一級和二級液壓錐型閥動態(tài)性能模擬研究

王曉晶 滿國佳 張夢儉 陳帥

摘 要：錐型閥作為一種重要的液壓控制元件，在液壓系統(tǒng)中起著關鍵的作用。為了研究其動態(tài)性能，選取了一級和二級錐型閥作為研究對象，介紹了其工作原理和閥芯結構，建立了動態(tài)特性的數學模型，并借助AMEsim軟件對錐型閥進行了模擬仿真，重點對比分析了關鍵因素對兩種不同結構錐型閥的影響。研究結果表明：一級和二級錐型閥在開啟瞬時的響應速度和穩(wěn)定性以及從動態(tài)向穩(wěn)態(tài)過渡的過程兩者皆有較大差異，且二級錐型閥明顯優(yōu)于一級錐型閥。同時關鍵參數對兩種結構錐型閥的影響程度也各不相同。

關鍵詞：一級錐型閥;二級錐型閥;動態(tài)性能;AMEsim仿真

DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.004

中圖分類號： TH137.52

文獻標志碼： A

文章編號： 1007-2683（2019）02-0021-06

Abstract：As an important hydraulic control element， the cone valve plays an important role in the hydraulic system. In order to study its dynamic performance， the Onestep cone valve and the twostep cone valve were selected as the research objects. Firstly， its working principle and core structure were introduced. Mathematical models of its dynamic performance were established. Then the simulation experiment was carried out on cone valves using AMEsim simulation software. Key factors impact on both cone valves with different structure that were focused on comparative analysis. Research results show that the twostep cone valve were obviously better than onestep cone valve on many areas， which are opening instantaneous response speed， stability and the process of transition from a dynamic to a steady state. And the key factors impact on the two kinds of cone valves was different.

Keywords：onestep cone valve; twostep cone valve; dynamic performance; AMEsim?simulation

收稿日期： 2017-03-06

基金項目： 國家自然科學基金（51305108）;黑龍江省普通高等學校青年學術骨干支持計劃項目（1254G025）;博士后研究人員落戶黑龍江科研啟動資助金項目（LBHQ15069）.

作者簡介：

滿國佳（1991—），男，碩士研究生;

張夢儉（1991—），女，碩士研究生.

通信作者：

王曉晶（1981—），女，博士，教授，Email：hitwangxiaojing@163.com.

0 引 言

隨著液壓技術的廣泛應用，對液壓工作系統(tǒng)的效率，精度，性能的要求也越來越高，因此小體積，高頻響，壓力、流量可控性好等特點成為性能優(yōu)良的液壓系統(tǒng)的重要指標[1]。錐型閥作為控制、調節(jié)執(zhí)行機構的關鍵液壓元件，具有節(jié)流調速，負載阻尼，緩沖等作用，故其對整個液壓系統(tǒng)的性能影響顯得尤為重要，因此對錐型閥的性能研究便成為了液壓工程研究的重點之一[2-3]。以前學者的研究，一是通過對錐型閥的結構及流體特性進行理論分析，結合相應的實驗，找出相關規(guī)律[4-6]。二是通過相應的分析軟件對錐型閥進行仿真，模擬出錐型閥在不同工況下的結果，對其性能指標進行分析，繼而為性能提升和結構優(yōu)化提供了參考方向[7-9]。

本文以一級和二級錐型閥為研究對象，根據其結構原理進行動態(tài)特性數學建模，并基于AMEsim軟件根據實體模型搭建出HCD液壓元件模型，進行了仿真實驗。根據仿真結果，分析了各關鍵因素對錐型閥動態(tài)特性的影響情況，同時重點對比分析了一級和二級錐型閥兩種結構在不同工況下的動態(tài)性能，使錐型閥的動態(tài)特性研究更全面，也為錐型閥的結構的優(yōu)化和進一步探究振動和噪聲等問題奠定了基礎。

1 錐型閥的理論分析

1.1 閥芯結構及動態(tài)模型

如圖1和圖2所示，分別是一級和二級錐型閥的閥芯及閥口結構示意圖。本文選取外流式錐型閥進行仿真實驗，即液壓油的流向為P口流入T口流出。

1.2 流量方程

其閥口型式為環(huán)形節(jié)流口，因此計算該環(huán)形閥口的流量可以近似使用小孔流量方程來求解[10]，故經過節(jié)流閥口的流量為：

1.3 流量連續(xù)性方程

結合閥芯結構及工作原理，并考慮到油液的可壓縮性，則閥腔中流量連續(xù)性方程可表述為：

1.4 閥芯力平衡方程

上述錐型閥的動態(tài)特性數學方程（1）、（2）、（3）對下一步參數的設置具有重要的意義。

2 建立錐型閥仿真模型

2.1 建立AMEsim模型

由于研究各因素對錐型閥性能的影響，因此本文采用AMEsim的元件級建模[11-12]。HCD庫為用戶提供了豐富可選的液壓元件的組件模型[13]。

圖3和圖4分別是一級和二級錐型閥AMEsim動態(tài)仿真模型。在建模的過程中，為了使所建立的仿真模型更接近實際，對模型進行了必要的簡化和替換[14]。本文認為溫度恒定;考慮到閥芯的慣性效應的影響，加入了質量塊子模型來模擬閥芯慣性效果;加入可變容積子模型來模擬液壓泵到節(jié)流閥之間的油路過程;為了防止出口處發(fā)生油液倒流現象，加入了單向閥[15]。對于二級錐型閥特別加入了恒定容積來模擬閥腔。

