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性與快速性。溫彬等[5]在對直動式比例減壓閥的仿真分析中發(fā)現(xiàn)閥座孔直徑的增大會加大比例閥的死區(qū)，動態(tài)特性變差。鄧攀等[6]利用數(shù)值模擬的方法深入分析了阻尼孔直徑與先導(dǎo)入口腔容積對比例減壓閥動靜態(tài)特性的影響。分析認(rèn)為選擇合適的固定阻尼孔直徑可實(shí)現(xiàn)減壓閥響應(yīng)加快，輸出壓力平穩(wěn)的目標(biāo)；適當(dāng)增大先導(dǎo)閥入口腔容積能提高閥的抗干擾性，但響應(yīng)會有所變慢。同時還有學(xué)者利用π型液橋的優(yōu)點(diǎn)提高了減壓閥的穩(wěn)定性[7]。但大多數(shù)學(xué)者是對單個結(jié)構(gòu)參數(shù)對減壓閥動靜態(tài)特性的影響規(guī)律進(jìn)行了仿真與試驗(yàn)研究，少有學(xué)者進(jìn)行多因素多指標(biāo)的分析研究。然而，減壓閥的動靜態(tài)特性變化規(guī)律是眾多因素共同作用的結(jié)果，單獨(dú)分析1個因素的影響規(guī)律不全面也不精確。因此，本研究以帶有流量穩(wěn)定器壓力間接檢測型先導(dǎo)式比例減壓閥為研究對象，采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真分析的方法，以兩個位置的阻尼孔直徑、彈簧剛度為影響因素，以減壓閥的超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應(yīng)時間作為評價(jià)指標(biāo)，研究了多個因素對減壓閥動態(tài)特性的影響規(guī)律，并進(jìn)行了減壓閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后的減壓閥動態(tài)綜合特性有顯著提高。

1 先導(dǎo)式比例減壓閥結(jié)構(gòu)與原理

1.1 減壓閥結(jié)構(gòu)與原理

圖1為常閉型先導(dǎo)式比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖，主要由集成式放大器、比例電磁鐵、先導(dǎo)閥、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器、主閥組成，圖2是根據(jù)比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖簡化的工作原理圖。

1.閥體 2.進(jìn)油口 3.工作口 4.卸油口 5.先導(dǎo)流量穩(wěn)定器 6.先導(dǎo)閥 7.比例電磁鐵 8.集成式放大器 9.傳力彈簧 10.錐閥芯 11.彈簧 12.錐閥座 13.主閥芯 14.復(fù)位彈簧圖1 先導(dǎo)式比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 先導(dǎo)式比例減壓閥工作原理圖

比例減壓閥初始狀態(tài)時，錐閥芯在彈簧的作用下被打開，主閥芯在復(fù)位彈簧的作用下關(guān)閉。當(dāng)集成式放大器沒有電信號輸入時，壓力油不能從主閥的進(jìn)口流向出口，只能經(jīng)先導(dǎo)流量穩(wěn)定器進(jìn)入先導(dǎo)閥，由于先導(dǎo)閥處于打開狀態(tài)，則壓力油回油箱。此時先導(dǎo)級輸出的壓力p2不能推動主閥芯移動，主閥仍關(guān)閉，此時比例減壓閥沒有壓力調(diào)節(jié)功能。當(dāng)集成式放大器輸入電信號不斷增大時，比例電磁鐵通電經(jīng)傳力彈簧輸出的推力也不斷增大，錐閥芯與錐閥座之間的間隙被逐漸關(guān)小，先導(dǎo)級輸出壓力p2從而逐漸增大，直到推動主閥芯移動主閥打開，使壓力油從主閥進(jìn)口流入實(shí)現(xiàn)減壓，輸出壓力為p1的壓力油再從出口流向負(fù)載。主閥被打開后比例減壓閥工作原理同常開型。

