本文所說的流量控制閥，是指可以調(diào)節(jié)流經(jīng)閥的液體流量，使之不受閥兩側(cè)壓力變化影響的液壓閥。這類閥的重要用途之一是調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)行速度，因此也曾被普遍叫做調(diào)速閥。在最新國標(biāo)《GB/T 17446—2012 流體傳動系統(tǒng)及元件  詞匯》中，“調(diào)速閥”的叫法已不再被采用，因此，本文使用了“流量控制閥”的說法。

本文將向大家分享流量控制閥的基本原理及其Amesim建模仿真方法，希望對大家有幫助。

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流量控制閥的基本原理

流量控制閥通常由節(jié)流閥和定壓差閥組成，因此我們先從節(jié)流閥和定差閥說起。（注：本部分內(nèi)容涉及的閥原理圖引自張海平博士編著的《白話液壓》）

1.1 節(jié)流閥

節(jié)流閥是通過改變閥的開口面積，進(jìn)而改變閥的液阻，以改變液體流量的液壓閥，其大致結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 節(jié)流閥示意圖

關(guān)于節(jié)流閥，大家要知道以下兩點(diǎn)：

• 節(jié)流閥開口越大，液阻越小，液體越容易流通，反之則液體越難流通；

• 當(dāng)節(jié)流閥開口一定時，閥兩側(cè)的壓差和通過的流量互為因果。
  

生活中有一種很常見的節(jié)流閥，就是水龍頭。如果水網(wǎng)的壓力保持恒定，而水龍頭外的大氣壓力也基本是恒定的，那么可以認(rèn)為水龍頭兩側(cè)壓差恒定，水流大小只與水龍頭的開度有關(guān)，我們只需要打開水龍頭到不同開度就可以獲得想要的水流；如果水網(wǎng)的壓力是變化的，忽大忽小，那么我們就無法或者很難得到固定的水流大小。

由以上例子可以看出，要想方便地通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥開口獲得所需的恒定流量，關(guān)鍵在于 如何保持節(jié)流閥兩側(cè)壓差恒定 ，而這就需要用到 定壓差閥 。

1.2 定壓差閥

定壓差閥又被稱為 壓差平衡元件 ，或 壓力補(bǔ)償閥 ，一般與其他閥聯(lián)合使用，大致結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 定壓差閥示意圖

圖2中，閥芯2在控制壓力P1、P2和彈簧力Fs共同作用下保持平衡，假設(shè)閥芯兩側(cè)控制壓力作用面積為A，則有：

通常情況下，彈簧1的剛度很小，閥芯2的運(yùn)動范圍也很小，因此Fs基本保持恒定。基于此，我們可以認(rèn)為在閥的正常工作范圍內(nèi)，控制壓差ΔP是恒定的，等于彈簧產(chǎn)生的壓力。

需要指出的是， 定壓差閥對進(jìn)出口的油液也具有節(jié)流效應(yīng) ，即出口壓力小于進(jìn)口壓力。如圖2所示，閥芯越靠左，開口A越小，節(jié)流效應(yīng)越明顯；反之，則節(jié)流效應(yīng)會減弱。因此， “定壓差” 的說法是就 “控制壓差恒定” 而言的；如果從 進(jìn)出口壓力變化 來看，也可稱其為 減壓閥 。如果將進(jìn)出口分別與控制腔1和2聯(lián)通，就構(gòu)成了定差減壓閥。

1.3 流量控制閥

將上述節(jié)流閥和定壓差閥串聯(lián)組合，就可以得到如圖3所示的 二通流量控制閥 。其中，節(jié)流口2兩側(cè)的壓力分別聯(lián)通到定壓差元件1的兩個控制壓力口，這樣，在閥的正常工作范圍內(nèi)，節(jié)流口2兩側(cè)壓差Pc-P2基本恒定，通過的流量只與其開口大小有關(guān)，不受閥兩側(cè)壓力P1、P2變化的影響。

圖3 二通流量控制閥示意圖

二通流量控制閥對流量的調(diào)節(jié)過程如下：

• 如果負(fù)載壓力P2增大，則定壓差閥芯1右移，定壓差元件開口增大、液阻減小，Pc增大，直至P2、Pc和彈簧壓力共同作用于閥芯1達(dá)到新的平衡，節(jié)流口兩側(cè)壓差基本保持不變，流量也基本保持不變；如果負(fù)載壓力P2減小，則有相反的調(diào)節(jié)過程，也可以保持流量恒定。

當(dāng)然，這里提到的二通流量控制閥只是流量控制閥的一種，這類閥還有許多其他形式，比如三通流量控制閥、定壓差閥后置型 （注：圖3所示為定壓差閥前置型） 等等。總體上來講，它們的 基本原理都是用定壓差元件確保節(jié)流口兩側(cè)壓差恒定 ，因此本文主要介紹二通流量控制閥的仿真方法，拋磚引玉。大家在做仿真分析時，可以根據(jù)具體閥的形式和仿真需求靈活建模。

