基于AMESim的防振液壓安全閥設(shè)計(jì)與試驗(yàn)研究

(陜西理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院， 陜西漢中 723000)

引言

液壓安全閥屬于一種特殊的溢流閥，是液壓系統(tǒng)重要的組成元件[1]，用于保護(hù)液壓系統(tǒng)安全。液壓安全閥根據(jù)結(jié)構(gòu)可分為直動(dòng)式和先導(dǎo)式2種。直動(dòng)式安全閥由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、響應(yīng)靈敏等特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛[2]。但常規(guī)的直動(dòng)式安全閥在閥芯開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)易產(chǎn)生壓力波動(dòng)，使系統(tǒng)產(chǎn)生振動(dòng)，嚴(yán)重時(shí)造成接頭松動(dòng)、管路破裂。近年來(lái)不少文獻(xiàn)對(duì)液壓安全閥的動(dòng)態(tài)特性、閥芯結(jié)構(gòu)等進(jìn)行了研究。李閣強(qiáng)等[3]通過(guò)建立閥芯瞬態(tài)液動(dòng)力和靜態(tài)液動(dòng)力數(shù)學(xué)模型，并模擬實(shí)際工況進(jìn)行了動(dòng)態(tài)仿真，論證了液動(dòng)力也是引起閥芯振動(dòng)和導(dǎo)致安全閥穩(wěn)態(tài)特性差的主要原因。韓偉等[4]從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、關(guān)鍵零部件設(shè)計(jì)、壓力沖擊特性等方面細(xì)致地研究了安全閥的動(dòng)態(tài)特性問(wèn)題。楊帥鵬[5]利用AMESim建立了安全閥的HCD模型，得出了大流量安全閥的最佳動(dòng)態(tài)特性參數(shù)值，同時(shí)還設(shè)計(jì)了3種不同溢流孔形狀的閥芯結(jié)構(gòu)，驗(yàn)證了大流量安全閥的抗沖擊試驗(yàn)特性。馮喆等[6]、侯艷艷等[7]利用AMESim平臺(tái)開(kāi)展了溢流閥故障診斷及預(yù)測(cè)研究工作。

為消除安全閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的壓力波動(dòng)，本研究設(shè)計(jì)了一種防振安全閥，并采用AMESim軟件對(duì)安全閥動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行仿真分析，最后通過(guò)安全閥樣機(jī)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了計(jì)算和仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。綜上所述，本研究為防振液壓安全閥的設(shè)計(jì)及液壓系統(tǒng)的消振研究提供一定的參考依據(jù)。

1 液壓安全閥技術(shù)要求

液壓安全閥的技術(shù)要求見(jiàn)表1。

表1 液壓安全閥技術(shù)要求

2 防振液壓安全閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)液壓安全閥技術(shù)要求，該安全閥的結(jié)構(gòu)選用直動(dòng)式，為減小泄漏量，采用錐閥密封結(jié)構(gòu)。由于系統(tǒng)壓力較高，為避免安全閥在高壓下振動(dòng)，在閥芯和閥座之間設(shè)置了一個(gè)環(huán)形阻尼結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

1.管接頭 2.彈簧 3.閥芯 4.閥座 5.密封圈 6.殼體圖1 安全閥結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力高于安全閥開(kāi)啟壓力時(shí)，閥芯在液壓力的作用下，克服彈簧力和摩擦力打開(kāi)卸壓，保護(hù)系統(tǒng)，在此過(guò)程中，閥芯運(yùn)動(dòng)使阻尼腔體積增大，油液需經(jīng)環(huán)形節(jié)流口對(duì)其進(jìn)行填充，此時(shí)阻尼力阻止閥芯開(kāi)啟，使開(kāi)啟過(guò)程變得平穩(wěn)；當(dāng)系統(tǒng)壓力下降至安全閥關(guān)閉壓力時(shí)，閥芯在彈簧力的作用下關(guān)閉，在此過(guò)程中，閥芯運(yùn)動(dòng)使阻尼腔體積減小，油液需經(jīng)環(huán)形節(jié)流口排出，此時(shí)阻尼力阻止閥芯關(guān)閉，使關(guān)閉過(guò)程變得平穩(wěn)。由于在安全閥的開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，始終有一個(gè)阻尼力反作用于閥芯，因此有效減緩了系統(tǒng)的壓力波動(dòng)。

2.1 進(jìn)口等效通徑確定

安全閥的進(jìn)口等效通徑尺寸在一定程度上決定了閥的性能，等效通徑計(jì)算公式為[8]：

(1)

式中，d—— 進(jìn)口等效通徑，mm

Q1—— 最大流量，L/min

v—— 流速，m/s

根據(jù)安全閥技術(shù)要求,Q1為5 L/min，流速v取7.8 m/s，則產(chǎn)品等效通徑d為3.7 mm。

2.2 閥芯開(kāi)度計(jì)算

根據(jù)安全閥實(shí)際使用情況，其進(jìn)、出口壓差較大，流量計(jì)算公式[8]：

(2)

