基于AMESim與ADAMS聯(lián)合仿真的高壓大流量安全閥彈簧設(shè)計(jì)

李家寧，趙繼云，暢軍亮

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，徐州 221116）

0 引言

我國(guó)煤炭資源儲(chǔ)量豐富，隨著開采需求的增加，高壓大流量安全閥開始應(yīng)用在液壓支架中，作為液壓支架中最精密關(guān)鍵的基礎(chǔ)部件，直接影響人身安全和整個(gè)液壓支架的可靠性。遇到高壓大流量沖擊工況時(shí)，安全閥閥芯隨彈簧振動(dòng)，呈現(xiàn)出復(fù)雜的振蕩狀態(tài)，而在常規(guī)設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中，單純的依靠力學(xué)平衡方程來(lái)選擇彈簧，很難準(zhǔn)確地模擬分析彈簧在該沖擊工況下的振動(dòng)情況，文中將以計(jì)算得到的彈簧剛度值為初始值，進(jìn)而利用AMESim與ADAMS兩款軟件聯(lián)合仿真，通過(guò)不斷改變彈簧剛度值，對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行分析對(duì)比，從而得出理想值。打破了以往只利用AMESim進(jìn)行安全閥仿真的局面，實(shí)現(xiàn)了安全閥仿真的方法創(chuàng)新，為后續(xù)的安全閥設(shè)計(jì)提供了一定的參考。

1 安全閥動(dòng)力學(xué)建模及接口文件創(chuàng)建

1.1 構(gòu)建ADAMS仿真模型

在安全閥工作過(guò)程中，閥體、閥套主要起到連接作用，不參與閥的內(nèi)部流體工作，所以文中將參與工作的閥芯、彈簧座及彈簧進(jìn)行建模仿真，構(gòu)建的仿真模型如圖1所示。

仿真工作開始前需要定義好各個(gè)部件的材料屬性。為減小仿真與實(shí)際情況的偏差，調(diào)壓堵4與ground固定連接，閥芯1、彈簧座2需要分別與調(diào)壓堵4建立滑動(dòng)副約束，此外，由于實(shí)際過(guò)程中，閥芯與彈簧座有碰撞，且開啟時(shí)不分離，因此在模型中閥芯1與彈簧座2還需建立接觸力約束以及固定約束[1]。

圖1 安全閥ADAMS模型

1.2 創(chuàng)建聯(lián)合仿真接口文件

AMESim與ADAMS進(jìn)行聯(lián)合仿真時(shí)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)的交換，需要定義一些狀態(tài)變量作為兩個(gè)軟件間的交換變量。本文中，需要在ADAMS定義兩個(gè)輸出變量sudu、weiyi作為輸出到AMESim的安全閥閥芯的速度與位移，一個(gè)輸入變量faxinli作為ADAMS中閥芯受到的液壓力。

輸入輸出變量定義完成后，通過(guò)Control模塊完成接口文件的創(chuàng)建。

2 聯(lián)合仿真模型

本文在以往仿真的基礎(chǔ)上進(jìn)行了一定的創(chuàng)新，運(yùn)用ADAMS和AMESim進(jìn)行聯(lián)合仿真，將安全閥分為兩部分[2,3]。一部分是位于ADAMS中的主要構(gòu)件，如閥芯、彈簧座及彈簧等，另一部分是位于AMESim中的安全閥內(nèi)部細(xì)化結(jié)構(gòu)，包括安全閥閥芯的卸油口、乳化液泵站以及回油線路[4]。聯(lián)合仿真模型如圖2所示。

3 仿真結(jié)果與分析

仿真環(huán)境具體設(shè)置如下：壓力400bar，彈簧預(yù)壓力為2010N。AMESim的閥芯模型中，累計(jì)共設(shè)有兩排卸油孔，每排孔數(shù)量為8個(gè)[5,6]，卸油孔形狀為跑道形，圓弧半徑為3mm，矩形尺寸為3mm×3mm。聯(lián)合仿真主要過(guò)程在于通過(guò)修正安全閥的彈性元件，來(lái)獲取最佳的響應(yīng)時(shí)間和最小的振蕩幅度。

初選的彈簧剛度由計(jì)算而來(lái)，為350kN/m，為方便選取，同時(shí)防止彈簧剛度有效值溢出，以[300,400]為彈簧剛度參數(shù)區(qū)間，以10kN/m遞增，進(jìn)行類比仿真分析。通過(guò)多次類比仿真，得到彈簧剛度k取值為390kN/m及400kN/m時(shí)效果較好，閥芯速度仿真如圖3所示。

圖2 安全閥聯(lián)合仿真模型

圖3 閥芯速度仿真結(jié)果

由圖3可以看出，兩者在閥芯位移大小、速度大小等整體趨勢(shì)上沒有大的區(qū)別，閥芯趨于穩(wěn)定時(shí)間在0.05s～0.06s之間，為進(jìn)一步確定合適的彈簧剛度，故將仿真時(shí)間調(diào)整為0.06s，細(xì)化仿真圖形曲線，進(jìn)一步對(duì)圖形結(jié)果進(jìn)行比較。如圖4、圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）在k=390kN/m與k=400kN/m安全閥的響應(yīng)時(shí)間基本相同，由兩者的穩(wěn)定時(shí)間可知，前者在t=0.050s時(shí)閥芯位移已經(jīng)穩(wěn)定沒有波動(dòng)，后者在t=0.050s過(guò)后仍有波動(dòng)。

圖4 細(xì)化位移結(jié)果

圖5 細(xì)化速度結(jié)果

2）由速度圖可知，k=390kN/m時(shí)，閥芯開啟后期，速度振蕩較小，且在t=0.060s時(shí)閥芯已經(jīng)較為穩(wěn)定，反之，k=400kN/m時(shí)，閥芯的速度振蕩要比前者大，且在t=0.060s時(shí)速度仍有小幅度波動(dòng)。

3）彈簧剛度k取390kN/m合適。

本文利用聯(lián)合仿真，通過(guò)建立高壓大流量安全閥的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)并模擬其運(yùn)動(dòng)，在多次優(yōu)化的基礎(chǔ)上，確定了安全閥彈簧剛度，該剛度下的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)具有響應(yīng)快、振蕩幅度小、穩(wěn)定時(shí)間短的優(yōu)點(diǎn)。且本文首次將AMESim與ADAMS兩者的聯(lián)合仿真應(yīng)用于安全閥的仿真設(shè)計(jì)中，為安全閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了新的思路。

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