電液換向閥的啟動動態特性分析★

李 優

（山西工程職業學院，山西 太原 030009）

方向控制閥作為液壓控制系統的重要組成元件，在系統工作介質的控制過程中起到關鍵作用，主要通過閥芯與閥體的多種配合方式改變油路，控制執行元件實現不同功能。隨著現代設備對液壓系統的可靠性和靈敏度提出越來越高的要求，換向閥的工作性能在系統的穩定性、動態響應、沖擊振動等方面均有較大影響，因此有必要分析換向閥的動態特性。

1 電液換向閥的工作原理

如圖1所示的二位三通插裝式電液換向閥結構原理圖，換向閥主閥的主要結構包括進回油閥套以及一、二級閥芯和復位彈簧，先導閥由一對小型球閥控制動作，主閥由一對順序啟動的閥芯控制[1]。電磁鐵通電后控制先導閥導通，高壓工作介質先后流過先導閥和控制口K到達主閥的控制容腔作用于主閥芯左側錐面[2]，在工作介質壓力作用下克服密封圈阻尼和流體壓力將一級閥芯推開，閥芯與閥座左側錐面配合，閥口T關閉；隨著主閥控制容腔的壓力不斷升高，當作用力超過復位彈簧的預緊力和閥芯右側工作介質作用力之和時二級閥芯導通，二級閥芯的開口度受回油閥套軸向錐面限制，高壓工作介質由閥口P進入閥口A，電液換向閥開啟[3]。電液換向閥的液壓系統工作壓力為31.5 MPa，主閥公稱流量Q=1 000 L/min。

圖1 電液換向閥結構原理圖

由一、二級閥芯的開啟過程可以發現，一級閥芯工作面積相對于二級閥芯面積較小，閥芯動作需要的外力更小，對進回油口的壓力更加敏感，動態響應特性較好，但也容易引起閥芯受力不平衡而產生閥芯振動；閥體與一、二級閥芯均采用間隙配合被嵌套在一條軸線內，兩級閥芯順序動作液壓沖擊小且結構緊湊，缺點是制造和裝配工藝要求高，閥芯工作時容易受徑向不平衡力、液動力和裝配精度等因素影響而偏心卡死；控制口在閥芯動作過程中起到阻尼孔的作用，孔的直徑對流體的流速和壓力損失有較大影響，尤其是二級閥芯導通需要較大的流量和壓力，因此有必要分析阻尼孔對主閥動態特性的影響。

2 電液換向閥的仿真模型

AMEsim是一個多學科領域復雜系統建模仿真平臺，在液壓領域的應用尤為廣泛。因此，使用該軟件搭建電液換向閥的仿真模型（見下頁圖2），并根據仿真結果從閥芯的位移、流體流速和壓力變化等方面分析換向閥的動態性能[4]。以典型的液壓缸伸出過程為模擬對象，研究換向閥的工作特性。由于研究的主要對象為電液換向閥主閥，所以對系統中的其他液壓元件使用仿真平臺設計好的標準元件，主要涉及的元件有單向閥、溢流閥、液壓缸、負載和液壓泵。使用力學信號源代替電磁鐵的動力輸入，使用球形元件模擬球閥，可限制行程的質量塊模擬先導閥芯的質量和開口度；使用固定腔活塞、球形閥口和可限制行程的質量塊模擬主閥芯1，用于模擬主閥的一級閥芯；使用帶彈簧活塞、球形閥口（帶銳邊閥座）、錐閥閥芯、可限制行程的質量塊和活塞模擬主閥芯2，用于模擬主閥的二級閥芯，確保先導閥的關鍵參數都能在仿真模型中予以模擬。根據國標規定和電液換向閥的結構參數設置仿真模型的參數，設定仿真總時長為0.5 s，模擬計算步長為0.005 s，設置好參數后開始仿真。

圖2 電液換向閥工作系統AMESim模型

3 仿真結果分析

圖3是一、二級閥芯的位移圖，由圖可知一級閥芯的開啟時間約為0.015 s，二級閥芯的導通時間約為0.14 s，二級閥芯的導通時間滯后約0.065 s。換向閥主閥的工作原理是，一、二級閥芯順序導通，主要由閥芯的結構和流體壓力決定，一級閥芯開啟后閥芯位移不斷增大至9 mm后停止，動作持續時間約0.03 s，此時閥口T關閉，二級閥芯導通后經過0.09 s完全打開，此時閥芯的口開度為8 mm，進回油口P－A導通，二級閥芯開啟速度比一級閥芯開啟速度慢，主要是進由于回油口導通后閥芯背壓增大、復位彈簧彈力增大以及密封圈非線性阻尼變化。

