庹前進(jìn)，劉 敏

(1.中南大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長沙410083；2.湖南機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，長沙410151)

二通插裝閥具有通流能力大、動(dòng)作快和密封性能好等特點(diǎn)，在高壓大流量領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛。相對(duì)于普通閥而言，二通插裝閥內(nèi)部流道復(fù)雜，工作特性影響因素較多。由于插裝閥大多應(yīng)用于高壓、大流量場合，因此必須重視其動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，特別是閥芯的啟閉動(dòng)作。二通插裝閥的啟閉特性將直接影響系統(tǒng)回路的瞬時(shí)通斷狀態(tài)，在多插裝閥組成回路中，此特性將對(duì)整個(gè)液壓系統(tǒng)產(chǎn)生較大影響[1]。

黃海鴻等[2]研究了閥口開度對(duì)二通插裝閥壓力流量特性的影響，對(duì)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，有效降低了進(jìn)出口兩端實(shí)際壓力流量特性曲線和基于理論公式所計(jì)算得到壓力流量特性曲線之間的誤差；Sun等[3]進(jìn)行了插裝閥的流體結(jié)構(gòu)耦合仿真分析，得到了插裝閥的瞬態(tài)力學(xué)性能和減壓過程中液壓油與閥芯相互作用的沖擊特性，研究結(jié)果表明減壓過程的穩(wěn)定性和閥芯與閥套的接觸時(shí)間有關(guān)；于良振等[4]基于AMESim 研究了二通插裝閥阻尼匹配情況，較為全面和系統(tǒng)地分析了壓力插裝閥的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性，利用仿真結(jié)果可以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)階段預(yù)測其特性；Yang等[5]研究了較小的阻尼孔直徑對(duì)流量上升速度和流通平穩(wěn)性的影響，結(jié)果表明閥芯開度的波動(dòng)程度隨閥芯質(zhì)量相對(duì)應(yīng)地增加。綜上分析，前人的研究未能系統(tǒng)地分析閥芯面積比、通流方向以及阻尼孔位置等因素對(duì)閥芯動(dòng)作產(chǎn)生的影響。本文以某公司的造型機(jī)液壓系統(tǒng)為背景，在理論上分析插裝閥閥芯動(dòng)作特性的影響因素，利用AMESim 軟件建立模型，通過仿真分析上述因素對(duì)插裝閥閥芯動(dòng)作的影響。

1 二通插裝閥結(jié)構(gòu)及原理

在某型號(hào)的造型機(jī)液壓系統(tǒng)中，為保證滿足系統(tǒng)流量要求，統(tǒng)一選用公稱直徑為32 mm的二通插裝閥。如圖1所示。二通插裝閥主要由方向元件、控制蓋板、先導(dǎo)控制閥3部分構(gòu)成；二通插裝閥的方向元件由閥套、閥芯、彈簧和密封件等組成，方向元件裝在集成塊的腔孔內(nèi)并由控制蓋板壓住。

圖1 二通插裝閥結(jié)構(gòu)

二通插裝閥的動(dòng)作邏輯由A腔、B腔和X腔的控制油壓決定，其中A、B為主作用油口，負(fù)責(zé)將系統(tǒng)油液輸入執(zhí)行機(jī)構(gòu)，X為控制口，負(fù)責(zé)調(diào)整閥芯的動(dòng)作。在二通插裝閥工作過程中，根據(jù)自身油道與接口的不同，油液有兩種流通方向，即油液既可由插裝閥A口流向B口，也可由B口流向A口。

在由插裝閥作為油路通斷元件組成的液壓系統(tǒng)中，插裝閥有多種安裝方式。以插裝閥軸線垂直于地面安裝為例，工作狀態(tài)下插裝閥閥芯除受到各油口處的油液壓力作用外，還受到彈簧力、摩擦力、重力等作用。非工作狀態(tài)下，閥芯依靠彈簧的預(yù)壓縮力處于關(guān)閉狀態(tài)；當(dāng)入口油壓升高時(shí)，彈簧進(jìn)一步壓縮，閥芯開啟。以油液自A口流向B口為例，閥芯向上移動(dòng)壓縮彈簧，插裝閥實(shí)現(xiàn)開啟。對(duì)平衡狀態(tài)下的插裝閥閥芯進(jìn)行受力分析，可得：

