基于A(yíng)MESim的二通插裝閥建模及動(dòng)態(tài)特性仿真分析

敏　政,張友亮,田麗紅,岳巧萍

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州　730050;

2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州　730050)

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基于A(yíng)MESim的二通插裝閥建模及動(dòng)態(tài)特性仿真分析

敏政1,2,張友亮1,2,田麗紅1,2,岳巧萍1,2

(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院,甘肅 蘭州730050;

2.甘肅省流體機(jī)械及系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,甘肅 蘭州730050)

摘要針對(duì)某方向型二通插裝閥,建立了動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型,基于A(yíng)MESim建立了仿真模型并驗(yàn)證模型的正確性。針對(duì)閥芯啟閉過(guò)程進(jìn)行仿真分析,得出液阻直徑、彈簧剛度、系統(tǒng)工作壓力、閥芯行程等對(duì)動(dòng)態(tài)特性有較大影響,為進(jìn)行二通插裝閥元件及系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞插裝閥;動(dòng)態(tài)特性;建模;仿真;AMESim

二通插裝閥采用先導(dǎo)控制、插裝連接、座閥主級(jí),具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠、流動(dòng)阻力小、通流能力大等特點(diǎn),在眾多工業(yè)部門(mén)得以廣泛應(yīng)用[1]。

動(dòng)態(tài)特性是該領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。二通插裝閥啟閉速度的快慢,將直接影響到系統(tǒng)回路的瞬時(shí)通斷狀態(tài),影響著液壓系統(tǒng)的工作性能。尤其是關(guān)閉時(shí)間比開(kāi)啟時(shí)間長(zhǎng)的“時(shí)間差”、“路路通”、先導(dǎo)控制方式、壓力干擾等,一直是工程實(shí)踐中常見(jiàn)的典型問(wèn)題[2,3]。因此有必要對(duì)該閥進(jìn)行分析與研究,建立閥的數(shù)學(xué)模型和仿真模型,為今后進(jìn)行相關(guān)研究及應(yīng)用提供指導(dǎo)。

研究建立方向型插裝閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型,基于A(yíng)MESim建立了仿真模型并進(jìn)行測(cè)試,進(jìn)而進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性的仿真分析。

1數(shù)學(xué)模型的建立

插裝式方向閥典型動(dòng)態(tài)特性測(cè)試回路用可變節(jié)流閥模擬負(fù)載,見(jiàn)圖1。

圖1　方向型二通插裝閥動(dòng)態(tài)特性測(cè)試回路Fig.1　Testing circuit of dynamic characteristicsof directional two-way cartridge valve

數(shù)學(xué)模型的建立基于以下假設(shè):

(1)液流角α接近錐閥半錐角φ,取α=φ;

(2)只考慮主閥芯穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力;

(3)忽略各油口間泄露流量;

(4)系統(tǒng)回油無(wú)背壓。

主閥芯受力平衡方程[4]為

K(x0+x)+Ks(PA-PB),

(1)

其中:m為閥芯質(zhì)量;B為粘性摩擦系數(shù);K為彈簧剛度;Ks為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力系數(shù);x為閥芯行程;x0為彈簧預(yù)壓縮量。

流經(jīng)閥口A(yíng)處的流量為

QA=CdAπdAxsinα,

(2)

其中:CdA、dA分別為插裝閥口流量系數(shù)、A口直徑;α為閥芯半錐角。

流經(jīng)液阻R1處流量為

(3)

其中:Cd1、dR1分別為液阻R1流量系數(shù)、直徑。

流經(jīng)液阻R2處流量為

(4)

其中:Cd2、dR2分別為液阻R2流量系數(shù)、直徑。

流經(jīng)先導(dǎo)控制閥處流量為

(5)

其中:CdH、dH、xH分別為先導(dǎo)閥流量系數(shù)、閥芯直徑、閥芯行程。

先導(dǎo)閥口處流量連續(xù)性方程為

(6)

其中:VD為液阻R1、R2和先導(dǎo)閥包圍的油液體積;E為油液彈性模量。

主閥口上腔流量連續(xù)性方程為

(7)

其中:VC為控制腔體積。

主閥口處總流量連續(xù)性方程為

(8)

以上數(shù)學(xué)方程對(duì)下一步設(shè)置各參數(shù)具有重要作用。

2仿真模型的建立及測(cè)試

二通插裝閥的額定流量指壓力損失為0.3 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量[5],而二通插裝閥的推薦使用流量通常指壓力損失為0.5 MPa時(shí)所對(duì)應(yīng)的流量。參照機(jī)械部推薦標(biāo)準(zhǔn)JB/T10414-2004二通插裝閥試驗(yàn)方法,對(duì)于方向型插裝閥的靜態(tài)壓差-流量特性曲線(xiàn),是在閥口全開(kāi)狀態(tài)下,通過(guò)調(diào)節(jié)流經(jīng)插裝閥的流量及測(cè)量A、B油口對(duì)應(yīng)壓差而得出。

