農(nóng)機用先導(dǎo)式減壓閥建模及故障仿真研究

摘 要：闡述農(nóng)機常用先導(dǎo)式減壓閥工作原理，利用AMESim軟件建立閥的仿真模型，仿真分析主閥阻尼孔堵塞、主閥閥芯卡滯、先導(dǎo)閥彈簧疲勞等常見故障工況下先導(dǎo)式減壓閥工作時的動態(tài)特性。仿真結(jié)果表明：應(yīng)用AMESim軟件仿真能夠真實地模擬先導(dǎo)式減壓閥實際工作時的各類故障響應(yīng)，為快速、準(zhǔn)確地診斷先導(dǎo)式減壓閥及類似液壓元件故障提供一種新的方法與依據(jù)，大大降低了故障診斷時間，提高了整機工作效率。

關(guān)鍵詞：AMESim；先導(dǎo)式減壓閥；故障分析；建模仿真

中圖分類號：TH391.9文獻標(biāo)志碼：B文章編號：1671-5276（2024）03-0177-04

Modeling and Fault Simulation Reserch on Agriculture Pilot Pressure Reducing Valve Based on AMESim

Abstract：The working principle of pilot reducing valve used in agricultural machinery is described. The simulation model of pilot reducing valve is established by AMESim， and the its dynamic characteristics are analyzed under common failure conditions， such as main valve damping hole blockage， main valve spool stuck and pilot valve spring fatigue. The simulation results show that the AMESim software can simulate all kinds of fault responses of pilot valve in actual operation， which provides a new method and basis for diagnosing the faults of pilot valve and similar hydraulic components quickly with accuracy， greatly reducing the fault diagnosis time and improving the working efficiency of the whole machine.

Keywords：AMESim; pilot type pressure reducing valve; fault analysis; modeling and simulation

0 引言

液壓技術(shù)的日益成熟，使其在薯類收獲機、插秧機等農(nóng)業(yè)機械中的應(yīng)用越來越廣泛。先導(dǎo)式減壓閥是液壓系統(tǒng)中最常用的關(guān)鍵液壓元件之一，其通過液壓壓力與先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧相作用來調(diào)定系統(tǒng)的壓力，液體壓力與主閥穩(wěn)壓彈簧相作用來穩(wěn)定系統(tǒng)壓力，主要用于中、高壓系統(tǒng)中，起到減壓、穩(wěn)壓等作用［1-2］。其性能的優(yōu)劣直接影響著液壓系統(tǒng)的性能及品質(zhì)，進而影響到整機的性能。然而，因為農(nóng)業(yè)機械工作環(huán)境惡劣，對環(huán)境敏感的先導(dǎo)式減壓閥在工作當(dāng)中故障率高［3-4］，因此對先導(dǎo)式減壓閥故障理論分析及研究意義重大。

鑒于此，本文在對先導(dǎo)式減壓閥工作原理分析的基礎(chǔ)上，利用AMESim軟件建立閥的仿真模型，仿真分析了阻尼孔堵塞、閥芯卡滯、彈簧疲勞等常見故障工況下先導(dǎo)式減壓閥工作時的動態(tài)特性。仿真結(jié)果表明，應(yīng)用AMESim軟件仿真能夠真實地模擬先導(dǎo)式減壓閥實際工作時的各類故障響應(yīng)，為先導(dǎo)式減壓閥的故障診斷及預(yù)測研究提供理論參考。

1 先導(dǎo)式減壓閥工作原理及數(shù)學(xué)模型

先導(dǎo)式減壓閥結(jié)構(gòu)及圖形符號如圖1所示。

由圖1工作時， 液壓力同時作用于主閥芯及先導(dǎo)錐閥的左側(cè)壓力面上。 當(dāng)先導(dǎo)閥錐閥未打開時， 閥腔中油液沒有流動， 作用在主閥芯上下兩個方向的壓力相等， 主閥芯在穩(wěn)壓彈簧作用下處于最下端位置， 閥口全開。當(dāng)進油壓力增大到使先導(dǎo)閥閥芯打開時，液流通過主閥芯上的阻尼孔流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用， 使主閥芯所受的上下兩個方向的液壓力不相等， 主閥芯在壓差的作用下上移，閥口減小，出口壓力減小，直至與先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧調(diào)定值相等。

2 AMESim建模及仿真研究

2.1 模型建立

根據(jù)先導(dǎo)式減壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理，利用AMESim仿真軟件［5-7］建立先導(dǎo)式溢流閥仿真模型如圖2所示。

