電液換向閥的啟動(dòng)動(dòng)態(tài)特性分析★

李 優(yōu)

（山西工程職業(yè)學(xué)院，山西 太原 030009）

方向控制閥作為液壓控制系統(tǒng)的重要組成元件，在系統(tǒng)工作介質(zhì)的控制過(guò)程中起到關(guān)鍵作用，主要通過(guò)閥芯與閥體的多種配合方式改變油路，控制執(zhí)行元件實(shí)現(xiàn)不同功能。隨著現(xiàn)代設(shè)備對(duì)液壓系統(tǒng)的可靠性和靈敏度提出越來(lái)越高的要求，換向閥的工作性能在系統(tǒng)的穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、沖擊振動(dòng)等方面均有較大影響，因此有必要分析換向閥的動(dòng)態(tài)特性。

1 電液換向閥的工作原理

如圖1所示的二位三通插裝式電液換向閥結(jié)構(gòu)原理圖，換向閥主閥的主要結(jié)構(gòu)包括進(jìn)回油閥套以及一、二級(jí)閥芯和復(fù)位彈簧，先導(dǎo)閥由一對(duì)小型球閥控制動(dòng)作，主閥由一對(duì)順序啟動(dòng)的閥芯控制[1]。電磁鐵通電后控制先導(dǎo)閥導(dǎo)通，高壓工作介質(zhì)先后流過(guò)先導(dǎo)閥和控制口K到達(dá)主閥的控制容腔作用于主閥芯左側(cè)錐面[2]，在工作介質(zhì)壓力作用下克服密封圈阻尼和流體壓力將一級(jí)閥芯推開(kāi)，閥芯與閥座左側(cè)錐面配合，閥口T關(guān)閉；隨著主閥控制容腔的壓力不斷升高，當(dāng)作用力超過(guò)復(fù)位彈簧的預(yù)緊力和閥芯右側(cè)工作介質(zhì)作用力之和時(shí)二級(jí)閥芯導(dǎo)通，二級(jí)閥芯的開(kāi)口度受回油閥套軸向錐面限制，高壓工作介質(zhì)由閥口P進(jìn)入閥口A，電液換向閥開(kāi)啟[3]。電液換向閥的液壓系統(tǒng)工作壓力為31.5 MPa，主閥公稱流量Q=1 000 L/min。

圖1 電液換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

由一、二級(jí)閥芯的開(kāi)啟過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，一級(jí)閥芯工作面積相對(duì)于二級(jí)閥芯面積較小，閥芯動(dòng)作需要的外力更小，對(duì)進(jìn)回油口的壓力更加敏感，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性較好，但也容易引起閥芯受力不平衡而產(chǎn)生閥芯振動(dòng)；閥體與一、二級(jí)閥芯均采用間隙配合被嵌套在一條軸線內(nèi)，兩級(jí)閥芯順序動(dòng)作液壓沖擊小且結(jié)構(gòu)緊湊，缺點(diǎn)是制造和裝配工藝要求高，閥芯工作時(shí)容易受徑向不平衡力、液動(dòng)力和裝配精度等因素影響而偏心卡死；控制口在閥芯動(dòng)作過(guò)程中起到阻尼孔的作用，孔的直徑對(duì)流體的流速和壓力損失有較大影響，尤其是二級(jí)閥芯導(dǎo)通需要較大的流量和壓力，因此有必要分析阻尼孔對(duì)主閥動(dòng)態(tài)特性的影響。