式中，Q—— 安全閥全開(kāi)流量，m3/s

C—— 流量系數(shù)(取0.6)

x—— 閥芯最小開(kāi)度，m

θ—— 錐閥半角，°

Δp—— 錐閥前后壓差，Pa

ρ—— 介質(zhì)密度，kg/m3

15號(hào)航空液壓油密度ρ為833.33 kg/m3，錐閥半角θ取30°，計(jì)算得出x≥0.08 mm，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取x=0.4 mm。

2.3 閥芯開(kāi)啟時(shí)所需彈簧力的計(jì)算

當(dāng)安全閥開(kāi)啟時(shí)，閥芯主要承受液壓力、摩擦力、重力及阻尼腔的阻尼力。由于安全閥工作壓力較高，故忽略摩擦力和閥芯重力；由于阻尼力為動(dòng)態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的力，故靜態(tài)時(shí)取0，閥芯受力示意圖見(jiàn)圖2。

圖2 閥芯受力示意圖

閥芯受力平衡公式為：

Fx0=p開(kāi)啟A

(3)

式中，F(xiàn)x0—— 閥芯開(kāi)啟時(shí)的彈簧彈力，N

p開(kāi)啟—— 閥芯開(kāi)啟時(shí)所受的液壓力，MPa

A—— 液壓力作用面積，mm2

根據(jù)安全閥開(kāi)啟壓力、進(jìn)口通徑計(jì)算得到閥芯開(kāi)啟時(shí)的彈簧力Fx0=408.2 N。

同理可得全開(kāi)時(shí)的彈簧力F全開(kāi)=439.6 N。

2.4 彈簧剛度計(jì)算

由圖2閥芯受力示意圖可得：

p全開(kāi)A=ks(x0+x)

(4)

p開(kāi)啟A=ksx0

(5)

ksx=(p全開(kāi)-p開(kāi)啟)A

(6)

式中，p全開(kāi)—— 安全閥的全開(kāi)壓力，MPa

ks—— 彈簧的剛度

x0—— 彈簧預(yù)壓縮量，mm

x—— 閥芯開(kāi)度，mm

將上述計(jì)算結(jié)果代入式(6)得出ks=78.5 N/mm。

3 AMESim液壓性能仿真

傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)建模方法已無(wú)法計(jì)算出安全閥的壓力流量特性，本研究采用AMESim軟件建立該安全閥的系統(tǒng)模型并進(jìn)行仿真[9]。在AMESim 運(yùn)行過(guò)程中，每一個(gè)物理模型圖對(duì)應(yīng)著一定的數(shù)學(xué)模型，因此與系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型即狀態(tài)方程之間存在邏輯上的一致性[10]。

3.1 AMESim仿真模型建立

根據(jù)安全閥的結(jié)構(gòu)和工作原理建立仿真模型。圖3為安全閥仿真模型，圖4為動(dòng)態(tài)特性仿真模型，圖5為啟閉特性仿真模型，具體參數(shù)見(jiàn)表2。

圖3 安全閥AMESim仿真模型

圖4 動(dòng)態(tài)特性仿真模型

圖5 啟閉特性仿真模型

元件名稱變量參數(shù)環(huán)形節(jié)流孔阻尼孔大徑/mm2.83阻尼孔小徑/mm2.8長(zhǎng)度/mm6進(jìn)口節(jié)流孔等效直徑/mm3.7出口節(jié)流孔等效直徑/mm6阻尼腔活塞最小處直徑/mm1.8閥芯閥芯直徑/mm6.8通徑/mm3閥芯最小處桿徑/mm1.8錐閥半角/(°)30閥芯節(jié)流口等效直徑/mm3質(zhì)量塊質(zhì)量/kg0.002彈簧活塞直徑/mm6.8桿徑/mm0彈簧剛度/N·mm-178.5初始位置彈簧力/N408.2恒流量源流量/L·min-15循環(huán)階躍信號(hào)頻率/Hz0.5占空比50換向閥流阻/MPa0.1通流能力/L·min-1100斜坡壓力源第一階段壓力變化/MPa0～35.5第一階段持續(xù)時(shí)間/s2第二階段恒定壓力/MPa35.5第二階段持續(xù)時(shí)間/s2第三階段壓力變化/MPa35.5～0第三階段持續(xù)時(shí)間/s2油箱背壓/MPa0.5

3.2 動(dòng)態(tài)特性仿真

按圖4進(jìn)行動(dòng)態(tài)特性仿真。安全閥動(dòng)態(tài)特性曲線如圖6所示，局部放大得到升壓特性曲線(圖7)和卸壓特性曲線(圖8)。由曲線可得該安全閥最大峰值壓力約為36.1 MPa，調(diào)定壓力約為35 MPa，壓力超調(diào)率為3.15%，安全閥升壓時(shí)間約為0.0047 s，穩(wěn)壓時(shí)間約為0.0025 s，卸壓(關(guān)閉)時(shí)間約為0.00065 s，均滿足要求。

