任 恒，袁紅兵，廉自生，廖瑤瑤

(1.太原理工大學 機械與運載工程學院，山西 太原 030024；2.太原理工大學 煤礦綜采裝備山西省重點實驗室，山西 太原 030024)

引言

減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓力損失，使其出口壓力低于進口壓力控制閥[1]。根據(jù)調(diào)節(jié)要求的不同，減壓閥可分為定值減壓閥、定比減壓閥和定差減壓閥[2]。減壓閥廣泛應用在工程機械、石油化工、自動生產(chǎn)等領(lǐng)域中，因此減壓閥成為學者們不斷研究的對象。羅宏博等[3]對先導式減壓閥進行了動靜態(tài)特性分析，得出了固定阻尼孔直徑對減壓閥出口壓力無明顯影響的結(jié)論。董建文等[4]通過對不同的彈簧預緊力、彈簧剛度、閥芯質(zhì)量、阻尼孔直徑和初始開口度進行動態(tài)特性仿真，得到了減壓閥合理的工藝參數(shù)，提高了減壓閥的準確性、穩(wěn)定性與快速性。溫彬等[5]在對直動式比例減壓閥的仿真分析中發(fā)現(xiàn)閥座孔直徑的增大會加大比例閥的死區(qū)，動態(tài)特性變差。鄧攀等[6]利用數(shù)值模擬的方法深入分析了阻尼孔直徑與先導入口腔容積對比例減壓閥動靜態(tài)特性的影響。分析認為選擇合適的固定阻尼孔直徑可實現(xiàn)減壓閥響應加快，輸出壓力平穩(wěn)的目標；適當增大先導閥入口腔容積能提高閥的抗干擾性，但響應會有所變慢。同時還有學者利用π型液橋的優(yōu)點提高了減壓閥的穩(wěn)定性[7]。但大多數(shù)學者是對單個結(jié)構(gòu)參數(shù)對減壓閥動靜態(tài)特性的影響規(guī)律進行了仿真與試驗研究，少有學者進行多因素多指標的分析研究。然而，減壓閥的動靜態(tài)特性變化規(guī)律是眾多因素共同作用的結(jié)果，單獨分析1個因素的影響規(guī)律不全面也不精確。因此，本研究以帶有流量穩(wěn)定器壓力間接檢測型先導式比例減壓閥為研究對象，采用正交試驗設計與仿真分析的方法，以兩個位置的阻尼孔直徑、彈簧剛度為影響因素，以減壓閥的超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應時間作為評價指標，研究了多個因素對減壓閥動態(tài)特性的影響規(guī)律，并進行了減壓閥的優(yōu)化設計，優(yōu)化后的減壓閥動態(tài)綜合特性有顯著提高。

1 先導式比例減壓閥結(jié)構(gòu)與原理

1.1 減壓閥結(jié)構(gòu)與原理

圖1為常閉型先導式比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖，主要由集成式放大器、比例電磁鐵、先導閥、先導流量穩(wěn)定器、主閥組成，圖2是根據(jù)比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖簡化的工作原理圖。

1.閥體 2.進油口 3.工作口 4.卸油口 5.先導流量穩(wěn)定器 6.先導閥 7.比例電磁鐵 8.集成式放大器 9.傳力彈簧 10.錐閥芯 11.彈簧 12.錐閥座 13.主閥芯 14.復位彈簧圖1 先導式比例減壓閥結(jié)構(gòu)圖

圖2 先導式比例減壓閥工作原理圖

比例減壓閥初始狀態(tài)時，錐閥芯在彈簧的作用下被打開，主閥芯在復位彈簧的作用下關(guān)閉。當集成式放大器沒有電信號輸入時，壓力油不能從主閥的進口流向出口，只能經(jīng)先導流量穩(wěn)定器進入先導閥，由于先導閥處于打開狀態(tài)，則壓力油回油箱。此時先導級輸出的壓力p2不能推動主閥芯移動，主閥仍關(guān)閉，此時比例減壓閥沒有壓力調(diào)節(jié)功能。當集成式放大器輸入電信號不斷增大時，比例電磁鐵通電經(jīng)傳力彈簧輸出的推力也不斷增大，錐閥芯與錐閥座之間的間隙被逐漸關(guān)小，先導級輸出壓力p2從而逐漸增大，直到推動主閥芯移動主閥打開，使壓力油從主閥進口流入實現(xiàn)減壓，輸出壓力為p1的壓力油再從出口流向負載。主閥被打開后比例減壓閥工作原理同常開型。