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二通流量控制閥的仿真方法

2.1 仿真模型的建立

二通流量控制閥的Amesim仿真模型如圖4所示。關(guān)于該模型的元件子模型、參數(shù)等的詳細(xì)設(shè)置，本文不再做過多說明。 文末提供了仿真模型源文件的下載鏈接 ，大家可以自行下載參考。

圖4 二通流量控制閥仿真模型圖

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出，盡管負(fù)載壓力呈正弦變化，但節(jié)流口兩側(cè)壓差保持恒定，基本維持在8.3 bar左右；通過閥的流量大小也不受負(fù)載壓力變化的影響，它僅由節(jié)流口的開口信號決定。

圖5 二通流量控制閥仿真結(jié)果曲線

改變仿真條件，保持節(jié)流口開口不變并逐漸增大出口壓力再次仿真（注：詳細(xì)仿真模型見模型文件FlowRegulator_2.ame，下載鏈接見文末），得到進(jìn)出口壓差變化時二通流量控制閥對流量的調(diào)節(jié)過程，如圖6所示。可以看出，當(dāng)進(jìn)出口壓差從20 bar變化到180 bar時，定壓差閥芯位移有約0.4 mm的改變；同時，彈簧力大約增加2 N，節(jié)流口兩側(cè)壓差大約增加0.01 bar，流經(jīng)閥的流量也有相應(yīng)的改變。當(dāng)然，這些變化相對微小，可以忽略，因此可以認(rèn)為二通流量控制閥起到了維持流量恒定的作用。

圖6 進(jìn)出口壓差改變時閥的調(diào)節(jié)過程曲線

『注：細(xì)心的小伙伴們一定會發(fā)現(xiàn)一個問題，隨著流量控制閥進(jìn)出口壓差增大，節(jié)流口兩側(cè)壓差增大，但流量卻在減小！這是為什么呢？筆者在提取仿真結(jié)果時，著實(shí)被這個問題困擾了一番！經(jīng)過仔細(xì)分析和思考，筆者發(fā)現(xiàn)這個看似詭異的結(jié)果背后涉及到Amesim對液體體積和流量的處理方式。這個問題說來話長，暫時按下不表，抽空再專門寫篇文章來解釋它。』

除此之外，本文的仿真模型還可用于分析更多二通流量控制閥的特性，比如液動力對閥響應(yīng)的影響等等，本文不再詳細(xì)敘述，有興趣的小伙伴們可以進(jìn)一步思考。

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幾點(diǎn)注意事項

1、 流量控制閥正常工作是有條件的，這一點(diǎn)很重要！ 文中多次提到“在閥的正常工作范圍內(nèi)”，并對文字進(jìn)行了加粗，就是為了提醒大家注意。如果閥兩側(cè)的壓差低于彈簧壓力，定壓差閥芯移動到開口最大的位置后，二通流量控制閥就相當(dāng)于兩個串聯(lián)的節(jié)流閥，通過的流量隨壓差的減小而減小，也就不能起到調(diào)節(jié)流量的作用了。

事實(shí)上， 液壓領(lǐng)域的大部分元件正常工作都是有條件的 ，超出正常工作的范圍就無法起到相應(yīng)的作用。所以， 我們在元件的設(shè)計選用和建模仿真時， 一定要從基本原理出發(fā)對它們計算和分析，萬萬不可望文生義！

2、 圖7所示為二通流量控制閥更詳細(xì)的結(jié)構(gòu)示意圖。如果仔細(xì)分析的話，其工作原理和圖3是完全一致的，因此也可參考本文的建模方式 （注：也可以根據(jù)需要對節(jié)流閥做更詳細(xì)建模） 。

圖7 二通流量控制閥詳細(xì)結(jié)構(gòu)原理圖

有人可能會問，圖7中的閥有更多腔和通道等，這些結(jié)構(gòu)在模型中如何體現(xiàn)呢？對此，筆者的觀點(diǎn)是，之所以會有這些更具體、更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，主要是考慮了油液的流動和元件的加工裝配；我們在仿真建模時，要更關(guān)注仿真對象背后的物理規(guī)律和數(shù)學(xué)模型，而不必過于在意其具體結(jié)構(gòu)，尤其是那些對原理和性能影響較小的結(jié)構(gòu)，可以根據(jù)仿真目的做適當(dāng)簡化。

3、 本文模型源文件采用Simcenter Amesim 17版本創(chuàng)建，下載鏈接如下：

鏈接：https://pan.baidu.com/s/1q-2Hy6JJdvowwwTgNGMLUA

提取碼：lr4p

文章來源：Amesim學(xué)習(xí)與應(yīng)用