馮喆 謝紅梅 梁策

摘 要：為了提高一種用于液壓缸過(guò)載保護(hù)的先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度，本文在研究先導(dǎo)式溢流閥工作原理的基礎(chǔ)上，運(yùn)用液壓仿真軟件AMESim對(duì)溢流閥進(jìn)行了仿真分析，分析了影響溢流閥響應(yīng)速度的因素，并提出了提高先導(dǎo)式溢流閥響應(yīng)速度的措施。通過(guò)優(yōu)化，使先導(dǎo)式溢流閥的開啟時(shí)間由0.0545 s降低至0.0135 s，效果明顯，對(duì)于先導(dǎo)式溢流閥的設(shè)計(jì)有一定的理論指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：響應(yīng)速度 先導(dǎo)式溢流閥 AMESim 仿真優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TH137 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2014）04（a）-0064-04

先導(dǎo)式溢流閥是液壓系統(tǒng)中的一個(gè)重要的部件，其響應(yīng)速度直接影響液壓系統(tǒng)的性能。先導(dǎo)式溢流閥閥組參數(shù)的選取與匹配是溢流閥設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容，直接影響到先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度。本文通過(guò)分析先導(dǎo)式溢流閥的工作原理，通過(guò)AMESim仿真分析的方法對(duì)先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行優(yōu)化分析，得出了一系列可供參考的數(shù)據(jù)，為先導(dǎo)式溢流閥的優(yōu)化提供了一定的理論參考。

1 先導(dǎo)式溢流閥的工作原理

本文介紹的為一種用于大型液壓機(jī)的溢流閥，在液壓機(jī)工作過(guò)程中，難免會(huì)產(chǎn)生超載現(xiàn)象，當(dāng)一旦超載，需要高靈敏性溢流閥對(duì)其液壓回路實(shí)現(xiàn)快速卸荷，以免對(duì)設(shè)備產(chǎn)生重大的破壞。

大型液壓機(jī)的卸荷系統(tǒng)具有高壓、大流量的特點(diǎn)，因此，一般采用的是插裝閥，圖1所示為插裝閥主閥結(jié)構(gòu)圖。閥芯的運(yùn)動(dòng)是由油口A、油口B液壓壓強(qiáng)所產(chǎn)生的力，控制腔X的液壓力，彈簧的彈力以及摩擦阻尼等合力所決定，通過(guò)控制控制腔X，可以對(duì)先導(dǎo)式溢流閥實(shí)現(xiàn)方向、壓力、流量等控制。

圖2為此溢流閥的先導(dǎo)閥的部分結(jié)構(gòu)。1處是此先導(dǎo)閥的控制腔，由于此溢流閥的高壓特點(diǎn)，因此在1處還接有遠(yuǎn)程控制口，為先導(dǎo)閥提供背壓；2處接主閥的控制腔X；3處為先導(dǎo)閥的卸荷油口；4處為高壓油路接入端；5處為先導(dǎo)閥的一個(gè)通孔，目的是防止過(guò)高的壓力使先導(dǎo)閥閥芯產(chǎn)生過(guò)大的徑向力。

圖3即為此先導(dǎo)式溢流閥的液壓原理圖，A為主供油口，為液壓油路提供主要供應(yīng)，B處為保壓油路，即通過(guò)小流量泵為先導(dǎo)閥提供一定的背部壓力，C為阻尼孔，D為高壓油路，E為液壓缸。當(dāng)液壓缸內(nèi)部壓力急劇增大，先導(dǎo)閥高壓油接入端產(chǎn)生的力便會(huì)增大，當(dāng)此力大于先導(dǎo)閥遠(yuǎn)控油與彈簧力以及阻尼力的合力時(shí)，先導(dǎo)閥處于要開啟狀態(tài)，移動(dòng)一個(gè)小的位移，此時(shí)液壓系統(tǒng)會(huì)發(fā)出電信號(hào)使保壓油路換向，先導(dǎo)閥的控制腔壓力迅速降至零，從而使先導(dǎo)閥迅速開啟，此時(shí)，由于阻尼孔C的阻尼作用，主閥控制腔的壓力小于主閥閥芯口處的壓力，主閥開啟，實(shí)現(xiàn)液壓系統(tǒng)的卸荷。