1.2 比例減壓閥中的先導流量穩(wěn)定器

先導流量穩(wěn)定器結(jié)構(gòu)如圖3所示，它實際是1個按B型半橋原理工作的定值流量控制閥[8]。先導流量穩(wěn)定器由2個液阻構(gòu)成，活塞上的小孔為固定液阻R0，軸向移動活塞末端4個小孔與殼體徑向流道構(gòu)成可變液阻R1。當進口壓力pa升高時，活塞左右兩端原有的平衡被打破，液壓力升高推動活塞向右移動，活塞末端小孔與流道間的開口減小，可變液阻R1增大。由于活塞向右移動，活塞右側(cè)內(nèi)腔體積變小，壓力pc增大，固定液阻R0前后的壓差(pa-pc)保持不變，從而保證流過固定阻尼孔R0與可變阻尼孔R1的流量不變。當pa減小時pc也減小，R0的前后壓差與流量基本保持不變。因此，在進口壓力波動的情況下，先導流量穩(wěn)定器能夠很好的保證流入先導閥流量穩(wěn)定[9]。

圖3 先導流量穩(wěn)定器

2 先導式比例減壓閥的建模

根據(jù)上述減壓閥的結(jié)構(gòu)與原理，在AMESim中運用HCD庫與Mechanical庫建立比例減壓閥的模型。主要包括比例電磁鐵、先導閥、先導流量穩(wěn)定器、三通滑閥4部分，仿真模型如圖4。圖中R2為先導流量穩(wěn)定器阻尼孔，R4為主閥芯阻尼孔。表1中數(shù)據(jù)為比例減壓閥仿真時所需要的基本參數(shù)。

圖4 先導式比例減壓閥AMESim模型

3 正交試驗設計與數(shù)據(jù)分析

3.1 正交試驗設計

正交試驗法是利用一套標準化的正交表，采用均衡分散、整齊可比的設計原則，科學地安排和分析多因素問題試驗的一種數(shù)理統(tǒng)計方法[10]。利用正交試驗法只需進行較少的試驗次數(shù)，就能對多因素同時進行考察，既能找出最優(yōu)的試驗方案又能分析出各個因素對試驗結(jié)果的影響程度。

表1 先導式比例減壓閥仿真基本參數(shù)

影響減壓閥動態(tài)特性的結(jié)構(gòu)參數(shù)眾多，如阻尼孔直徑、彈簧剛度、初始預緊力、閥芯節(jié)流槽大小與形狀等。綜合考慮各結(jié)構(gòu)參數(shù)對比例減壓閥動態(tài)特性的影響，本研究選取先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、主閥芯阻尼孔直徑、彈簧剛度為正交試驗影響因素，分別用A，C，D代表，每個因素選取3個水平。各試驗因素與水平見表2所示。評價比例減壓閥動態(tài)特性的指標有許多，其中輸出壓力超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應時間最具有代表性，所以本研究選取這3個指標做為正交試驗的評價指標。在不考慮因素間的交互作用下，按L9(34)設計了三因素三水平正交試驗表，具體試驗安排見表3所示。

表2 試驗因素與水平表

表3 正交試驗設計表

3.2 正交試驗結(jié)果與分析

按照9種正交試驗方案進行仿真后的試驗結(jié)果見表4。對于正交試驗數(shù)據(jù)的處理，本研究采用實用直觀且簡單的極差分析方法與對多指標綜合評價的綜合評分分析法。

表4 正交試驗仿真結(jié)果表

表5為各試驗指標的極差分析結(jié)果，從表5可以看出3個因素對超調(diào)量影響程度的主次順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度，對穩(wěn)定時間與響應時間的影響程度主次順序相同，都為先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、主閥芯阻尼孔直徑、彈簧剛度。

圖5～圖7為各因素對各試驗指標的影響示意圖，分析認為：主閥芯阻尼孔直徑對超調(diào)量有顯著影響。隨著主閥芯阻尼孔直徑的減小，比例減壓閥輸出壓力超調(diào)量明顯減小。這是因為當主閥芯阻尼孔直徑較小時，主閥開啟后經(jīng)過較小阻尼孔所產(chǎn)生的壓降較大，主閥反饋腔所受的壓力沖擊減小，則表現(xiàn)為輸出壓力超調(diào)量減小，但此時比例減壓閥穩(wěn)定時間、響應時間都略大[11-12]。先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑的增大能降低減壓閥的響應時間，減小超調(diào)量。這是因為先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑增大時，通過先導流量穩(wěn)定器的流量增大，進入先導閥的流量增加，反向推動主閥芯打開主閥的時間縮短，比例減壓閥響應因此提高[13]。彈簧剛度在所選水平對試驗指標的影響中均出現(xiàn)了最小值，剛度增大或減小都將會引起比例減壓閥響應時間、穩(wěn)定時間和超調(diào)量的增加，因此彈簧剛度的選擇要適中。

