高壓氣動(dòng)溢流閥動(dòng)態(tài)特性分析

李娟 楊建江

摘 要：本文以高壓氣體作用下氣動(dòng)溢流閥為研究對(duì)象，用AMESim中的PCD庫(kù)對(duì)其進(jìn)行建模仿真，分析在不同氣壓、彈簧剛度、阻尼孔直徑作用下，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明：隨著氣瓶壓力值或彈簧剛度的增大，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率減??；阻尼孔直徑小范圍變化時(shí)，對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)性能影響不明顯。研究成果旨在應(yīng)用于溢流閥的研制和生產(chǎn)，為溢流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：高壓；氣動(dòng)溢流閥；動(dòng)態(tài)特性

中圖分類號(hào)：034 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

溢流閥是各種氣液壓設(shè)備中重要的壓力控制單元，在工程機(jī)械、汽車工業(yè)、航空航天、船舶交通等各個(gè)領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用。重量輕、尺寸小、靈敏度高、穩(wěn)定性好是各行各業(yè)在溢流閥設(shè)計(jì)中面臨的共性問題。因此，分析不同環(huán)境參數(shù)、結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的影響，以提高其工作性能，保障高壓氣動(dòng)系統(tǒng)的安全是問題分析的關(guān)鍵。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)溢流閥的研究和應(yīng)用還主要側(cè)重于液壓環(huán)境、低氣壓環(huán)境，常用的方法是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定有關(guān)參數(shù)，通過試驗(yàn)來檢驗(yàn)其特性，并修正設(shè)計(jì)參數(shù)[1]。對(duì)于高壓氣動(dòng)溢流閥的研究還較少，為了獲得理想的動(dòng)態(tài)品質(zhì)，得知溢流閥真實(shí)工作狀態(tài)下其內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響很有意義。本文以高壓氣體作用下氣動(dòng)溢流閥為研究對(duì)象，運(yùn)用AMESim中的PCD庫(kù)進(jìn)行建模仿真，分析在不同氣壓、阻尼孔直徑、彈簧剛度作用下，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

1 溢流閥數(shù)學(xué)原理

溢流閥工作原理為當(dāng)系統(tǒng)的壓力達(dá)到或超過溢流閥的調(diào)節(jié)壓力時(shí)，系統(tǒng)的氣體通過閥口溢往大氣，以維持系統(tǒng)壓力峰值不會(huì)超過設(shè)定值，防止系統(tǒng)壓力過載，保障執(zhí)行機(jī)構(gòu)、閥和系統(tǒng)的安全。

溢流閥動(dòng)態(tài)特性是接到輸入信號(hào)以后，高壓腔的壓力瞬態(tài)峰值與波動(dòng)情況、負(fù)載或控制機(jī)構(gòu)的響應(yīng)速度。求解動(dòng)態(tài)特性需要建立動(dòng)態(tài)模型，通常是一組以時(shí)間為獨(dú)立變量的微分方程[2]。

高壓氣動(dòng)閥口流量公式：

式中：Ave為有效面積，p為閥口入口壓力，k為絕熱指數(shù)，空氣k=1.4，R為氣體常數(shù)，干空氣R=287.1J/（kg·K），T為閥口入口溫度。

當(dāng)閥芯只在氣壓力、彈簧力和重力作用下處于平衡狀態(tài)，閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí)的動(dòng)力學(xué)平衡方程為：

式中：Qvacosα項(xiàng)是閥口的穩(wěn)態(tài)氣動(dòng)力，Me為閥芯運(yùn)動(dòng)的當(dāng)量質(zhì)量，y為閥芯位移，a為聲速，α為氣體流出閥口時(shí)的方向與閥芯軸線夾角，K為彈簧剛度，B為變向粘性阻力系數(shù)，F(xiàn)r為閥芯與閥套之間的干摩擦力，C為單向粘性阻力。

閥腔連續(xù)性方程為：

式中：πDvpδ36lv是泄漏量，δ為環(huán)縫間隙，l為環(huán)縫密封長(zhǎng)度，v為氣體運(yùn)動(dòng)粘度，V為彈簧腔容積。

通過式（2）、（3）得出閥芯動(dòng)態(tài)特性的二元二階非線性微分方程組，即氣動(dòng)溢流閥的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型[3]：

式中：Cv為閥口收縮系數(shù)，無量綱。

針對(duì)溢流閥的幾何參數(shù)，當(dāng)輸入一個(gè)壓力信號(hào)，通過求解上述微分方程組，即可求得閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程。

2 溢流閥AMESim模型

AMESim提供了一個(gè)系統(tǒng)及工程的完整平臺(tái)，從其豐富的氣動(dòng)庫(kù)和氣動(dòng)元件設(shè)計(jì)庫(kù)可以搭建氣路系統(tǒng)[3]。但是，其中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足氣動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，需要根據(jù)氣路控制的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理，利用PCD庫(kù)（氣動(dòng)元件庫(kù)）的子模型組合建立控制閥的模型。通過PCD庫(kù)建立的溢流閥仿真模型，如圖1所示。

3 仿真分析

設(shè)定圖1溢流閥的參數(shù)，其中作為輸入信號(hào)的環(huán)境參數(shù)氣瓶壓力分別為20MPa、25MPa、30MPa進(jìn)行變化；作為結(jié)構(gòu)參數(shù)的彈簧剛度分別為40N/mm、50N/mm、60N/mm進(jìn)行變化；阻尼孔直徑分別為2mm、2.5mm、3mm進(jìn)行變化；分析閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特征。

從圖2可以看出：氣瓶壓力值的大小對(duì)閥芯的輸出位移的動(dòng)態(tài)品質(zhì)影響較大。氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應(yīng)時(shí)間越短，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率越小，閥芯的振蕩次數(shù)越少。

從圖3可以看出：彈簧剛度的大小對(duì)閥芯的輸出位移的動(dòng)態(tài)品質(zhì)稍有影響。彈簧剛度越大，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率越小，閥芯的振蕩次數(shù)越少；但是對(duì)溢流閥閥芯起始響應(yīng)時(shí)間的影響敏感度不高。

從圖4可以看出，阻尼孔直徑在小范圍之間變化時(shí)，閥芯響應(yīng)的起始響應(yīng)時(shí)間、動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率幾乎沒有變化，對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)性能影響不明顯。

4 結(jié)論

通過AMESim對(duì)溢流閥進(jìn)行建模和仿真，得出了氣瓶充氣壓力、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數(shù)對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)品質(zhì)的影響。結(jié)果表明，氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應(yīng)時(shí)間越短，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率越小。彈簧剛度越大，閥芯的動(dòng)態(tài)響應(yīng)頻率越小。阻尼孔直徑在小范圍之間變化時(shí)，對(duì)溢流閥動(dòng)態(tài)性能影響不明顯。

要想提高溢流閥的動(dòng)態(tài)工程品質(zhì)，可根據(jù)仿真分析結(jié)果，改變溢流閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，來達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]曾祥榮，葉文柄，吳沛榮.液壓傳動(dòng).北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1980.

[2]李建藩.氣壓傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué).廣州：華南理工大學(xué)出版社，1991.

[3]KOHNOH，BATHE K J. Aninenode quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673699.

[4]付永領(lǐng)，齊海濤.AMESim系統(tǒng)建模與仿真實(shí)例教程[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版署，2011.

項(xiàng)目名稱：裝備預(yù)研中航工業(yè)聯(lián)合基金項(xiàng)目（編號(hào)：6141B050706）