式中：PA為主油口A處壓力；PB為主油口B處壓力；PC為控制口X處壓力；AA為主油口A腔承壓面積；AB為主油口B腔承壓面積；AC為控制口X腔承壓面積；FH為閥口液動(dòng)力；FG為閥芯重力；Ff為摩擦力。

插裝閥工作過程中，彈簧一直處于被壓縮的狀態(tài)，閥芯位移與彈簧力之間有如下關(guān)系：

式中：FK為彈簧力；k為彈簧剛度；x0為彈簧預(yù)壓縮量；x為閥芯位移。

綜上分析，決定閥芯的動(dòng)作情況的因素有：油液在插裝閥閥芯上的作用面積、插裝閥A腔與B腔以及X腔處的油液壓力、彈簧預(yù)壓縮力等；影響閥芯具體響應(yīng)特性的因素還包括：插裝閥閥芯所受的液動(dòng)力、閥芯與閥體間摩擦力和彈簧的彈性剛度等。

2 閥芯動(dòng)作影響因素分析

在式(1)所示的插裝閥閥芯平衡方程中，閥芯所受主作用力為插裝閥A腔、B腔和X腔在各自受力面上的油液壓力。與插裝閥A腔和B腔相連通的一般為系統(tǒng)油源或負(fù)載，這兩處的油液壓力分別由系統(tǒng)壓力或負(fù)載所決定，插裝閥控制口X腔常與單獨(dú)的控制油源相通。根據(jù)插裝閥X腔控制油的不同來源可分為3種控制方式：獨(dú)立的控制油源外部供油式、主系統(tǒng)內(nèi)部供油式、內(nèi)外結(jié)合供油式?？刂朴鸵涸谶M(jìn)入插裝閥控制口X腔前若通過阻尼孔等元件時(shí)，將產(chǎn)生一定的減壓作用。

本文所述方案中插裝閥X腔的控制油源為第2種，即主系統(tǒng)內(nèi)部供油式，此控制方式中閥芯控制油分別取自插裝閥A 口或B 口，因此其壓力值為系統(tǒng)油源壓力或負(fù)載端壓力。這種插裝閥閥芯控制方式簡單易行，具有一定的自鎖能力，但無法保證閥芯兩端的有效壓差，使得插裝閥關(guān)閉速度較慢[6-7]。解決此類問題的方法有以下兩種：(1)改變控制油的引出點(diǎn)，從系統(tǒng)中壓力較高的地方引出，例如從泵出口的上游處引出控制油；(2)在先導(dǎo)回路中增加蓄能器，使得當(dāng)系統(tǒng)卸荷時(shí)，控制油路仍能維持較高的控制油壓力。

由于本系統(tǒng)中方向元件的閥芯控制方式已確定，下文分析彈簧剛度與預(yù)壓縮力、阻尼孔通徑與位置、閥芯兩側(cè)面積比與油液通流方向?qū)﹂y芯動(dòng)作的影響。

2.1 彈簧剛度與預(yù)壓縮力

由二通插裝閥方向元件結(jié)構(gòu)可知，工作狀態(tài)下油液流經(jīng)的閥口類型屬于錐閥閥口，如圖2所示。

圖2 方向元件油口結(jié)構(gòu)

錐閥閥口關(guān)閉時(shí)，閥芯緊壓在閥座孔上，二者間為線密封；閥芯離開閥座則閥口開啟。閥口開啟時(shí)，由圖2中所標(biāo)結(jié)構(gòu)變量可知，閥口的通流截面積為母線等于xsinα的截頭圓錐的側(cè)面積，此時(shí)截頭圓錐的頂面半徑為因此錐閥閥口的通流面積與閥芯向上位移距離的關(guān)系式如下：