2 電液換向閥的仿真模型

AMEsim是一個(gè)多學(xué)科領(lǐng)域復(fù)雜系統(tǒng)建模仿真平臺(tái)，在液壓領(lǐng)域的應(yīng)用尤為廣泛。因此，使用該軟件搭建電液換向閥的仿真模型（見(jiàn)下頁(yè)圖2），并根據(jù)仿真結(jié)果從閥芯的位移、流體流速和壓力變化等方面分析換向閥的動(dòng)態(tài)性能[4]。以典型的液壓缸伸出過(guò)程為模擬對(duì)象，研究換向閥的工作特性。由于研究的主要對(duì)象為電液換向閥主閥，所以對(duì)系統(tǒng)中的其他液壓元件使用仿真平臺(tái)設(shè)計(jì)好的標(biāo)準(zhǔn)元件，主要涉及的元件有單向閥、溢流閥、液壓缸、負(fù)載和液壓泵。使用力學(xué)信號(hào)源代替電磁鐵的動(dòng)力輸入，使用球形元件模擬球閥，可限制行程的質(zhì)量塊模擬先導(dǎo)閥芯的質(zhì)量和開(kāi)口度；使用固定腔活塞、球形閥口和可限制行程的質(zhì)量塊模擬主閥芯1，用于模擬主閥的一級(jí)閥芯；使用帶彈簧活塞、球形閥口（帶銳邊閥座）、錐閥閥芯、可限制行程的質(zhì)量塊和活塞模擬主閥芯2，用于模擬主閥的二級(jí)閥芯，確保先導(dǎo)閥的關(guān)鍵參數(shù)都能在仿真模型中予以模擬。根據(jù)國(guó)標(biāo)規(guī)定和電液換向閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)置仿真模型的參數(shù)，設(shè)定仿真總時(shí)長(zhǎng)為0.5 s，模擬計(jì)算步長(zhǎng)為0.005 s，設(shè)置好參數(shù)后開(kāi)始仿真。

圖2 電液換向閥工作系統(tǒng)AMESim模型

3 仿真結(jié)果分析

圖3是一、二級(jí)閥芯的位移圖，由圖可知一級(jí)閥芯的開(kāi)啟時(shí)間約為0.015 s，二級(jí)閥芯的導(dǎo)通時(shí)間約為0.14 s，二級(jí)閥芯的導(dǎo)通時(shí)間滯后約0.065 s。換向閥主閥的工作原理是，一、二級(jí)閥芯順序?qū)?，主要由閥芯的結(jié)構(gòu)和流體壓力決定，一級(jí)閥芯開(kāi)啟后閥芯位移不斷增大至9 mm后停止，動(dòng)作持續(xù)時(shí)間約0.03 s，此時(shí)閥口T關(guān)閉，二級(jí)閥芯導(dǎo)通后經(jīng)過(guò)0.09 s完全打開(kāi)，此時(shí)閥芯的口開(kāi)度為8 mm，進(jìn)回油口P－A導(dǎo)通，二級(jí)閥芯開(kāi)啟速度比一級(jí)閥芯開(kāi)啟速度慢，主要是進(jìn)由于回油口導(dǎo)通后閥芯背壓增大、復(fù)位彈簧彈力增大以及密封圈非線性阻尼變化。

圖3一、二級(jí)閥芯的位移圖

圖4 為換向閥閥口流量，0.14 s時(shí)閥口流量開(kāi)始增加，說(shuō)明二級(jí)閥芯開(kāi)始導(dǎo)通，0.2 s時(shí)閥口流量趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定流量約為1 020 L/min，而此時(shí)二級(jí)閥芯的開(kāi)口度約4 mm，說(shuō)明閥口流量在二級(jí)閥芯打開(kāi)至約50.0%時(shí)不再變化。圖5為閥口流量峰值部分放大圖，由圖可知閥口峰值流量約1 290 L/min，閥口流量超調(diào)量約26.5%，峰值流量較閥的設(shè)計(jì)流量超出較多，且閥芯導(dǎo)通過(guò)程中伴隨較為明顯的振動(dòng)現(xiàn)象，在0.18 s時(shí)振動(dòng)得到有效緩解，此時(shí)閥芯開(kāi)口度約2.8 mm，由此可知閥芯振動(dòng)的主要原因是在開(kāi)口度較低（低于35.0%）時(shí)閥口壓力與控制腔壓力波動(dòng)造成閥芯受力突變引起的，控制腔容積突然增大時(shí)流體由于阻尼口的限制作用而不能及時(shí)得到補(bǔ)充，造成腔內(nèi)流體壓力降低，二級(jí)閥芯受到的推力減弱，控制腔流體、閥芯與進(jìn)回液口流體互相耦合而引發(fā)振動(dòng)。