2.2 參數設置

搭建完成一級和二級錐型閥的AMEsim仿真模型后，對子模型的參數設置也是仿真實驗的關鍵，將影響著仿真結果的準確性[16-17]。

2.2.1 閥芯結構參數

針對一級和二級兩種結構的錐型閥，其閥芯結構具體參數如表1所示。

2.2.2 子模型參數設置

根據上述數學模型，對子模型參數進行相關設置。具體如表2所示。其中有些參數需要在具體的分析中動態(tài)取值，故沒有一一列舉。

3 動態(tài)特性仿真及影響因素分析

在AMEsim的仿真模式下，通過給定非研究變量的某一確定值，再逐一改變研究變量的值，獲得各影響因素的仿真結果[18]。并對比和分析一級和二級錐型閥流量的動態(tài)特性。

將一級和二級錐型閥的仿真參數中所有變量對應取得相同的數值，其中系統(tǒng)壓力4MPa、開口度3mm、彈簧剛度60.24N/mm、背壓可調節(jié)流口直徑1.5mm，進行仿真實驗。獲得流量特性曲線如圖5和圖6所示，其中一級錐型閥在開啟時較為平穩(wěn)，流量增加的速度先增大后減小，達到峰值后回落至穩(wěn)定流量的過渡過程有波動，且波動時間較長;二級錐型閥在啟動瞬時流量劇增，隨后即有振蕩，但是過渡到穩(wěn)定流量值時運行平穩(wěn)無波動。說明二級節(jié)流閥在開啟的瞬間易引起油液的脈動;但二級錐型閥的響應速度快于一級錐型閥，且從流量峰值過渡至穩(wěn)定值時快速平穩(wěn)。

3.1 系統(tǒng)壓力的影響

系統(tǒng)壓力作為錐型閥的入口壓力，對其動態(tài)特性有重要的影響。將非研究變量設置成開口度3mm，彈簧剛度60.24N/mm，背壓可調節(jié)流閥直徑1.5mm。研究變量系統(tǒng)壓力梯度取值依次為2、4、5MPa，分別進行仿真模擬。

從圖7至10可以看出，一級和二級錐型閥的穩(wěn)態(tài)流量值皆隨著壓力的增大而增大。一級錐型閥流量達到穩(wěn)定值需要的時間隨著壓力的增大而減小。二級錐型閥在開啟瞬時流量振蕩強度幾乎不受系統(tǒng)壓力的影響。

3.2 彈簧剛度的影響

彈簧不僅影響著錐型閥啟閉特性，而且具有維持穩(wěn)定性的作用[19-20]，因此彈簧的選擇至關重要。非研究變量的設置為開口度3mm，系統(tǒng)壓力4MPa，背壓可調節(jié)流閥直徑1.5mm。研究變量彈簧剛度依次取值50.24、55.24、60.24N/mm。彈簧預壓力依次設置為1104.3、1094.3、1084.3N。

從圖11至14可以看出。一級錐型閥受彈簧剛度的影響較大，彈簧剛度越大錐型閥的開啟越延遲。同時彈簧剛度越小錐型閥的動態(tài)流量的波動越大，波動時間越長。二級錐型閥和一級錐型閥相比，彈簧剛度對流量動態(tài)特性的影響集中表現在了閥開啟的瞬時，彈簧剛度越低則流量的振蕩強度越大，但達到穩(wěn)態(tài)流量所需的時間比一級閥短。

3.3 背壓的影響

在實際工作中，根據具體工作要求，背壓的選擇也不盡相同，因此背壓也是重要影響因素之一[21]。非研究變量設置為系統(tǒng)壓力4MPa，開口度3mm，彈簧剛度60.24N/mm，研究變量背壓可調節(jié)流口直徑依次設置為1mm、1.5mm、2mm。

從圖15～18可以看出，背壓越小，錐型閥的流量穩(wěn)態(tài)值越大，且流量達到穩(wěn)定值的時間也越短。說明背壓對于錐型閥的流量動態(tài)變化趨勢幾乎無影響，但背壓越小響應速度越快。