2.2 參數(shù)設(shè)置

根據(jù)先導(dǎo)式減壓閥實際結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)定系統(tǒng)主要元件AMESim各模塊的參數(shù)如表1所示。

2.3 仿真研究

1）仿真驗證分析

如圖3所示，設(shè)定可變節(jié)流口輸入信號0～10 s內(nèi)由1.0線性降低到0.2來模擬負載的變化，恒壓0～10 s內(nèi)為30MPa，仿真時間為10s，仿真步長為0.005s。仿真后得到先導(dǎo)式減壓閥進、出油口壓力、節(jié)流閥通流面積曲線如圖4所示。

由圖4仿真結(jié)果可知，減壓閥進口的壓力恒為30MPa，可變節(jié)流口通流面積隨著輸入信號的降低，由28.3mm2降低到6.3 mm2，即減壓閥出口遇到的負載逐漸減小，而減壓閥出口壓力基本穩(wěn)定在12.3MPa，仿真結(jié)果與實際工況一致。

減壓閥壓力計算公式為

P=F/A（1）

式中A為先導(dǎo)閥閥芯面積。

將表1中主閥彈簧預(yù)緊力F為465N、先導(dǎo)閥閥芯直徑7mm代入式（1），計算得出減壓閥出口穩(wěn)定壓力為12.1MPa，與仿真結(jié)果基本一致，證明了所建立模型的正確性和精確性。

2）主閥上腔阻尼孔堵塞故障工況

先導(dǎo)式減壓閥正常工況時主閥阻尼孔直徑設(shè)定為2mm，主閥阻尼孔直徑設(shè)定為0.01mm來模擬主閥阻尼孔堵塞故障工況，仿真時間為10s，仿真步長0.01s。利用AMESim批處理功能，仿真得到兩種阻尼孔直徑下減壓閥的出口壓力隨時間變化曲線如圖5所示。

由圖5得知：主閥阻尼孔堵塞故障工況時，由于主閥上腔阻尼孔堵塞，先導(dǎo)閥不起調(diào)壓作用，出口壓力直接與主閥平衡彈簧相作用，致使主閥出口壓力在0MPa和20MPa之間附近震蕩，與實際故障工況基本一致。

3）主閥閥芯卡死故障工況

設(shè)置先導(dǎo)式減壓閥正常工況時主閥閥芯下極限位移為0mm，上極限位移為2mm，主閥閥芯下極限位移為0mm，上極限位移設(shè)置為0mm來模擬主閥閥芯卡死故障工況。利用AMESim批處理功能，仿真得到兩種工況下主閥芯位移減壓閥出口壓力隨時間變化曲線如圖6所示。

由圖6得知：主閥芯卡死故障工況時，閥芯處于全開狀態(tài)，致使主閥出口壓力為29.7MPa，與實際故障工況基本一致。

4）先導(dǎo)閥彈簧疲勞變軟故障工況

設(shè)定先導(dǎo)式減壓閥正常工況時彈簧剛度為10N/mm，先導(dǎo)閥彈簧剛度設(shè)定為0.1N/mm來模擬先導(dǎo)閥彈簧疲勞變軟故障工況。利用AMESim批處理功能，仿真得到兩種工況下減壓閥的出口壓力隨時間變化曲線如圖7所示。

由圖7得知：由于彈簧疲勞變軟導(dǎo)致彈簧剛度降低，先導(dǎo)閥閥口壓力穩(wěn)定性降低進而引起主閥閥口壓力的震蕩，與實際故障工況基本一致。

3 結(jié)語

本文在對先導(dǎo)式減壓閥工作原理分析的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)建立了閥的數(shù)學(xué)模型，利用AMESim仿真模型，分析了主閥阻尼孔堵塞、主閥閥芯卡滯、先導(dǎo)閥彈簧疲勞等常見故障工況下先導(dǎo)式減壓閥工作時的動態(tài)特性，得到如下結(jié)論：

1）主閥上腔阻尼孔堵塞，先導(dǎo)閥不起調(diào)壓作用，出口壓力直接與主閥平衡彈簧相作用，致使主閥出口壓力在0MPa和20MPa之間震蕩；

2）閥芯卡死故障工況時，閥芯處于全開狀態(tài)，致使主閥出口壓力為29.7MPa；

3）先導(dǎo)閥彈簧疲勞變軟故障工況時，導(dǎo)致先導(dǎo)閥閥口壓力穩(wěn)定性降低進而引起主閥閥口壓力的震蕩。

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