2 AMESim仿真理論公式

近些年計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為設(shè)計(jì)開發(fā)產(chǎn)品的重要工具，在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)或者液壓元件的設(shè)計(jì)開發(fā)方面計(jì)算機(jī)的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛[1]。

AMESim可以通過(guò)模型庫(kù)的概念來(lái)研究系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)或者穩(wěn)態(tài)性能[2]，而模型庫(kù)可通過(guò)客戶化不斷升級(jí)和改進(jìn)[3]。AMESim軟件采用基于物理模型的圖形化建模方式，和功率鍵組合圖法類似，但比功率鍵組合圖更為先進(jìn)[4～5]。

在AMESim運(yùn)行過(guò)程中，每一個(gè)物理模型圖對(duì)應(yīng)著一定的數(shù)學(xué)模型，因此它與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型即狀態(tài)方程之間存在邏輯上的一致性[6～7]。本次仿真主要的數(shù)學(xué)模型有液體壓縮模型、閥口流量計(jì)算模型、阻尼孔流量計(jì)算模型等等。

流體也是會(huì)被壓縮的，通常狀態(tài)下，我們所說(shuō)的液體體積彈性模量是指在0 bar下的彈性模量。在液壓仿真過(guò)程中，隨著壓強(qiáng)的變化，液體的體積彈性模量并不是一個(gè)常數(shù)，這可以用AMESim中的可變?nèi)莘e模塊。流體的密度是壓力、溫度和流體種類的函數(shù)。如果變化很小的話，可以采用泰勒級(jí)數(shù)的前三項(xiàng)來(lái)近似表達(dá)：

（1）

由質(zhì)量守恒定律：

（2）

由（1）與（2）可得 （3）

式中：為液體體積彈性模量；為液體密度；為液體壓強(qiáng)；為液體體積；為液體質(zhì)量；為液體溫度。

先導(dǎo)式溢流閥閥口流量按下式計(jì)算：

（4）

式中：為卸荷口流量；為基準(zhǔn)流量；為流速變化；為閥口開口變化；為閥芯直徑；為閥口直徑；為流速；為壓強(qiáng)為下液體密度；為壓強(qiáng)為下液體密度。

先導(dǎo)式溢流閥阻尼孔流量按照下式計(jì)算：

（5）

式中：Q為阻尼孔流量；為流量系數(shù)；A為阻尼孔面積；為壓降；為常壓下液體密度。

3 基于AMESim的先導(dǎo)式溢流閥建模（見圖4）

由于本文中的先導(dǎo)式溢流閥用于一種受力液壓缸的過(guò)載保護(hù)，對(duì)卸載靈敏性要求較高，液壓缸工作時(shí)承受一定的外界載荷，當(dāng)液壓缸內(nèi)的液壓油承受的壓力超過(guò)額定壓強(qiáng)時(shí)，先導(dǎo)式溢流閥便會(huì)開啟實(shí)現(xiàn)卸荷作用，因此通過(guò)HCD庫(kù)建立了如圖3所示的液壓系統(tǒng)模型。

此模型在初始階段（1～4 s）通過(guò)液壓泵6給液壓缸1供油，在從4 s開始，給予液壓缸施加力信號(hào)，此力信號(hào)的施加模擬真實(shí)狀況下液壓缸的受力情況。由于單向閥5的作用，此時(shí)液壓缸內(nèi)部的最大壓強(qiáng)取決于先導(dǎo)式溢流閥的卸荷壓力，當(dāng)液壓缸所受到的外界壓力大于先導(dǎo)式溢流閥的開啟壓力時(shí)，先導(dǎo)閥4迅速開啟，并且在阻尼孔3的作用下，主閥2隨之打開，實(shí)現(xiàn)液壓卸荷，其中阻尼孔8的作用是控制先導(dǎo)閥的流量。