圖4 換向閥閥口流量圖

圖5閥口流量峰值部分放大圖

圖6 為換向閥主閥的出口壓力圖，閥口壓力在0.148 s時(shí)激增至27.1 MPa（271 bar），此時(shí)閥芯的位移約0.5 mm（開(kāi)口度占全行程約6.25%），隨后閥芯產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)歷0.035 s后閥芯的位移約2.7 mm，閥口壓力穩(wěn)定在25.0 MPa（250 bar）附近，此后閥口壓力、流量均不再變化，換向閥穩(wěn)定導(dǎo)通。閥口壓力超調(diào)量約為8.4%，較高的壓力沖擊容易使閥芯和閥座受到損傷，同時(shí)頻繁的振動(dòng)容易加速縮短密封圈的使用壽命。

圖6 主閥出口壓力圖

分析發(fā)現(xiàn)：閥口開(kāi)度在0.5~2.8 mm（占全行程約6.25%~35.0%）時(shí)閥芯產(chǎn)生沖擊和振動(dòng)，主要原因是閥口壓力與控制腔壓力波動(dòng)；進(jìn)回油P-A口流量在閥芯位移為4 mm（占全行程約50.0%）后就不再變化，說(shuō)明閥口流量與閥芯開(kāi)口度存在階段性關(guān)系，需要后期通過(guò)試驗(yàn)予以驗(yàn)證。

4 控制口直徑的影響

換向閥控制孔的尺寸會(huì)影響油液進(jìn)入控制腔的流量和壓力分布，最終在與閥芯、閥口流體壓力的耦合過(guò)程中產(chǎn)生不同的動(dòng)態(tài)特性，對(duì)控制孔直徑分別為0.6 mm、1.0 mm、1.2 mm進(jìn)行分析，改變控制孔的直徑參數(shù)后進(jìn)行仿真，并把三種情況下的同種仿真結(jié)果合并到同一張圖上對(duì)比分析。

圖7為不同控制孔直徑下的閥芯位移圖，由圖可知，控制孔直徑越小二級(jí)閥芯的開(kāi)啟時(shí)間越長(zhǎng)，且閥芯的動(dòng)作速度也會(huì)明顯減慢，閥芯完成開(kāi)啟的時(shí)間也進(jìn)一步延長(zhǎng)。不同控制孔直徑下的閥芯速度分布可由圖8進(jìn)一步得出，控制口直徑約1 mm時(shí)閥芯速度在0.09 m/s附近波動(dòng)，控制口直徑為0.6 mm時(shí)閥芯速度在0.05 m/s附近波動(dòng)，三種情況下閥芯均出現(xiàn)振動(dòng)現(xiàn)象，控制口直徑越小閥芯振動(dòng)幅度越小，且越容易趨于穩(wěn)定，說(shuō)明較小的控制口直徑容易保持閥芯啟動(dòng)過(guò)程穩(wěn)定，但也會(huì)犧牲閥芯的開(kāi)啟時(shí)間。

圖7 不同控制孔直徑下的閥芯位移圖

圖8 不同控制孔直徑下的閥芯速度圖

圖9為不同控制孔直徑下的閥芯流量分布圖，分析發(fā)現(xiàn)，控制孔的直徑對(duì)換向閥的閥口流量變化情況沒(méi)有明顯影響，而是通過(guò)影響閥芯的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)影響流量。

圖9 不同控制孔直徑下的閥芯流量分布圖

綜上分析發(fā)現(xiàn)控制孔的直徑主要影響換向閥二級(jí)閥芯的啟動(dòng)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)還影響閥芯的振動(dòng)劇烈程度和恢復(fù)穩(wěn)定時(shí)間，較大的控制孔直徑容易引起控制腔壓力突變，加劇閥芯振動(dòng)和沖擊，導(dǎo)致?lián)Q向閥元件產(chǎn)生沖擊破壞。通過(guò)科學(xué)分析結(jié)合產(chǎn)品設(shè)計(jì)目標(biāo)選擇合理的控制孔直徑是一種延長(zhǎng)換向閥使用壽命、提高閥動(dòng)態(tài)特性的有效措施。

5 結(jié)語(yǔ)

電液換向閥作為液壓系統(tǒng)的重要組成元件，動(dòng)態(tài)性能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性和可靠性有較大影響，有必要進(jìn)一步提高對(duì)系統(tǒng)內(nèi)關(guān)鍵元件的研究力度，尤其是通過(guò)合理詳實(shí)的分析確定元件上各個(gè)組成部分的最優(yōu)參數(shù)。