圖3一、二級閥芯的位移圖

圖4 為換向閥閥口流量，0.14 s時閥口流量開始增加，說明二級閥芯開始導通，0.2 s時閥口流量趨于穩定，穩定流量約為1 020 L/min，而此時二級閥芯的開口度約4 mm，說明閥口流量在二級閥芯打開至約50.0%時不再變化。圖5為閥口流量峰值部分放大圖，由圖可知閥口峰值流量約1 290 L/min，閥口流量超調量約26.5%，峰值流量較閥的設計流量超出較多，且閥芯導通過程中伴隨較為明顯的振動現象，在0.18 s時振動得到有效緩解，此時閥芯開口度約2.8 mm，由此可知閥芯振動的主要原因是在開口度較低（低于35.0%）時閥口壓力與控制腔壓力波動造成閥芯受力突變引起的，控制腔容積突然增大時流體由于阻尼口的限制作用而不能及時得到補充，造成腔內流體壓力降低，二級閥芯受到的推力減弱，控制腔流體、閥芯與進回液口流體互相耦合而引發振動。

圖4 換向閥閥口流量圖

圖5閥口流量峰值部分放大圖

圖6 為換向閥主閥的出口壓力圖，閥口壓力在0.148 s時激增至27.1 MPa（271 bar），此時閥芯的位移約0.5 mm（開口度占全行程約6.25%），隨后閥芯產生振動現象，經歷0.035 s后閥芯的位移約2.7 mm，閥口壓力穩定在25.0 MPa（250 bar）附近，此后閥口壓力、流量均不再變化，換向閥穩定導通。閥口壓力超調量約為8.4%，較高的壓力沖擊容易使閥芯和閥座受到損傷，同時頻繁的振動容易加速縮短密封圈的使用壽命。

圖6 主閥出口壓力圖

分析發現：閥口開度在0.5~2.8 mm（占全行程約6.25%~35.0%）時閥芯產生沖擊和振動，主要原因是閥口壓力與控制腔壓力波動；進回油P-A口流量在閥芯位移為4 mm（占全行程約50.0%）后就不再變化，說明閥口流量與閥芯開口度存在階段性關系，需要后期通過試驗予以驗證。

4 控制口直徑的影響

換向閥控制孔的尺寸會影響油液進入控制腔的流量和壓力分布，最終在與閥芯、閥口流體壓力的耦合過程中產生不同的動態特性，對控制孔直徑分別為0.6 mm、1.0 mm、1.2 mm進行分析，改變控制孔的直徑參數后進行仿真，并把三種情況下的同種仿真結果合并到同一張圖上對比分析。

圖7為不同控制孔直徑下的閥芯位移圖，由圖可知，控制孔直徑越小二級閥芯的開啟時間越長，且閥芯的動作速度也會明顯減慢，閥芯完成開啟的時間也進一步延長。不同控制孔直徑下的閥芯速度分布可由圖8進一步得出，控制口直徑約1 mm時閥芯速度在0.09 m/s附近波動，控制口直徑為0.6 mm時閥芯速度在0.05 m/s附近波動，三種情況下閥芯均出現振動現象，控制口直徑越小閥芯振動幅度越小，且越容易趨于穩定，說明較小的控制口直徑容易保持閥芯啟動過程穩定，但也會犧牲閥芯的開啟時間。

圖7 不同控制孔直徑下的閥芯位移圖

圖8 不同控制孔直徑下的閥芯速度圖

圖9為不同控制孔直徑下的閥芯流量分布圖，分析發現，控制孔的直徑對換向閥的閥口流量變化情況沒有明顯影響，而是通過影響閥芯的開啟時間來影響流量。

圖9 不同控制孔直徑下的閥芯流量分布圖

綜上分析發現控制孔的直徑主要影響換向閥二級閥芯的啟動響應時間，同時還影響閥芯的振動劇烈程度和恢復穩定時間，較大的控制孔直徑容易引起控制腔壓力突變，加劇閥芯振動和沖擊，導致換向閥元件產生沖擊破壞。通過科學分析結合產品設計目標選擇合理的控制孔直徑是一種延長換向閥使用壽命、提高閥動態特性的有效措施。

5 結語

電液換向閥作為液壓系統的重要組成元件，動態性能對整個系統的工作穩定性和可靠性有較大影響，有必要進一步提高對系統內關鍵元件的研究力度，尤其是通過合理詳實的分析確定元件上各個組成部分的最優參數。