王曉晶 滿國佳 張夢儉 陳帥

摘 要：錐型閥作為一種重要的液壓控制元件，在液壓系統(tǒng)中起著關(guān)鍵的作用。為了研究其動態(tài)性能，選取了一級和二級錐型閥作為研究對象，介紹了其工作原理和閥芯結(jié)構(gòu)，建立了動態(tài)特性的數(shù)學(xué)模型，并借助AMEsim軟件對錐型閥進(jìn)行了模擬仿真，重點對比分析了關(guān)鍵因素對兩種不同結(jié)構(gòu)錐型閥的影響。研究結(jié)果表明：一級和二級錐型閥在開啟瞬時的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性以及從動態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡的過程兩者皆有較大差異，且二級錐型閥明顯優(yōu)于一級錐型閥。同時關(guān)鍵參數(shù)對兩種結(jié)構(gòu)錐型閥的影響程度也各不相同。

關(guān)鍵詞：一級錐型閥;二級錐型閥;動態(tài)性能;AMEsim仿真

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.004

中圖分類號： TH137.52

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0021-06

Abstract：As an important hydraulic control element， the cone valve plays an important role in the hydraulic system. In order to study its dynamic performance， the Onestep cone valve and the twostep cone valve were selected as the research objects. Firstly， its working principle and core structure were introduced. Mathematical models of its dynamic performance were established. Then the simulation experiment was carried out on cone valves using AMEsim simulation software. Key factors impact on both cone valves with different structure that were focused on comparative analysis. Research results show that the twostep cone valve were obviously better than onestep cone valve on many areas， which are opening instantaneous response speed， stability and the process of transition from a dynamic to a steady state. And the key factors impact on the two kinds of cone valves was different.

Keywords：onestep cone valve; twostep cone valve; dynamic performance; AMEsim?simulation

收稿日期： 2017-03-06

基金項目： 國家自然科學(xué)基金（51305108）;黑龍江省普通高等學(xué)校青年學(xué)術(shù)骨干支持計劃項目（1254G025）;博士后研究人員落戶黑龍江科研啟動資助金項目（LBHQ15069）.

作者簡介：

滿國佳（1991—），男，碩士研究生;

張夢儉（1991—），女，碩士研究生.

通信作者：

王曉晶（1981—），女，博士，教授，Email：hitwangxiaojing@163.com.

0 引 言

隨著液壓技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對液壓工作系統(tǒng)的效率，精度，性能的要求也越來越高，因此小體積，高頻響，壓力、流量可控性好等特點成為性能優(yōu)良的液壓系統(tǒng)的重要指標(biāo)[1]。錐型閥作為控制、調(diào)節(jié)執(zhí)行機構(gòu)的關(guān)鍵液壓元件，具有節(jié)流調(diào)速，負(fù)載阻尼，緩沖等作用，故其對整個液壓系統(tǒng)的性能影響顯得尤為重要，因此對錐型閥的性能研究便成為了液壓工程研究的重點之一[2-3]。以前學(xué)者的研究，一是通過對錐型閥的結(jié)構(gòu)及流體特性進(jìn)行理論分析，結(jié)合相應(yīng)的實驗，找出相關(guān)規(guī)律[4-6]。二是通過相應(yīng)的分析軟件對錐型閥進(jìn)行仿真，模擬出錐型閥在不同工況下的結(jié)果，對其性能指標(biāo)進(jìn)行分析，繼而為性能提升和結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了參考方向[7-9]。

本文以一級和二級錐型閥為研究對象，根據(jù)其結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行動態(tài)特性數(shù)學(xué)建模，并基于AMEsim軟件根據(jù)實體模型搭建出HCD液壓元件模型，進(jìn)行了仿真實驗。根據(jù)仿真結(jié)果，分析了各關(guān)鍵因素對錐型閥動態(tài)特性的影響情況，同時重點對比分析了一級和二級錐型閥兩種結(jié)構(gòu)在不同工況下的動態(tài)性能，使錐型閥的動態(tài)特性研究更全面，也為錐型閥的結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和進(jìn)一步探究振動和噪聲等問題奠定了基礎(chǔ)。