先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度是考量液壓系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)，為保證液壓系統(tǒng)安全可靠，先導(dǎo)式溢流閥應(yīng)當(dāng)足夠靈敏。

4 液壓系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備的工作狀況，開始階段0～4 s通過(guò)液壓泵對(duì)液壓缸充入一定量的液壓油，第四秒開始對(duì)液壓缸施加力信號(hào)，在2 s內(nèi)升到160000 N，然后在4 s內(nèi)降為零。液壓缸直徑為400 mm，長(zhǎng)度為500 mm。主閥閥芯的質(zhì)量為2.5 kg，直徑為53 mm，主閥控制腔直徑為58 mm，閥芯的開啟高度為19 mm，主閥閥芯的預(yù)壓力為200 N，彈簧剛度為10 N/mm；先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量為0.1 kg，直徑為14 mm，先導(dǎo)閥液體進(jìn)口處閥孔直徑為10 mm，控制腔直徑為15 mm，控制腔的保壓壓強(qiáng)為10 bar，先導(dǎo)閥開啟高度為8 mm，先導(dǎo)閥閥芯的預(yù)壓力為20 N，彈簧剛度為5 N/mm。阻尼孔3的直徑為3 mm，阻尼孔8直徑為4 mm。

5 仿真結(jié)果分析與優(yōu)化措施

設(shè)置仿真的時(shí)間間隔為0.0005 s，仿真時(shí)間為20 s，對(duì)模型進(jìn)行仿真分析。得到的主閥流量曲線如圖5所示。

從流量曲線圖中讀出，主閥在5.2155 s到5.269 s階段完全打開，開啟的時(shí)間為0.0545 s，響應(yīng)速度較慢。

由前面的對(duì)溢流閥卸荷原理分析可知，溢流閥的響應(yīng)特性由溢流閥本身的尺寸參數(shù)決定，下面我們通過(guò)對(duì)主閥行程、阻尼孔3、阻尼孔8、主閥閥芯與主閥控制腔直徑匹配五個(gè)方面對(duì)溢流閥進(jìn)行優(yōu)化。

5.1 主閥行程

將先導(dǎo)閥主閥的行程分別設(shè)置為 0.006 m，0.009 m，0.012 m，分別處理仿真模型，其他的參數(shù)保持不變，開啟時(shí)間均為 5.27-5.2155=0.0545s，仿真結(jié)果如圖6所示。因此，主閥的行程對(duì)先導(dǎo)閥的響應(yīng)特性幾乎沒(méi)有影響。

5.2 阻尼孔3

將阻尼孔的尺寸改成分別改成4 mm與2 mm，分析仿真曲線如圖7與圖8所示。

圖7與圖8分別為改變阻尼孔3直徑所產(chǎn)生的仿真曲線。當(dāng)阻尼孔減小至2 mm時(shí)，先導(dǎo)閥的開啟速度由原來(lái)的0.0545升至5.2595-5.2155=0.044 s，響應(yīng)速度明顯增強(qiáng)，分析原因?yàn)椋?dāng)達(dá)到卸荷壓力，先導(dǎo)閥打開時(shí)，由于阻尼孔變小，因此圖1中主閥閥芯端的壓力與主閥控制腔壓力之差變的更大，從而產(chǎn)生更大的力的作用推動(dòng)主閥打開，因此響應(yīng)速度會(huì)變快；相反，當(dāng)阻尼孔3變大時(shí)，溢流閥的開啟速度變?yōu)?.2945-5.2165=0.078 s，響應(yīng)速度明顯變慢，因此阻尼孔3變小時(shí)有利于提高先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度。但阻尼孔也不易過(guò)于小，會(huì)對(duì)先導(dǎo)閥的開啟穩(wěn)定性帶來(lái)一定的影響。