式中：Ax為通流面積；x為閥芯位移；α為錐閥開口角度；ds為閥座孔直徑。

設(shè)方向元件的進(jìn)口壓力為P1，出口壓力為P2，由孔口流量公式可得此時(shí)閥口處的流量壓力方程：

式中：Cd為流量系數(shù)；ρ為油液密度；Δp為油液進(jìn)出口壓差。

因此，在油液壓差一定時(shí)，閥口開度將決定系統(tǒng)的供油量，進(jìn)而將對(duì)閥芯響應(yīng)情況產(chǎn)生較大影響。在決定閥口開度和開啟速度的因素中，除油液壓力外，彈簧的預(yù)壓縮力和彈性剛度將產(chǎn)生較大作用。

當(dāng)插裝閥作為方向元件使用時(shí)，閥芯關(guān)閉過程的時(shí)間比開啟過程的時(shí)間長，其直接原因是閥芯開啟時(shí)靠液壓力，而關(guān)閉時(shí)靠彈簧力。當(dāng)對(duì)插裝閥閥芯采用內(nèi)控方式時(shí)，不論是將其作為進(jìn)油閥或回油閥使用，閥芯上下的壓差均基本平衡；同時(shí)，閥芯關(guān)閉主要依靠彈簧力作用，為縮短關(guān)閉時(shí)間，可選用較硬的彈簧或在壓降允許條件下減小閥的開度等。

2.2 油液通流方向與兩腔面積比

二通插裝閥有兩種通流方向，即A→B 和B→A，在不同的流量壓力場合，針對(duì)不同的啟閉速度與安全性要求，選用不同的通流方向。閥芯的主油口A腔承壓面積與控制口X腔承壓面積之比AA:AX稱為閥芯的面積比，常用的閥芯面積比規(guī)格一般有1:1、1:1.07、1:1.2、1:1.5及1:2等。

圖3為錐閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力示意圖，圖中左側(cè)所示ω1→ω2為上流式錐閥，右側(cè)所示ω1→ω2為下流式錐閥。以上流式錐閥為例，根據(jù)動(dòng)量定理，其錐閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的軸向分量為

式中：Fω為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力；ρ為油液密度；q為流量；ω1為入口流速；ω2為出口流速。式中負(fù)號(hào)表明液流速度與假設(shè)正方向相反。式(5)中ω1比ω2小得多，故第2項(xiàng)可省略，將式(4)代入式(5)，可得：

式(6)中：Cv為速度系數(shù)。式中負(fù)號(hào)表示上流式錐閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的軸向分量方向與流體流向相反，即方向向下。對(duì)于下流式錐閥，其穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的分析過程類似。

圖3 穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力示意圖

綜上，閥口開度、油液通流方向和通流面積等對(duì)閥芯所受的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力有較大影響，而穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力將顯著影響閥芯的響應(yīng)特性[8-9]。

當(dāng)閥芯兩側(cè)面積比較大時(shí)，如為1:1.1時(shí)，閥口直徑也相應(yīng)較大，液流從插裝閥A口向B口流動(dòng)時(shí)，阻力小，通流能力大，閥的開啟壓力較??；而液流從B 口向A 口流動(dòng)時(shí)，B腔的作用面積較小，閥的開啟壓力自然較高。因此，具有較大面積比的插裝閥適宜用于工作流向?yàn)閺腁 口向B 口的流動(dòng)，不宜用于需要反向流動(dòng)的場合。對(duì)于較小面積比的插裝件，如面積比為1:1.5，B腔有效面積加大，液流從B向A流動(dòng)時(shí)，閥的開啟壓力會(huì)相應(yīng)下降，使得閥芯面積對(duì)開啟壓力影響降低。因此，具有較小面積比的插裝件，適用于液流從A向B和從B向A的雙向流動(dòng)。