1 錐型閥的理論分析

1.1 閥芯結(jié)構(gòu)及動態(tài)模型

如圖1和圖2所示，分別是一級和二級錐型閥的閥芯及閥口結(jié)構(gòu)示意圖。本文選取外流式錐型閥進(jìn)行仿真實驗，即液壓油的流向為P口流入T口流出。

1.2 流量方程

其閥口型式為環(huán)形節(jié)流口，因此計算該環(huán)形閥口的流量可以近似使用小孔流量方程來求解[10]，故經(jīng)過節(jié)流閥口的流量為：

1.3 流量連續(xù)性方程

結(jié)合閥芯結(jié)構(gòu)及工作原理，并考慮到油液的可壓縮性，則閥腔中流量連續(xù)性方程可表述為：

1.4 閥芯力平衡方程

上述錐型閥的動態(tài)特性數(shù)學(xué)方程（1）、（2）、（3）對下一步參數(shù)的設(shè)置具有重要的意義。

2 建立錐型閥仿真模型

2.1 建立AMEsim模型

由于研究各因素對錐型閥性能的影響，因此本文采用AMEsim的元件級建模[11-12]。HCD庫為用戶提供了豐富可選的液壓元件的組件模型[13]。

圖3和圖4分別是一級和二級錐型閥AMEsim動態(tài)仿真模型。在建模的過程中，為了使所建立的仿真模型更接近實際，對模型進(jìn)行了必要的簡化和替換[14]。本文認(rèn)為溫度恒定;考慮到閥芯的慣性效應(yīng)的影響，加入了質(zhì)量塊子模型來模擬閥芯慣性效果;加入可變?nèi)莘e子模型來模擬液壓泵到節(jié)流閥之間的油路過程;為了防止出口處發(fā)生油液倒流現(xiàn)象，加入了單向閥[15]。對于二級錐型閥特別加入了恒定容積來模擬閥腔。

2.2 參數(shù)設(shè)置

搭建完成一級和二級錐型閥的AMEsim仿真模型后，對子模型的參數(shù)設(shè)置也是仿真實驗的關(guān)鍵，將影響著仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性[16-17]。

2.2.1 閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)

針對一級和二級兩種結(jié)構(gòu)的錐型閥，其閥芯結(jié)構(gòu)具體參數(shù)如表1所示。

2.2.2 子模型參數(shù)設(shè)置

根據(jù)上述數(shù)學(xué)模型，對子模型參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)置。具體如表2所示。其中有些參數(shù)需要在具體的分析中動態(tài)取值，故沒有一一列舉。

3 動態(tài)特性仿真及影響因素分析

在AMEsim的仿真模式下，通過給定非研究變量的某一確定值，再逐一改變研究變量的值，獲得各影響因素的仿真結(jié)果[18]。并對比和分析一級和二級錐型閥流量的動態(tài)特性。

將一級和二級錐型閥的仿真參數(shù)中所有變量對應(yīng)取得相同的數(shù)值，其中系統(tǒng)壓力4MPa、開口度3mm、彈簧剛度60.24N/mm、背壓可調(diào)節(jié)流口直徑1.5mm，進(jìn)行仿真實驗。獲得流量特性曲線如圖5和圖6所示，其中一級錐型閥在開啟時較為平穩(wěn)，流量增加的速度先增大后減小，達(dá)到峰值后回落至穩(wěn)定流量的過渡過程有波動，且波動時間較長;二級錐型閥在啟動瞬時流量劇增，隨后即有振蕩，但是過渡到穩(wěn)定流量值時運行平穩(wěn)無波動。說明二級節(jié)流閥在開啟的瞬間易引起油液的脈動;但二級錐型閥的響應(yīng)速度快于一級錐型閥，且從流量峰值過渡至穩(wěn)定值時快速平穩(wěn)。