4 結 論

本文借助AMEsim軟件搭建了一級和二級錐型閥的模型，并通過將影響因素作為研究變量進行了仿真分析，得到以下結論：

1）二級錐型閥相比一級錐型閥，在開啟瞬間有振蕩不穩(wěn)定，但二級閥的響應速度快于一級閥，且流量峰值過渡至穩(wěn)定值快速平穩(wěn)。

2）系統(tǒng)壓力對一級和二級錐型閥的穩(wěn)態(tài)流量影響都比較大，且壓力越大穩(wěn)態(tài)流量越大，對動態(tài)過程影響不大。背壓對流量動態(tài)變化趨勢影響不大，但背壓越小，流量達到穩(wěn)定值的時間越短。

3）彈簧剛度對一級錐型閥的影響較大，彈簧剛度越大錐型閥的開啟會有延遲，且彈簧剛度越小，錐型閥的動態(tài)流量變化的波動越大，波動時間越長;二級閥和一級閥相比，彈簧剛度主要在錐型閥開啟的瞬時影響較大，彈簧剛度越小則流量的振蕩強度越大，但其穩(wěn)態(tài)效果基本恒定，影響不大。

參 考 文 獻：

[1] 許仰曾. 我國液壓工業(yè)與技術的發(fā)展現狀與展望的戰(zhàn)略思考[C]// 中國機械工程學會流體傳動與控制分會全國流體傳動與控制學術會議. 2010：1.

[2] 陳晉市，劉昕暉，元萬榮，等.典型液壓節(jié)流閥口的動態(tài)特性[J].西南交通大學學報，2012，47（2）：325.

[3] 劉桓龍， 唐銀， 鄧斌，等. 阻尼結構對錐閥壓力特性的影響[J]. 科學技術與工程， 2015， 15（16）：58.

[4] 張健， 姜繼海， 白云峰，等. 錐型節(jié)流閥壓力特性仿真與試驗[J]. 華中科技大學學報（自然科學版）， 2015， 43（4）：64.

[5] 陸亮.液壓節(jié)流閥中的空化流動與噪聲[D].杭州：浙江大學，2012：6.

[6] FALES Roger.Stability and Performance Analysis of a Metering Poppet Valve[J].International Journal of Fluid Power， 2006， 7（2）： 11.

[7] NIE Songlin， HUANG Guohe， LI Yongping， et al. Research on Low Cavitation in Water Hydraulic Twostage Throttle Poppet Valve[J]. Journal of Process Mechanical Engineering， 2006， 220（3）： 167.

[8] KUMAGAI K，RYU S，OTA M，et al. Investigation of Poppet Valve Vibration with Cavitation[J]. International Journal of Fluid Power，2015， 50（50）： 1.

[9] 金勝秋.基于AMESim的液壓同步閥的仿真分析及結構研究[D].長春：吉林大學，2009：9.

[10]牛雪虹.水壓比例節(jié)流閥的設計及仿真研究[D].蘭州：蘭州理工大學，2013：10.

[11]王繼努， 李天富， 段方亮，等. AMESim在液壓元件仿真中的應用研究[J]. 液壓氣動與密封， 2011， 31（3）：1.

[12]陶柳， 朱石沙， 王云， 等. 基于AMESim節(jié)流調速回路仿真及實驗研究[J]. 機床與液壓， 2017， 45（2）：96.

[13]梁全，謝基晨，聶利衛(wèi). 液壓系統(tǒng)AMESim計算機仿真進階教程[M].北京：機械工業(yè)出版社， 2016：109.

[14]袁士豪，殷晨波，劉世豪. 基于AMESim的平衡閥動態(tài)性能分析[J].農業(yè)機械學報，2013，44（8）：273.

[15]劉秀梅， 賀杰， 龍正， 等. 結構尺寸對二級節(jié)流閥空化流動特性的影響[J]. 振動與沖擊， 2015， 34（23）：143.

[16]張憲宇，陳小虎，何慶飛， 等. 基于AMESim液壓元件設計庫的液壓系統(tǒng)建模與仿真研究[J].機床與液壓，2012，40（13）：172.

[17]楊揚， 張翼. 基于AMESim的錐閥和球閥式液壓閥動態(tài)特性分析[J]. 煤礦機械， 2015， 36（4）：154.

[18]陳晉市， 王國強， 龔勛，等. 插裝式單向溢流閥特性[J]. 吉林大學學報（工學版）， 2016， 46（2）： 465.

[19]賴振宇. 大流量高響應比例節(jié)流閥的研究[D].杭州：浙江大學，2007：12.

[20]訚耀保， 趙艷培， Hongson Phamxuan. 錐型閥芯的高壓氣動減壓閥設計分析[J]. 流體傳動與控制， 2011（2）：1.

[21]劉會永. 背壓對液壓系統(tǒng)的影響[J]. 機械工程師， 2016（9）：152.

（編輯：關 毅）