5.3 阻尼孔8

將阻尼孔8的直徑分別改為5 mm與7 mm，其余參數(shù)不變，主閥流量如圖9、圖10所示。

由仿真曲線可以得出，當(dāng)阻尼孔8為5 mm時(shí)，先導(dǎo)式溢流閥響應(yīng)速度為0.0325 s，當(dāng)阻尼孔8為7 mm時(shí)，先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度為0.0275 s。因此，隨著阻尼孔8的增大，溢流閥的響應(yīng)速度變快。由理論公式（5）可知，阻尼孔的壓降的平方根與阻尼孔的流量成正比，因此，當(dāng)阻尼孔8的直徑增大時(shí)，阻尼孔3的流量便會(huì)增大，從而導(dǎo)致阻尼孔3的壓降越大，所以溢流閥響應(yīng)速度變快，但是受先導(dǎo)式溢流閥尺寸影響，阻尼孔8不易過(guò)大。

5.4 主閥閥芯與主閥控制腔面積匹配

將主閥控制腔面積由58 mm減小至55 mm，進(jìn)行仿真，得到如圖11所示曲線。

由圖7可以看出，當(dāng)減小控制腔面積時(shí)，響應(yīng)速度為0.0365，速度變快。分析原因?yàn)椋寒?dāng)減小控制腔面積時(shí)，當(dāng)先導(dǎo)閥開啟產(chǎn)生壓降時(shí)，由于控制腔面積減小，控制腔內(nèi)部產(chǎn)生的力便會(huì)減小，主閥閥芯與控制腔產(chǎn)生的壓力差便會(huì)增大，從而使響應(yīng)速度變快，但是適當(dāng)增大控制腔的面積有利于提高主閥的密封壓力從而提高主閥的密封性，因此控制腔的面積也不易過(guò)度減小。

5.5 綜合優(yōu)化

下面我們將控制腔面積改為55 mm，阻尼孔3直徑改為2 mm，阻尼孔8直徑改為7 mm對(duì)先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行優(yōu)化，得到如圖12所示曲線。

經(jīng)過(guò)以上參數(shù)的優(yōu)化，溢流閥的卸荷時(shí)間由之前的0.0545 s變?yōu)?.2295- 5.216=0.0135 s，響應(yīng)速度得到了大幅提高。對(duì)先導(dǎo)式溢流閥的性能優(yōu)化起到了很大的參考意義。

6 結(jié)論

通過(guò)對(duì)先導(dǎo)式溢流閥原理以及響應(yīng)特性進(jìn)行分析，并通過(guò)建立液壓模型進(jìn)行仿真計(jì)算，明確了先導(dǎo)閥的工作原理以及對(duì)先導(dǎo)式溢流閥靈敏性具有影響的參數(shù)，經(jīng)過(guò)對(duì)參數(shù)的優(yōu)化，提高了先導(dǎo)式溢流閥的開啟速度并得到以下結(jié)論。

（1）主閥閥芯行程對(duì)先導(dǎo)式溢流閥的開啟速度影響不大。

（2）阻尼孔3與阻尼孔8對(duì)先導(dǎo)式溢流閥的開啟速度影響較大，適當(dāng)減小阻尼孔3直徑與增大阻尼孔8直徑可以加快先導(dǎo)式溢流閥的開啟速度，但過(guò)度減小阻尼孔3對(duì)溢流閥開啟穩(wěn)定性會(huì)帶來(lái)一定的影響。

（3）適當(dāng)減小主閥閥芯控制腔直徑可以加快先導(dǎo)式溢流閥的開啟。

通過(guò)對(duì)先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行優(yōu)化，使先導(dǎo)式溢流閥的開啟速度由原先的0.0545s提升至0.0135s，大幅度的提高了先導(dǎo)式溢流閥的響應(yīng)速度，為先導(dǎo)式溢流閥的設(shè)計(jì)以及優(yōu)化提供了一定的理論參考。

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