基于AMESim仿真的先導式比例溢流閥穩(wěn)態(tài)性能研究

張茜  張微

（空軍工程大學防空反導學院  陜西  西安  710000）

摘要：先導式比例溢流閥應用非常廣泛，在回路中起到定壓溢流和穩(wěn)壓的作用，主要針對主閥阻尼孔的直徑、彈簧剛度及主閥彈簧預緊力三方面的變化，通過AMESim軟件針對其穩(wěn)態(tài)性能進行分析和研究，為溢流閥的使用和設計提供指導。

關鍵詞：比例溢流閥；AMESim；穩(wěn)態(tài)性能

0  引言

比例溢流閥用于高精度、遠程壓力控制。其快速響應和連續(xù)的壓力轉換性能，可以減少壓力轉換帶來的影響，并且可以減少系統(tǒng)中組件的數(shù)量。憑借強大的抗污染能力、可靠的工作性能以及低廉的價格，比例溢流閥獲得了廣泛應用[1]。穩(wěn)態(tài)性能指的是回路中的元件在穩(wěn)定工作時展現(xiàn)出的特性，而先導式比例溢流閥在系統(tǒng)中的穩(wěn)態(tài)特性主要是指其控制特性（控制電壓與輸出壓力二者之間的對應關系）、負載特性（壓力、流量之間的對應關系）和一部分典型的穩(wěn)態(tài)指標。本文對溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性展開討論，有助于了解溢流閥的調壓范圍、啟閉特性等諸多穩(wěn)態(tài)工況下的性能[2]。先導式比例溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性研究，可為系統(tǒng)中溢流閥的選擇、設計和優(yōu)化提供一定方法和經驗借鑒。

1  先導式比例溢流閥的工作原理

先導式比例溢流閥是由直流比例電磁鐵和先導式溢流閥組成，是一種電液比例壓力閥。當電流（電信號）輸入電磁鐵后，產生與電流成比例的電磁推力，通過推桿、彈簧作用于導閥芯上，頂開導閥芯所需的壓力就是系統(tǒng)所調定的壓力。因此，系統(tǒng)壓力與輸入電流成比例。若輸入電流按比例或按一定程序變化，則比例溢流閥所控制的系統(tǒng)壓力也按比例或按一定程序變化。

2  穩(wěn)態(tài)性能計算

根據先導式溢流閥的結構，可清楚地分析閥芯的受力過程。

在不計閥芯的自重力、液動力和摩擦力時，可以得出主閥芯和先導閥芯在穩(wěn)定工作狀態(tài)下所受的力以及力的平衡方程：

式中：P－系統(tǒng)在溢流閥進口處的壓力（N）；

P1－主閥上腔室受到的壓力（N）；

A1－主閥上\下腔有效受力面積；

Ad－先導閥芯的有效承受壓力面積；

K－先導閥和主閥彈簧的剛度（N/mm）；

x0－先導閥和主閥處彈簧的預壓縮量；

xd、x－先導閥和主閥工作時的開口量。

比例溢流閥在穩(wěn)態(tài)時的壓力方程如下：

當溢流閥的主閥打開，并且工作穩(wěn)定，處于穩(wěn)態(tài)工況下時，其壓力與流量之間的對應關系及具體工作狀態(tài)可用以下方程來描述。

2.1  主閥打開時閥口處的流量－壓力關系式

式中：C1－常數(shù)；

d0－主閥閥座孔的通徑（mm）；

y－主閥閥芯移動時升起的距離（m）；

α1－主閥閥芯的半錐角（°）；

ρ－油液的密度，為常值（kg/m3）；

P－系統(tǒng)進口處的壓力（N）。

2.2  主閥芯在穩(wěn)態(tài)工況下的受力方程

主閥芯在移動的過程中，受到的力分別有自身的重力、流體的液動力、彈簧的彈力和液體的液壓力，忽略掉重力以后，主閥芯在穩(wěn)態(tài)工況下的受力表達式如下：

式中：K1－主閥上腔室彈簧的剛度（N/mm）；

y0－主閥上腔室彈簧的預壓縮距離；

P1－主閥上腔室壓力（N）；

A1、A－主閥上\下腔室力的作用面積，A1＝1.04A；

α4－主閥周圍流體液動力的剛度（N/mm）。

2.3  先導閥打開時的工作流量

當先導閥打開時，導閥溢流，此時的工作流量方程：

式中：d2－先導閥的閥座孔通徑（mm）；

x－導閥閥芯移動時升起的距離；

φ－半錐角（°）；

P2－導閥前腔受到的壓力（MPa）；

kqc－導閥的特征系數(shù)。

2.4  油液流過先導閥時的閥座阻尼孔流量

油液在流過先導閥時，閥座內部液體在流動的過程中，既不屬于層流也不屬于紊流，而是介于層流狀態(tài)和紊流狀態(tài)之間，流動的狀態(tài)復雜，借由經驗公式可知通過閥座阻尼孔中的工作流量。