對(duì)于較小面積比的閥芯，液流的流動(dòng)方向?qū)Σ逖b閥響應(yīng)時(shí)間影響較大。若選定油液流向?yàn)锳→B，控制油從A 口引出，則閥芯開啟較快，而關(guān)閉較慢。這是因?yàn)椴逖b閥的A腔與X腔的面積較接近，控制油又取自A腔，閥芯關(guān)閉時(shí)作用于閥芯上的壓差較小。在閥芯關(guān)閉初期，閥芯動(dòng)作主要靠彈簧的作用，當(dāng)閥芯開口減小到使閥芯行程小于10%時(shí)，A腔與B腔形成明顯的壓力差，閥芯以較快的速度關(guān)閉。若選定油液流向?yàn)锽→A，則閥芯開啟較慢而關(guān)閉較快，開啟慢是由于B腔油液作用面積較小，且油液在B腔的作用力須大于控制油壓力和彈簧力的合力；由于油液在閥芯兩端形成了較大的壓力差，關(guān)閉自然較快。

2.3 阻尼孔通徑與位置

如前所述，當(dāng)插裝閥控制口排油通暢時(shí)，在系統(tǒng)壓力作用下閥芯的開啟速度較快，甚至可能產(chǎn)生液壓沖擊，這時(shí)可在控制腔的排油通道中加設(shè)節(jié)流阻尼孔。阻尼孔在控制油路中的作用是減輕壓力波動(dòng)，并使控制油產(chǎn)生一定的壓差。當(dāng)阻尼孔通徑較小時(shí)，阻尼孔產(chǎn)生壓降較大，閥芯易于開啟，但關(guān)閉速度較慢；當(dāng)通徑較大時(shí)，阻尼孔的穩(wěn)壓作用降低，閥芯動(dòng)作較快，易產(chǎn)生沖擊。

一般來說，阻尼孔在控制油路中有以下3種安裝位置可供選擇，3種位置對(duì)應(yīng)不同的降壓與穩(wěn)壓效果，如圖4所示。將阻尼孔1加裝在先導(dǎo)控制閥與方向元件閥芯之間是最為常用的一種方式，此時(shí)阻尼孔對(duì)閥芯的開啟和關(guān)閉速度都有影響。在一些系統(tǒng)中，由于開啟和關(guān)閉的速度要求不同，因此安裝在1位置處往往不能兼顧二者速度要求，只能用于對(duì)一個(gè)方向的調(diào)速有要求的系統(tǒng)，或用于對(duì)兩個(gè)方向調(diào)節(jié)要求都不高的系統(tǒng)。因此，當(dāng)閥芯開啟與關(guān)閉速度都需要調(diào)節(jié)時(shí)，可在先導(dǎo)閥壓力油口和回油口各設(shè)一個(gè)阻尼孔分別產(chǎn)生壓差，即阻尼孔2 用于調(diào)節(jié)閥芯的關(guān)閉速度，阻尼孔3 用于調(diào)節(jié)閥芯的開啟速度。

圖4 阻尼孔安裝位置

3 仿真分析

如圖5所示。以某公司造型機(jī)液壓系統(tǒng)為背景設(shè)計(jì)的液壓系統(tǒng)仿真模型，利用AMESim 軟件中的液壓庫、信號(hào)庫、機(jī)械庫以及HCD 庫中的模型構(gòu)建如圖5所示元件級(jí)插裝閥模型，仿真插裝閥閥芯的動(dòng)作響應(yīng)情況。采用內(nèi)控方式中帶有蓄能器保壓系統(tǒng)的仿真模型，利用梭閥引取蓄能器和負(fù)載油缸中的較高壓力油作為插裝閥控制油；模型中阻尼孔默認(rèn)放置在圖4所示的位置1處，默認(rèn)流向?yàn)锳→B，后續(xù)再根據(jù)仿真需要進(jìn)行調(diào)整。此AMESim仿真模型中部分主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