根據(jù)二通插裝閥結(jié)構(gòu)及工作原理,結(jié)合AMESim機(jī)理建模方法[6-8],搭建的方向型二通插裝閥仿真及測(cè)試模型如圖2所示。

圖2　方向型二通插裝閥模型及動(dòng)態(tài)特性測(cè)試回路Fig.2　Model and dynamic characteristic testing circuitof directional two-way cartridge valve

在進(jìn)行模型測(cè)試時(shí),應(yīng)特別注意雙端口限位質(zhì)量塊的設(shè)置,位移方向向上且位移初始狀態(tài)應(yīng)在最大值處,即對(duì)應(yīng)閥口全開(kāi)位置,40通徑某型插裝式方向閥主要仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表1。

表1　主要參數(shù)設(shè)置

方向型二通插裝閥仿真壓差—流量曲線(xiàn)見(jiàn)圖3。圖3中實(shí)線(xiàn)為通過(guò)仿真所得壓差—流量特性曲線(xiàn),虛線(xiàn)為樣本給定的測(cè)試曲線(xiàn),對(duì)應(yīng)壓差下的流量基本一致,驗(yàn)證了仿真模型及所設(shè)置參數(shù)的合理性。

圖3　方向型二通插裝閥仿真壓差—流量曲線(xiàn)Fig.3　Simulating differential pressure-flow curve ofdirectional two-way cartridge valve

3動(dòng)態(tài)特性的影響因素

3.1液阻R1的影響

溢流壓力5 MPa,R2=2 mm,K=2 500 N/m時(shí),通過(guò)選用不同直徑的液阻R1所得到的閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉位移曲線(xiàn)如圖4所示。由圖4可以看出,R1越大,閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間越短。R1越大,閥芯開(kāi)啟時(shí)阻尼作用越小,開(kāi)啟時(shí)間越短;對(duì)于關(guān)閉過(guò)程,主閥芯上腔壓力建立時(shí)間越短,連同彈簧力一起,關(guān)閉速度越快。

圖4　液阻R1對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響曲線(xiàn)Fig.4　Curve of influence of liquid lock R1 tocharacteristics of switch

3.2液阻R2的影響

溢流壓力5 MPa,R1=2 mm,K=2 500 N/m時(shí),選用不同直徑的液阻,做出閥芯啟閉隨R2的變化曲線(xiàn)如圖5所示。

圖5　液阻R2對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響曲線(xiàn)Fig.5　Curve of influence of liquid lock R2 tocharacteristics of switch

由圖5可以看到,液阻R2對(duì)開(kāi)啟過(guò)程影響不大,對(duì)關(guān)閉過(guò)程影響較大,當(dāng)R2增大時(shí),閥芯關(guān)閉時(shí)間縮短,但R2過(guò)大會(huì)引起較大的功率損失。注意到,當(dāng)R2=1.8 mm與R2=2.0 mm時(shí),關(guān)閉時(shí)間相差不大,此后取R2=1.8 mm。當(dāng)R2不斷增大時(shí),在先導(dǎo)閥復(fù)位之后,閥芯控制腔迅速建立起高壓,連同彈簧力一起,共同推動(dòng)閥芯關(guān)閉。R2直徑越大,阻尼作用越小,建壓時(shí)間越短,關(guān)閉越快。

3.3彈簧剛度K的影響

彈簧剛度首先影響閥的開(kāi)啟壓力。當(dāng)溢流壓力為5 MPa,R1=2.0 mm,R2=1.8 mm時(shí),分別作出閥芯位移隨彈簧剛度的變化曲線(xiàn),如圖6所示。

圖6　彈簧剛度K對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響曲線(xiàn)Fig.6　Curve of influence of spring stiffness Kto characteristics of switch

由圖6可以看出,閥芯彈簧力對(duì)開(kāi)啟、關(guān)閉過(guò)程均有影響,且主要影響關(guān)閉時(shí)間。當(dāng)彈簧剛度K不斷增大時(shí),閥芯關(guān)閉時(shí)間縮短。當(dāng)先導(dǎo)閥接收到關(guān)閉信號(hào)瞬間,控制腔壓力PC還未上升至PA,此時(shí)主要靠復(fù)位彈簧起關(guān)閉作用,剛度越大,關(guān)閉時(shí)間越短。

3.4系統(tǒng)壓力P的影響

當(dāng)液阻R1=2 mm,R2=1.8 mm,彈簧剛度為K=2 500 N/m時(shí),調(diào)節(jié)負(fù)載,設(shè)定系統(tǒng)分別為5 MPa、15 MPa、32 MPa時(shí),做出閥芯位移隨系統(tǒng)壓力的變化曲線(xiàn),局部放大圖如圖7所示。

圖7　系統(tǒng)壓力對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響曲線(xiàn)Fig.7　Curve of influence of system pressureto characteristics of switch

由圖7可以看出,系統(tǒng)壓力對(duì)插裝閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間影響不大。在一定程度上,系統(tǒng)壓力越高,閥芯開(kāi)啟時(shí)間越短。