圖5 各因數(shù)對超調(diào)量的影響示意圖

圖6 各因數(shù)對穩(wěn)定時間的影響示意圖

表5 正交試驗仿真結(jié)果極差分析表

圖7 各因數(shù)對響應時間的影響示意圖

對于多指標的正交試驗中常對數(shù)據(jù)進行綜合評價，本研究采用綜合加權(quán)評分的方法對減壓閥的動態(tài)特性進行綜合評價，綜合加權(quán)評分公式如下[14]：

Yi=mi1ni1+mi2ni2+…+mijnij

(1)

式中，Yi—— 綜合評分

mij—— 指標系數(shù)

nij—— 試驗指標值，下標i，j表示第i組試驗的第j個指標值

根據(jù)要求超調(diào)量、穩(wěn)定時間、響應時間的權(quán)重比為：5 ∶3 ∶2。故各組試驗的綜合評分計算公式為：

Yi=5ni1+3ni2+2nij

(2)

各指標結(jié)果經(jīng)綜合評分計算后的數(shù)據(jù)見表4，從表中可以看出4號試驗與7號的試驗綜合評分較低，符合要求。

表6為各指標綜合評分極差分析結(jié)果，從表中可以得到：3個因素對減壓閥動態(tài)綜合特性影響程度的主次順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度。

表6 正交試驗仿真結(jié)果綜合評分極差分析表

圖8為3個因素對綜合評分的影響示意圖，綜合評分隨先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑的增大而降低，隨主閥芯阻尼孔直徑的增大而增大。彈簧剛度所選水平中綜合評分出現(xiàn)了最小值。各因素對綜合評分的影響趨勢類似與對超調(diào)量的影響趨勢，這是超調(diào)量在綜合評分中所占權(quán)重大的原故。由圖5可以得出最優(yōu)試驗組合為A3C1D2，即先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm。

圖8 各因素對綜合因素評分的影響示意圖

4 優(yōu)化結(jié)果的仿真驗證

經(jīng)過上述計算與分析，確定了比例減壓閥優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用建立好的模型對結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的比例減壓閥進行仿真驗證，驗證該條件下比例減壓閥動態(tài)綜合特性是否最優(yōu)。圖9為比例減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化前與優(yōu)化后的輸出壓力動態(tài)特性圖，表7是結(jié)構(gòu)參數(shù)、試驗指標、綜合評分對比表。結(jié)合圖9與表7可以看出優(yōu)化后的比例減壓閥超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)定時間與響應時間略有變大，但比例減壓閥穩(wěn)定時輸出壓力有所提高，動態(tài)綜合特性有顯著改善。對于比例減壓閥優(yōu)化后響應時間的變大，可以通過調(diào)整放大器，對比例閥的死區(qū)進行補償縮短減壓閥的響應時間。因此，最終確定比例減壓閥優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)參數(shù)是先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm。

圖9 減壓閥輸出壓力動態(tài)特性曲線

表7 比例減壓閥參數(shù)優(yōu)化對比表

5 結(jié)論

本研究通過正交試驗與仿真分析的方法對比例減壓閥動態(tài)特性進行了優(yōu)化，得出了以下結(jié)論:

(1) 3個影響因素對比例減壓閥動態(tài)綜合特性的影響順序是主閥芯阻尼孔直徑、先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑、彈簧剛度；

(2) 利用正交試驗與數(shù)值模擬得到了比例減壓閥在起始輸出壓力超調(diào)量小、平穩(wěn)壓力不減要求下的具體結(jié)構(gòu)參數(shù)，分別是先導流量穩(wěn)定器阻尼孔直徑0.7 mm，主閥芯阻尼孔直徑0.3 mm，彈簧剛度2.6 N/mm；

(3) 結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化后的比例減壓閥起始輸出壓力超調(diào)量明顯減小，穩(wěn)定壓力略有增加，動態(tài)綜合特性明顯改善與優(yōu)化前相比比例減壓閥超調(diào)量降低了185.57%。