圖5 AMESim仿真模型

表1 AMESim模型參數(shù)設(shè)置

下面通過仿真第2 節(jié)所分析的3種因素對(duì)插裝閥閥芯動(dòng)作響應(yīng)的影響情況。

3.1 彈簧剛度與預(yù)壓縮力

由2.1節(jié)分析可知，彈簧剛度與預(yù)壓縮力對(duì)閥芯的開啟時(shí)刻和動(dòng)作時(shí)長有較大影響。仿真模型中設(shè)定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經(jīng)過插裝閥的流向?yàn)锳→B，此時(shí)分別設(shè)定彈簧剛度為10 N/mm、30 N/mm、50 N/mm、70 N/mm，仿真彈簧剛度對(duì)閥芯動(dòng)作的影響。

仿真結(jié)果如圖6所示（仿真圖中所示的位移數(shù)值“y、x”單位為m，下同），由仿真結(jié)果可知，采用內(nèi)控加裝蓄能器的控制方式時(shí)，彈簧的剛度會(huì)影響閥芯開啟的速度和最終的位移，彈簧剛度對(duì)閥芯開啟速度和最終位移的影響隨著彈簧剛度的增大而減小。當(dāng)彈簧剛度k從10 N/mm 變?yōu)?0 N/mm時(shí)，開啟速度時(shí)長由0.15 s延長為0.5 s，開啟速度下降，而整體開啟周期因?yàn)槲灰频目s短而降低。

圖6 彈簧剛度不同時(shí)閥芯動(dòng)作特性

由2.1節(jié)分析可知，彈簧預(yù)壓縮力的大小也會(huì)對(duì)插裝閥閥芯的動(dòng)作情況產(chǎn)生一定的影響。仿真模型中設(shè)定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經(jīng)過插裝閥的流向?yàn)锳→B，分別取預(yù)壓縮力為10 N、20 N、30 N、40 N，仿真彈簧預(yù)壓縮力對(duì)閥芯動(dòng)作的影響，如圖7所示。

圖7 彈簧預(yù)壓縮力不同時(shí)閥芯動(dòng)作特性

由圖7所示仿真結(jié)果可知，由于二通插裝閥入口壓力由系統(tǒng)油源確定，彈簧的預(yù)壓縮力和彈簧剛度一同決定了閥芯最終的開口情況。隨著彈簧預(yù)壓縮力的增大，閥芯最大位移量減小，閥芯的關(guān)閉速度增大，仿真結(jié)果符合前述分析。

3.2 兩側(cè)面積比與油液通流方向

由2.2節(jié)分析可知，插裝閥X和A腔作用于閥芯的面積比正比于壓力油液對(duì)閥芯的作用力，因此閥芯面積比對(duì)插裝閥的啟閉動(dòng)作有較大影響。仿真模型中設(shè)定阻尼孔通徑C=0.7 mm，分別設(shè)定閥芯面積比為1:1、1:1.2、1:1.5、1:2，油液經(jīng)過插裝閥的流向取A→B 和B→A 兩種流向，仿真面積比對(duì)閥芯動(dòng)作的影響。

圖8 油液流向?yàn)锳→B時(shí)閥芯動(dòng)作特性

圖9 油液流向?yàn)锽→A時(shí)閥芯動(dòng)作特性

由圖8和圖9所示仿真結(jié)果可知，油液流向?yàn)锳→B時(shí)，閥芯面積對(duì)閥芯位移的影響相對(duì)較小，面積比從1:1 降低至1:2時(shí)，閥芯位移縮短了10%左右；當(dāng)油液流向?yàn)锽→A時(shí)，閥芯面積對(duì)閥芯位移的影響相對(duì)較大，說明其對(duì)油缸行進(jìn)速度影響較大；閥芯面積比從1:1 降低至1:2時(shí)，閥芯位移從最大值降為0。當(dāng)油液流向?yàn)锽→A時(shí)，不同面積比閥芯動(dòng)作至相同位移時(shí)，面積比越大，插裝閥開啟速度越快，閥芯面積比為1:2的插裝閥啟閉時(shí)間約為閥芯面積比為1:1.2的插裝閥啟閉時(shí)間的1/2。

