鍋爐蛇形管彎管機用電液換向閥液動力影響因素仿真分析

胡旭明，劉昱杰

(中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

0 引言

蛇形管彎管機是國內首次自行設計制造的計算機數字控制的蛇形管左右回轉式頂鐓彎管機，是加工大型電站鍋爐的重要設備。該機采用液壓傳動及伺服與PC控制技術，自動完成送料、夾緊和彎管加工[1]。其主要工作部分液壓伺服控制回路控制精度決定于關鍵元件電液換向閥的性能。電液比例換向閥是電液比例系統中重要的液壓元件，主要用于控制液壓系統的流量，使輸出流量與輸入的電信號成比例。當需要液壓系統的流量精確跟隨控制信號變化時,液動力成了關鍵影響因素[2-3]。國內外許多學者對液動力進行了深入研究。吳小鋒等[4]通過計算流體動力學方法對液壓換向閥受到的瞬態液動力進行研究,以減小噪聲因子對瞬態液動力的影響; KRISHNASWAMY K等[5]對大流量多位電液換向閥的液動力進行研究,通過理論、CFD 仿真和試驗相結合的方法,利用液動力來提高電液換向閥的靈敏性。劉曉紅等[6]建立了具有配合間隙的閥芯CFD 模型,仿真與試驗結果表明,流體在滑閥節流口的能量損失會使油溫升高、閥芯膨脹,閥芯與閥體之間的配合間隙減小,最終導致閥芯卡滯。綜上,學者們對于定量分析徑向間隙等關鍵參數對電液比例換向閥液動力的影響研究較少。

鑒于此，本文以鍋爐蛇形管彎管機用電液換向閥為例，建立其仿真模型，仿真分析了不同徑向間隙等參數對閥液動力的影響。

1 電液換向閥工作原理

圖1為電液換向閥結構圖。先導閥采用兩個三通比例減壓閥。工作時，先導閥接受外加電信號并由比例放大器放大，作用在比例電磁推桿上，所形成的先導推力驅動先導閥芯移動，先導油源經先導閥輸出液壓力，進而驅動主閥芯軸向運動，直到主閥液動力與彈簧力平衡，主閥芯靜止，其位移比例與電磁鐵輸入電流成比例。當主閥液動力因為外加負載變化而發生變化時，主閥受控腔將壓力變化反饋至先導閥，先導閥通過其壓力補償作用，調節先導閥節流口面積大小來穩定受控即先導閥出口壓力，進而使系統流量穩定。

1—主閥彈簧；2—受控腔；3—主閥芯；4—閥體調節閥；5—電磁鐵；6—先導閥閥芯；7—先導閥閥體。

2 考慮徑向間隙的液動力方程推導

研究表明，實際穩態液動力受徑向間隙和工作邊圓角的影響，徑向間隙和工作邊圓角使閥口的過流面積增大，從而使液動力增大。

圖2為電液比例閥閥口示意圖。

圖2 電液比例閥閥口示意圖

在不考慮徑向間隙時，滑閥閥口的有效通流面積為

A1=πdsΔx

(1)

考慮徑向間隙時滑閥閥口的有效通流面積為[7]

(2)

式中：rc為圓角半徑；dc為閥芯和閥套之間的間隙；d為閥套直徑；Δx為閥負重疊量。

本例中，以電磁鐵a得電，B口減壓，A口回油；電磁鐵b得電，A口減壓，B口回油運行工況為例，可得出考慮間隙的液動力方程：

(P-PB)cosθ

(3)

3 建模及仿真分析

3.1模型建立

根據電液換向閥的工作原理，利用AMESim[8]仿真軟件，建立閥及回路AMESim仿真模型，如圖3所示。

圖3 電液換向閥換向回路AMEsim模型

3.2 參數設置

在AMESim參數模式下，根據閥實際結構，設定閥參數如表1所示。其他參數保持默認。

表1 參數設置表

3.3 仿真分析

設定先導閥的電磁鐵a輸入信號在0～10 s為30 Hz。設置仿真時間為10 s，仿真步長為0.01 s，進行仿真分析，得到液壓缸速度曲線如圖4所示。

圖4 液壓缸速度曲線

液壓缸運動速度計算公式為

(4)

將表1中液壓缸活塞直徑25 mm代入式(4)，計算得出液壓缸的運動速度為0.153 m/s，仿真結果與之基本一致，證明了所建立模型的正確性和精確性。

1)徑向間隙對閥液動力響應影響分析

通過AMESim批處理功能，設定主閥徑向間隙分別為0.01 mm、0.05 mm、0.10 mm、0.50 mm進行仿真，得到不同徑向間隙下主閥閥芯所受液動力變化曲線如圖5所示。由仿真結果可以看出，隨著系統設定主閥徑向間隙增加，主閥液動力逐漸增加，間隙由0.01 mm增加到0.50 mm時，主閥液動力由0.029 N增加到0.032 N。同時隨著徑向間隙的增加，在階躍響應信號輸入下，主閥液動力瞬時峰值也有所增加。

圖5 不同徑向間隙下液動力變化曲線

2)主閥閥套直徑對閥液動力影響分析通過AMEsim批處理功能，設定主閥閥套直徑分別為20 mm、15 mm、10 mm，主閥徑向間隙為0.1 mm進行仿真，得到不同閥套直徑下主閥液動力變化曲線如圖6所示。由仿真結果可以看出，當主閥徑向間隙一致，隨著主閥閥套直徑的降低，主閥液動力急劇增加，主閥閥套直徑由20 mm降低到10 mm時，主閥液動力由0.029 N增加至0.794 N。

圖6 不同主閥閥套直徑下液動力曲線

3)系統流量對閥液動力影響分析

通過AMESim批處理功能，設定系統的流量分別為4.5 L/min、9.0 L/min、13.5 L/min、45.0 L/min，徑向間隙為0.1 mm，閥套直徑為20 mm，進行仿真，得到不同系統流量下主閥液動力變化曲線如圖7所示。由仿真結果可以看出，當主閥徑向間隙一致，隨著系統流量的增加，主閥液動力急劇增加，系統流量由4.5 L/min增加到45.0 L/min時，主閥液動力由0.029 N增加至1.99 N。

圖7 不同系統流量時主閥液動力曲線

4 結語

本文針對穩態液動力影響電液換向閥響應時間、換向精度等主要性能參數的問題，以鍋爐蛇形管彎管機用電液換向閥為例，推導并建立了考慮徑向間隙液壓動力方程，并利用AMESim建立其仿真模型，仿真分析了不同徑向間隙，閥套直徑、系統流量對閥液動力的影響。得到如下研究結果。

1)隨著系統設定主閥徑向間隙增加，主閥液動力逐漸增加，間隙由0.01 mm增加到0.50 mm時，主閥液動力由0.029 N增加到0.032 N。

2)隨著主閥閥套直徑的降低，主閥液動力急劇增加，主閥閥套直徑由20 mm降低到10 mm時，主閥液動力由0.029 N增加至0.794 N。

3)隨著系統流量的增加，主閥液動力急劇增加，系統流量由4.5 L/min增加到45.0 L/min時，主閥液動力由0.029 N增加至1.99 N。

研究結果為電液換向閥的優化設計和研究提供了一定的理論依據。