圖6 動(dòng)態(tài)特性曲線

圖7 升壓特性曲線

圖8 卸壓特性曲線

3.3 啟閉特性仿真

按圖5進(jìn)行啟閉特性仿真。安全閥的啟閉特性指安全閥在開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中，壓力與流量之間的關(guān)系。通過(guò)仿真，安全閥壓力流量特性曲線如圖9所示。由曲線可得全流量(5 L/min)時(shí)壓力約為34.99 MPa。將圖9進(jìn)行局部放大，得到安全閥開(kāi)啟、關(guān)閉壓力曲線(圖10)。由曲線可得安全閥開(kāi)啟壓力為33.008 MPa，關(guān)閉壓力為32.995 MPa(仿真時(shí)的關(guān)閉壓力為理論流量為零時(shí)的壓力)，均滿足要求。

圖9 安全閥壓力流量特性曲線

圖10 安全閥開(kāi)啟、關(guān)閉壓力曲線

3.4 阻尼特性分析

按圖4進(jìn)行安全閥阻尼特性分析。安全閥阻尼腔壓力特性曲線如圖11所示。對(duì)曲線進(jìn)行局部放大，得到安全閥開(kāi)啟過(guò)程阻尼特性曲線(圖12)和安全閥關(guān)閉過(guò)程阻尼特性曲線(圖13)。

圖11 安全閥阻尼特性曲線

由圖12可得，安全閥開(kāi)啟時(shí)，阻尼腔壓力上升滯后于安全閥進(jìn)口壓力。由于安全閥門的突然開(kāi)啟，阻尼力會(huì)有一段下降，因此該阻尼力能夠起到減緩閥芯開(kāi)啟的作用。

圖12 安全閥開(kāi)啟過(guò)程阻尼特性曲線

由圖13可得，安全閥關(guān)閉時(shí)，安全閥進(jìn)口壓力持續(xù)下降，而阻尼力由于閥芯的突然關(guān)閉，會(huì)有一段上升，峰值壓力為41 MPa，隨后減小，且減小的速度滯后于安全閥的進(jìn)口壓力，因此該阻尼力能起到減緩閥芯關(guān)閉的作用。

圖13 安全閥關(guān)閉過(guò)程阻尼特性曲線

圖14為安全閥阻尼腔流量特性曲線。由曲線可得，在安全閥開(kāi)啟時(shí)，阻尼腔容積增大，產(chǎn)生“吸油”現(xiàn)象；在安全閥關(guān)閉時(shí)，阻尼腔容積減小，產(chǎn)生“排油”現(xiàn)象。由于安全閥關(guān)閉速度比開(kāi)啟速度快，因此關(guān)閉時(shí)的流量也比開(kāi)啟時(shí)的大。

圖14 安全閥阻尼腔流量特性曲線

為分析環(huán)形阻尼結(jié)構(gòu)對(duì)安全閥性能的影響，在AMESim軟件中，將安全閥阻尼結(jié)構(gòu)去掉后進(jìn)行仿真，仿真模型如圖15所示。通過(guò)仿真，得到圖16不含阻尼結(jié)構(gòu)安全閥動(dòng)態(tài)特性曲線。由曲線可以得到，由于流量的突變，安全閥開(kāi)啟后進(jìn)口壓力在調(diào)定壓力附近產(chǎn)生波動(dòng)。

圖15 不含阻尼結(jié)構(gòu)安全閥動(dòng)態(tài)特性仿真模型

圖16 不含阻尼結(jié)構(gòu)安全閥動(dòng)態(tài)特性曲線

由以上仿真結(jié)果可得，設(shè)計(jì)出的防振液壓安全閥性能滿足要求，其阻尼結(jié)構(gòu)能夠有效降低安全閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的壓力波動(dòng)。

3 試驗(yàn)項(xiàng)目及結(jié)果

3.1 試驗(yàn)原理

該液壓安全閥密封性、開(kāi)啟、關(guān)閉、耐壓試驗(yàn)、全開(kāi)壓力等性能試驗(yàn)原理圖如圖17所示。

1.油箱 2.過(guò)濾器 3.泵 4.單向閥 5.壓力表

3.2 試驗(yàn)結(jié)果

該液壓安全閥樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果基本相同，同時(shí)也驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

表3 液壓安全閥樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果 MPa

4 結(jié)論

(1) 根據(jù)技術(shù)要求確定了防振液壓安全閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，為仿真模型的搭建提供了數(shù)據(jù)；

(2) 根據(jù)防振液壓安全閥的工作原理，建立了該液壓安全閥的AMESim仿真模型，為仿真分析建立了研究平臺(tái)；

(3) 通過(guò)對(duì)液壓安全閥的動(dòng)態(tài)特性、啟閉特性、阻尼特性進(jìn)行仿真分析，結(jié)果表明該防振液壓安全閥開(kāi)啟、關(guān)閉時(shí)的壓力波動(dòng)大大減小，能夠有效起到防振作用；

(4) 利用該防振液壓安全閥樣機(jī)進(jìn)行了性能試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)仿真分析結(jié)果基本相同，為防振液壓安全閥的設(shè)計(jì)和液壓系統(tǒng)的消振研究提供一定的參考依據(jù)。