3.3 阻尼孔影響分析

由2.3 節(jié)分析可知，阻尼孔一般有3種加裝位置：(1)電磁閥與插裝件之間；(2)先導(dǎo)閥前油路中；(3) 回油路中。仿真模型中設(shè)定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經(jīng)過插裝閥的流向?yàn)锳→B，仿真阻尼孔加裝位置對(duì)閥芯動(dòng)作的影響情況如圖10所示。

由如圖10所示的仿真結(jié)果可知，當(dāng)阻尼孔置于電磁閥和閥芯之間時(shí)，閥芯開啟和關(guān)閉均較為緩慢，開啟時(shí)間為其余兩種方式開啟時(shí)間的數(shù)十倍，關(guān)閉時(shí)間也明顯長于后兩種方案。當(dāng)阻尼孔置于先導(dǎo)閥前油路中時(shí)，閥芯開啟較為迅速，在關(guān)閉階段的前半部分較為緩慢，后半部分則較為迅速。當(dāng)阻尼孔置于回油路時(shí)，插裝閥的開啟速度與采用第二種加裝位置時(shí)基本一致，而關(guān)閉速度則明顯快于前兩者，即此方案中阻尼孔的作用不明顯。

圖10 阻尼孔位置不同時(shí)閥芯動(dòng)作特性

由2.3節(jié)分析可知，阻尼孔的大小對(duì)方向元件閥芯的開啟速度影響很大。在仿真模型中設(shè)定閥芯面積比為1:1.2，阻尼孔加裝在電磁閥與插件之間的位置，取油液流向?yàn)锳→B，仿真阻尼孔大小分別為0.6 mm、0.8 mm、1.2 mm、2 mm時(shí)閥芯的動(dòng)作響應(yīng)，如圖11所示。

圖11 阻尼孔通徑不同時(shí)閥芯動(dòng)作特性

由圖11所示的仿真結(jié)果可知，隨著阻尼孔通徑增大，插裝閥開啟和關(guān)閉的速度都將不斷增大；當(dāng)阻尼孔通徑由2.0 mm 變?yōu)?.2 mm、0.8 mm 和0.6 mm時(shí)，插裝閥的開啟時(shí)間將分別延長為原時(shí)長的3倍、5倍和10倍左右，仿真結(jié)果符合前述分析。實(shí)際工作中，應(yīng)綜合考慮液壓系統(tǒng)的工作周期及系統(tǒng)對(duì)閥芯動(dòng)作的沖擊性要求，利用阻尼孔動(dòng)態(tài)調(diào)整閥芯的啟閉特性。

4 結(jié)語

（1）在AMESim 中建立元件級(jí)的插裝閥模型，通過仿真分析了彈簧剛度與預(yù)壓縮力對(duì)插裝閥閥芯動(dòng)作特性的影響，結(jié)果表明：彈簧剛度決定了插裝閥的最大開口；彈簧剛度越大，閥芯動(dòng)作響應(yīng)越快；相較于彈簧剛度，彈簧預(yù)壓縮力對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響不明顯。

（2）通過仿真分析了油液的通流方向與插裝閥X腔和A腔的面積比對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響，結(jié)果表明：對(duì)于不同的油液通流方向，面積比對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響有明顯差別；油液通流方向的不同對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響較為明顯，實(shí)際中應(yīng)根據(jù)閥芯的面積比選擇油液通流方向。

（3）通過仿真分析了阻尼孔的通徑與安裝位置對(duì)閥芯動(dòng)作特性的影響，結(jié)果表明：3種阻尼孔的安裝位置對(duì)閥芯的開啟和關(guān)閉特性的影響明顯不同。阻尼孔的通徑對(duì)閥芯動(dòng)作特性影響較為明顯，阻尼孔越大，閥芯啟閉動(dòng)作越迅速，同時(shí)帶來的沖擊也越大；實(shí)際中應(yīng)綜合考慮系統(tǒng)的工作周期和沖擊性要求，準(zhǔn)確選擇阻尼孔的通徑和安裝位置。