式中：d3－導閥的閥座阻尼孔通徑（mm）；

l3－先導閥的閥座處阻尼孔的長度（mm）；

v－液體的運動黏度（m2/s）。

當忽略掉主閥芯在徑向間隙內的泄漏量時：

式（3）～（7）為先導式比例溢流閥穩(wěn)態(tài)性能的基本計算方程。

3  基于AMESim的溢流閥穩(wěn)態(tài)性能分析

3.1  溢流閥的穩(wěn)態(tài)數(shù)學模型建立

根據先導式溢流閥組成結構簡圖，在不改變先導式溢流閥結構的基礎之上，通過AMESim HCD庫構造了先導式溢流閥的模擬仿真回路（圖1）。

3.2  比例溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性仿真

先導式比例溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性，指的是溢流閥處于相對穩(wěn)定的工況之下，其進口處的流量與控制壓力間的對應關系，即溢流閥的流量－壓力特性。除此之外，溢流閥常使用的穩(wěn)態(tài)特性還包括閥開啟過程與關閉過程的特性即啟閉特性、壓力調節(jié)范圍以及卸荷壓力，在此僅對其流量－壓力特性和啟閉特性進行敘述。將仿真時間設定為10s，仿真間隔設定為0.1s，對模型運行仿真，在繪圖管理器中能夠得出需要的流量－壓力曲線特性（圖2）。

圖2  閥的流量－壓力特性曲線圖

從圖2可以看出，在特定參數(shù)設置下，工作狀態(tài)中溢流閥的穩(wěn)態(tài)開啟壓力為27.4MPa，這個時候主閥是完全打開的，實現(xiàn)了系統(tǒng)的溢流功能。從圖中也可以看到，其壓力的調定值為30.4MPa，也就是其調壓偏差的大小為3MPa。

圖3的仿真結果可以看出，比例溢流閥的不同彈簧預緊力大小對應于不同的開啟壓力大小，不同的開啟壓力大小對應不同的特性曲線。

以上的分析結果是在沒有考慮閥芯運動時受到摩擦力時得出的，由于閥芯從閉合到開啟這一過程中受到的摩擦力，與開啟到閉合過程中受到的摩擦力方向剛好相反，因而打開時的開啟壓力并不等于關閉時的閉合壓力。描述啟閉特性的參數(shù)為調壓偏差的大小，調壓偏差表示了閥在溢流時的溢流量變化，引起其工作壓力產生變化的范圍。溢流閥的調壓偏差數(shù)值越小，則溢流閥的溢流曲線越平緩，其靜態(tài)性能也就越好。

溢流閥的啟閉特性可描述為閥門從打開一直到溢流結束閥門關閉的時間段，流過溢流閥的流量與其所受控制壓力構成的變化關系，通常情況下用溢流閥開啟過程時的壓力比和閉合過程時的壓力比來表示。閉合壓力比與開啟壓力越接近，曲線重合度越高，啟閉特性也就更可靠。對先導式比例溢流閥工作性能產生影響的參數(shù)有很多，這中間就包括主閥阻尼孔的通徑大小、主閥和導閥的彈簧剛度以及彈簧預緊力和閥芯的質量等。

4  影響比例溢流閥特性的因素

這里主要對先導式比例溢流閥的參數(shù)進行分析與研究，如主閥阻尼孔的直徑大小、主閥和導閥的彈簧剛度以及主閥彈簧的預緊力等，進而得出各個參數(shù)的影響程度。