3.1 系統(tǒng)壓力的影響

系統(tǒng)壓力作為錐型閥的入口壓力，對其動態(tài)特性有重要的影響。將非研究變量設(shè)置成開口度3mm，彈簧剛度60.24N/mm，背壓可調(diào)節(jié)流閥直徑1.5mm。研究變量系統(tǒng)壓力梯度取值依次為2、4、5MPa，分別進(jìn)行仿真模擬。

從圖7至10可以看出，一級和二級錐型閥的穩(wěn)態(tài)流量值皆隨著壓力的增大而增大。一級錐型閥流量達(dá)到穩(wěn)定值需要的時間隨著壓力的增大而減小。二級錐型閥在開啟瞬時流量振蕩強度幾乎不受系統(tǒng)壓力的影響。

3.2 彈簧剛度的影響

彈簧不僅影響著錐型閥啟閉特性，而且具有維持穩(wěn)定性的作用[19-20]，因此彈簧的選擇至關(guān)重要。非研究變量的設(shè)置為開口度3mm，系統(tǒng)壓力4MPa，背壓可調(diào)節(jié)流閥直徑1.5mm。研究變量彈簧剛度依次取值50.24、55.24、60.24N/mm。彈簧預(yù)壓力依次設(shè)置為1104.3、1094.3、1084.3N。

從圖11至14可以看出。一級錐型閥受彈簧剛度的影響較大，彈簧剛度越大錐型閥的開啟越延遲。同時彈簧剛度越小錐型閥的動態(tài)流量的波動越大，波動時間越長。二級錐型閥和一級錐型閥相比，彈簧剛度對流量動態(tài)特性的影響集中表現(xiàn)在了閥開啟的瞬時，彈簧剛度越低則流量的振蕩強度越大，但達(dá)到穩(wěn)態(tài)流量所需的時間比一級閥短。

3.3 背壓的影響

在實際工作中，根據(jù)具體工作要求，背壓的選擇也不盡相同，因此背壓也是重要影響因素之一[21]。非研究變量設(shè)置為系統(tǒng)壓力4MPa，開口度3mm，彈簧剛度60.24N/mm，研究變量背壓可調(diào)節(jié)流口直徑依次設(shè)置為1mm、1.5mm、2mm。

從圖15～18可以看出，背壓越小，錐型閥的流量穩(wěn)態(tài)值越大，且流量達(dá)到穩(wěn)定值的時間也越短。說明背壓對于錐型閥的流量動態(tài)變化趨勢幾乎無影響，但背壓越小響應(yīng)速度越快。

4 結(jié) 論

本文借助AMEsim軟件搭建了一級和二級錐型閥的模型，并通過將影響因素作為研究變量進(jìn)行了仿真分析，得到以下結(jié)論：

1）二級錐型閥相比一級錐型閥，在開啟瞬間有振蕩不穩(wěn)定，但二級閥的響應(yīng)速度快于一級閥，且流量峰值過渡至穩(wěn)定值快速平穩(wěn)。

2）系統(tǒng)壓力對一級和二級錐型閥的穩(wěn)態(tài)流量影響都比較大，且壓力越大穩(wěn)態(tài)流量越大，對動態(tài)過程影響不大。背壓對流量動態(tài)變化趨勢影響不大，但背壓越小，流量達(dá)到穩(wěn)定值的時間越短。

3）彈簧剛度對一級錐型閥的影響較大，彈簧剛度越大錐型閥的開啟會有延遲，且彈簧剛度越小，錐型閥的動態(tài)流量變化的波動越大，波動時間越長;二級閥和一級閥相比，彈簧剛度主要在錐型閥開啟的瞬時影響較大，彈簧剛度越小則流量的振蕩強度越大，但其穩(wěn)態(tài)效果基本恒定，影響不大。

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（編輯：關(guān) 毅）