1.2 比例減壓閥中的先導(dǎo)流量穩(wěn)定器

先導(dǎo)流量穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它實(shí)際是1個按B型半橋原理工作的定值流量控制閥[8]。先導(dǎo)流量穩(wěn)定器由2個液阻構(gòu)成，活塞上的小孔為固定液阻R0，軸向移動活塞末端4個小孔與殼體徑向流道構(gòu)成可變液阻R1。當(dāng)進(jìn)口壓力pa升高時，活塞左右兩端原有的平衡被打破，液壓力升高推動活塞向右移動，活塞末端小孔與流道間的開口減小，可變液阻R1增大。由于活塞向右移動，活塞右側(cè)內(nèi)腔體積變小，壓力pc增大，固定液阻R0前后的壓差(pa-pc)保持不變，從而保證流過固定阻尼孔R0與可變阻尼孔R1的流量不變。當(dāng)pa減小時pc也減小，R0的前后壓差與流量基本保持不變。因此，在進(jìn)口壓力波動的情況下，先導(dǎo)流量穩(wěn)定器能夠很好的保證流入先導(dǎo)閥流量穩(wěn)定[9]。

圖3 先導(dǎo)流量穩(wěn)定器

2 先導(dǎo)式比例減壓閥的建模

根據(jù)上述減壓閥的結(jié)構(gòu)與原理，在AMESim中運(yùn)用HCD庫與Mechanical庫建立比例減壓閥的模型。主要包括比例電磁鐵、先導(dǎo)閥、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器、三通滑閥4部分，仿真模型如圖4。圖中R2為先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔，R4為主閥芯阻尼孔。表1中數(shù)據(jù)為比例減壓閥仿真時所需要的基本參數(shù)。

圖4 先導(dǎo)式比例減壓閥AMESim模型

3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)與數(shù)據(jù)分析

3.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)法是利用一套標(biāo)準(zhǔn)化的正交表，采用均衡分散、整齊可比的設(shè)計(jì)原則，科學(xué)地安排和分析多因素問題試驗(yàn)的一種數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法[10]。利用正交試驗(yàn)法只需進(jìn)行較少的試驗(yàn)次數(shù)，就能對多因素同時進(jìn)行考察，既能找出最優(yōu)的試驗(yàn)方案又能分析出各個因素對試驗(yàn)結(jié)果的影響程度。

表1 先導(dǎo)式比例減壓閥仿真基本參數(shù)

影響減壓閥動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，如阻尼孔直徑、彈簧剛度、初始預(yù)緊力、閥芯節(jié)流槽大小與形狀等。綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對比例減壓閥動態(tài)特性的影響，本研究選取先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、主閥芯阻尼孔直徑、彈簧剛度為正交試驗(yàn)影響因素，分別用A，C，D代表，每個因素選取3個水平。各試驗(yàn)因素與水平見表2所示。評價(jià)比例減壓閥動態(tài)特性的指標(biāo)有許多，其中輸出壓力超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應(yīng)時間最具有代表性，所以本研究選取這3個指標(biāo)做為正交試驗(yàn)的評價(jià)指標(biāo)。在不考慮因素間的交互作用下，按L9(34)設(shè)計(jì)了三因素三水平正交試驗(yàn)表，具體試驗(yàn)安排見表3所示。

表2 試驗(yàn)因素與水平表

表3 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)表

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果與分析

按照9種正交試驗(yàn)方案進(jìn)行仿真后的試驗(yàn)結(jié)果見表4。對于正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理，本研究采用實(shí)用直觀且簡單的極差分析方法與對多指標(biāo)綜合評價(jià)的綜合評分分析法。

表4 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果表

表5為各試驗(yàn)指標(biāo)的極差分析結(jié)果，從表5可以看出3個因素對超調(diào)量影響程度的主次順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度，對穩(wěn)定時間與響應(yīng)時間的影響程度主次順序相同，都為先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、主閥芯阻尼孔直徑、彈簧剛度。

圖5～圖7為各因素對各試驗(yàn)指標(biāo)的影響示意圖，分析認(rèn)為：主閥芯阻尼孔直徑對超調(diào)量有顯著影響。隨著主閥芯阻尼孔直徑的減小，比例減壓閥輸出壓力超調(diào)量明顯減小。這是因?yàn)楫?dāng)主閥芯阻尼孔直徑較小時，主閥開啟后經(jīng)過較小阻尼孔所產(chǎn)生的壓降較大，主閥反饋腔所受的壓力沖擊減小，則表現(xiàn)為輸出壓力超調(diào)量減小，但此時比例減壓閥穩(wěn)定時間、響應(yīng)時間都略大[11-12]。先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑的增大能降低減壓閥的響應(yīng)時間，減小超調(diào)量。這是因?yàn)橄葘?dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑增大時，通過先導(dǎo)流量穩(wěn)定器的流量增大，進(jìn)入先導(dǎo)閥的流量增加，反向推動主閥芯打開主閥的時間縮短，比例減壓閥響應(yīng)因此提高[13]。彈簧剛度在所選水平對試驗(yàn)指標(biāo)的影響中均出現(xiàn)了最小值，剛度增大或減小都將會引起比例減壓閥響應(yīng)時間、穩(wěn)定時間和超調(diào)量的增加，因此彈簧剛度的選擇要適中。