4.1  主閥阻尼孔直徑的影響

通過AMESim液壓仿真軟件中HCD庫進行先導式比例溢流閥仿真模型的搭建，并由此得到閥口流量、壓力等參數(shù)在工作狀態(tài)下的特性曲線；通過調節(jié)主閥上腔室阻尼孔直徑的大小，觀察得出溢流閥的入口壓力及流量－壓力曲線隨主閥上腔室阻尼孔直徑變化的情況（圖4）。主閥芯的上端帶有一個阻尼小孔，阻尼小孔的大小制約著主閥運動過程中受到的阻力，通過小孔的阻礙功能可以讓主閥的上/下腔室生成必然的壓力差，使主閥在壓力差的作用下足以超過彈簧的彈力而運動，主閥運動的過程即開啟的過程。從參數(shù)特點出發(fā)，進一步了解主閥上腔室阻尼小孔孔徑產生變動時會對溢流閥的溢流性能造成何種程度的影響，現(xiàn)將主閥上腔室的阻尼孔直徑分別設置成1mm、1.5mm和2mm進行仿真測試。

4.2  主閥和導閥彈簧剛度變化對溢流閥的影響

圖5為其它條件不變的情況下，溢流閥進口壓力在不同阻尼孔徑下的溢流曲線圖。觀察該圖可以看出，增大主閥上腔室阻尼孔的直徑時，閥門進口處的壓力值略有增大，圖中顯示均增大了約0.6MPa。 

當先導閥剛剛打開時，導閥工作而主閥還未工作，將導閥的彈簧剛度值分別設置為30N/mm、60N/mm和120N/mm，在不改變其余參數(shù)的狀態(tài)下進行仿真，運行仿真以后可得溢流狀態(tài)下的壓力曲線。從圖5可以看到，如果只是單純地把導閥的彈簧剛度值k加大，通過k的作用，則溢流壓力也將隨之增大。結合前文論述可知，導閥閥芯開啟壓力的大小決定于導閥彈簧預緊力的大小，在溢流閥的整個工作過程中，若導閥彈簧的預緊力大小不發(fā)生改變，則先導閥開啟的壓力亦不改變，即溢流閥對壓力的調節(jié)范圍變大；當主閥芯打開以后，其三條特性曲線保持平行狀態(tài)，說明導閥彈簧剛度的變化對溢流閥工作的穩(wěn)定性并不造成影響。圖5導閥彈簧在三種不同的剛度下，閥的溢流壓力趨于穩(wěn)定狀態(tài)所用的時間相等，說明閥的響應時間與導閥的彈簧剛度無關。

4.3  主閥彈簧預緊力產生的影響

主閥的彈簧預緊力決定著主閥的工作壓力，在進行仿真時，將主閥彈簧的預緊力分別設置為250N、500N和750N，對其進行參數(shù)的批處理運行。在其它參數(shù)均不變的情況下，主閥的彈簧預緊力改變時，對應的閥入口壓力的實時響應如圖6所示。從圖中曲線可以看到，調整主閥的彈簧預緊力會對溢流閥的進口壓力產生較大的影響，具體表現(xiàn)為：主閥的彈簧預緊力越大，溢流閥在達到恒定點的入口壓力就越大，但并不會改變閥溢流工作狀態(tài)的穩(wěn)定性，其導閥的開啟壓力值不改變，主閥打開的時間亦不發(fā)生變化。

5  結語

先導式比例溢流閥在穩(wěn)態(tài)工況下的進口壓力和調定壓力與主閥上腔小孔孔徑的大小約為正比例關系；先導閥的彈簧剛度影響著溢流閥的整體性能，決定了溢流閥的進口壓力；當彈簧剛度較小時，先導式溢流閥進口處受到的的控制壓力也較小，溢流閥的壓力則會伴隨著主閥彈簧剛度值的減小而減小；在一定的調整范圍內，觀察主閥的彈簧預緊力與溢流閥的進口壓力，二者近似呈正比關系，主閥的彈簧預緊力數(shù)值越大，溢流閥受到的彈力也就越大，其進口處的壓力值也就大，反之越小。影響先導式比例溢流閥穩(wěn)態(tài)特性的因素主次次序如下：主閥的彈簧預緊力、主閥芯阻尼孔通徑和導閥的彈簧剛度，在使用和設計時可作為參考。

參考文獻：

[1]吳建華.電液比例閥閉環(huán)控制技術的應用與維護[J].設備管理與維修,2017(11):72-74.

[2]姚坤杉.基于電液伺服閥的液壓系統(tǒng)控制器的研究[D].鎮(zhèn)江:江蘇科技大學,2019.