3.5閥芯行程S的影響

當(dāng)系統(tǒng)壓力為5 MPa、R1=2 mm,R2=1.8 mm,K=2 500 N/m時(shí),分別設(shè)定閥芯行程為不同值,做出閥芯位移隨閥芯行程的變化曲線(xiàn),如圖8所示。

從圖8可以看出,閥芯最大行程對(duì)開(kāi)、關(guān)時(shí)間均有影響,且主要影響關(guān)閉時(shí)間,行程越大,關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng),對(duì)開(kāi)啟時(shí)間影響不大。當(dāng)閥芯開(kāi)始關(guān)閉時(shí),關(guān)閉過(guò)程基本保持勻速狀態(tài)。行程越長(zhǎng),關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)。

4結(jié)論

圖8　閥芯行程對(duì)開(kāi)關(guān)特性的影響曲線(xiàn)Fig.8　Curve of influence of spool stroke tocharacteristics of switch

建立方向型插裝閥動(dòng)態(tài)特性數(shù)學(xué)模型和AMESim仿真模型,設(shè)定不同的參數(shù)取值,仿真所得到的影響動(dòng)態(tài)特性的因素主要有:

(1)彈簧剛度主要影響閥芯關(guān)閉時(shí)間,剛度越大,關(guān)閉時(shí)間越短,對(duì)開(kāi)啟時(shí)間影響不大;

(2)系統(tǒng)壓力對(duì)閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間影響不大,在一定程度上,系統(tǒng)壓力越高,開(kāi)啟時(shí)間越短;

(3)液阻直徑對(duì)閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間有較大影響。R1越大,對(duì)閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)間有較大影響。R2主要影響關(guān)閉時(shí)間,取值越大,關(guān)閉時(shí)間越短,但會(huì)增加額外的功率損失;

(4)閥芯行程對(duì)關(guān)閉時(shí)間有較大影響。行程越大,關(guān)閉時(shí)間越長(zhǎng)。

參考文獻(xiàn):

[1]黃人豪.二通插裝閥控制技術(shù)[M].上海:上海實(shí)用科技研究中心,1985.

[2]張寧.插裝閥動(dòng)特性與液壓機(jī)預(yù)卸荷插裝閥組卸壓特性仿真研究[D].秦皇島:燕山大學(xué),2009.

[3]羅艷蕾,張莉,周秩軍.插裝式二通方向控制閥動(dòng)態(tài)特性仿真模型的建立[J].貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,33(1):39-42.

[4]李壯云.液壓元件與系統(tǒng)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[5]機(jī)械工業(yè)出版社.JB/T10414-2004液壓二通插裝閥試驗(yàn)方法[S].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[6]孫燦興,胡中望,黃人豪,等.MHV(S)專(zhuān)利產(chǎn)品族及平臺(tái)開(kāi)發(fā)中AMESim的應(yīng)用[J].液壓與氣動(dòng),2014,38(6):124-129.

[7]付永領(lǐng),祁曉野.AMESim系統(tǒng)建模和仿真——從入門(mén)到精通[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006.

[8]張遠(yuǎn)深,馬忠孝,牛雪虹,等.基于A(yíng)MESim的電磁溢流閥動(dòng)態(tài)特性研究[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2013,25(1):112-115.

Modeling and Dynamic Characteristics Simulation Analysis of AMESim-based Two-way Cartridge Valve

Min Zheng1,2,Zhang Youliang1,2,Tian Lihong1,2,Yue Qiaoping1,2

(1.CollegeofEnergyandPowerEngineering,LanzhouUniversityofTechnology,Lanzhou730050,China;2.KeyLaboratoryofFluidMachineryandSystemsofGansuProvince,Lanzhou730050,China)

AbstractThe dynamic characteristic mathematical model was set up in allusion to certain directional two-way cartridge valve,and the AMESim-based simulation model was set up and the correctness of the same was verified.Factors affecting the opening and closing speeds were obtained by simulation analysis in allusion to opening/closing process of the valve element and included fluid lock diameter,spring stiffness,working pressure of system,spool stroke,etc.which had great influence to dynamic characteristics.Moreover,the reference shall be available for design of the element and the system of the two-way cartridge valve.

Key wordsCartridge valve;Dynamic characteristics;Modeling;Simulation;AMESim

中圖分類(lèi)號(hào):TH137

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1004-0366(2016)01-0127-05

作者簡(jiǎn)介:敏政(1965-),男,青海同仁人,副研究員,碩士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)榱黧w機(jī)械.E-mail:13993162205@qq.com.通訊作者:張友亮.E-mail:zylisbest@163.com.

收稿日期:2014-12-29;修回日期:2015-03-02.

doi:10.16468/j.cnki.issn1004-0366.2016.01.028.

引用格式:Min Zheng,Zhang Youliang,Tian Lihong,etal.Modeling and Dynamic Characteristics Simulation Analysis of AMESim-based Two-way Cartridge Valve[J].Journal of Gansu Sciences,2016,28(1):127-131.[敏政,張友亮,田麗紅,等.基于A(yíng)MESim的二通插裝閥建模及動(dòng)態(tài)特性仿真分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),2016,28(1):127-131.]