圖5 各因數(shù)對超調(diào)量的影響示意圖

圖6 各因數(shù)對穩(wěn)定時間的影響示意圖

表5 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果極差分析表

圖7 各因數(shù)對響應(yīng)時間的影響示意圖

對于多指標(biāo)的正交試驗(yàn)中常對數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合評價(jià)，本研究采用綜合加權(quán)評分的方法對減壓閥的動態(tài)特性進(jìn)行綜合評價(jià)，綜合加權(quán)評分公式如下[14]：

Yi=mi1ni1+mi2ni2+…+mijnij

(1)

式中，Yi—— 綜合評分

mij—— 指標(biāo)系數(shù)

nij—— 試驗(yàn)指標(biāo)值，下標(biāo)i，j表示第i組試驗(yàn)的第j個指標(biāo)值

根據(jù)要求超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應(yīng)時間的權(quán)重比為：5 ∶3 ∶2。故各組試驗(yàn)的綜合評分計(jì)算公式為：

Yi=5ni1+3ni2+2nij

(2)

各指標(biāo)結(jié)果經(jīng)綜合評分計(jì)算后的數(shù)據(jù)見表4，從表中可以看出4號試驗(yàn)與7號的試驗(yàn)綜合評分較低，符合要求。

表6為各指標(biāo)綜合評分極差分析結(jié)果，從表中可以得到：3個因素對減壓閥動態(tài)綜合特性影響程度的主次順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度。

表6 正交試驗(yàn)仿真結(jié)果綜合評分極差分析表

圖8為3個因素對綜合評分的影響示意圖，綜合評分隨先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑的增大而降低，隨主閥芯阻尼孔直徑的增大而增大。彈簧剛度所選水平中綜合評分出現(xiàn)了最小值。各因素對綜合評分的影響趨勢類似與對超調(diào)量的影響趨勢，這是超調(diào)量在綜合評分中所占權(quán)重大的原故。由圖5可以得出最優(yōu)試驗(yàn)組合為A3C1D2，即先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm。

圖8 各因素對綜合因素評分的影響示意圖

4 優(yōu)化結(jié)果的仿真驗(yàn)證

經(jīng)過上述計(jì)算與分析，確定了比例減壓閥優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用建立好的模型對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的比例減壓閥進(jìn)行仿真驗(yàn)證，驗(yàn)證該條件下比例減壓閥動態(tài)綜合特性是否最優(yōu)。圖9為比例減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出壓力動態(tài)特性圖，表7是結(jié)構(gòu)參數(shù)、試驗(yàn)指標(biāo)、綜合評分對比表。結(jié)合圖9與表7可以看出優(yōu)化后的比例減壓閥超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)定時間與響應(yīng)時間略有變大，但比例減壓閥穩(wěn)定時輸出壓力有所提高，動態(tài)綜合特性有顯著改善。對于比例減壓閥優(yōu)化后響應(yīng)時間的變大，可以通過調(diào)整放大器，對比例閥的死區(qū)進(jìn)行補(bǔ)償縮短減壓閥的響應(yīng)時間。因此，最終確定比例減壓閥優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)是先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm。

圖9 減壓閥輸出壓力動態(tài)特性曲線

表7 比例減壓閥參數(shù)優(yōu)化對比表

5 結(jié)論

本研究通過正交試驗(yàn)與仿真分析的方法對比例減壓閥動態(tài)特性進(jìn)行了優(yōu)化，得出了以下結(jié)論:

(1) 3個影響因素對比例減壓閥動態(tài)綜合特性的影響順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度；

(2) 利用正交試驗(yàn)與數(shù)值模擬得到了比例減壓閥在起始輸出壓力超調(diào)量小、平穩(wěn)壓力不減要求下的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是先導(dǎo)流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm；

(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的比例減壓閥起始輸出壓力超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)定壓力略有增加，動態(tài)綜合特性明顯改善與優(yōu)化前相比比例減壓閥超調(diào)量降低了185.57%。