基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥性能研究

滿 輝,孟利民,王小軍

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

溢流閥作為現(xiàn)代液壓設(shè)備中的主要液壓控制元件，其主要作用是對(duì)液壓系統(tǒng)定壓或進(jìn)行安全保護(hù)，在流體傳動(dòng)與控制中有著廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)主要包括閥體、閥芯、彈簧以及調(diào)壓螺母等，工作時(shí)，當(dāng)調(diào)定壓力達(dá)到了先導(dǎo)閥的開啟壓力時(shí)，液壓力作用于先導(dǎo)閥的前端，克服彈簧的預(yù)緊力，從而將先導(dǎo)閥打開，造成主閥閥芯上、下壓力不同，在壓力差的作用下，主閥芯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)壓力控制功能。隨著液壓技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于適用于高壓、超高壓液壓系統(tǒng)的壓力控制閥有了越來(lái)越高的要求。

由于傳統(tǒng)先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)與工作原理的限制，使其調(diào)定的最高壓力有限，動(dòng)作存在滯后性，不能完全滿足高壓系統(tǒng)對(duì)液壓控制閥反應(yīng)靈敏性、動(dòng)作準(zhǔn)確性和可靠性的要求。近年來(lái)，對(duì)溢流閥的理論研究主要集中于結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和負(fù)載特性方面，如劉坤華等[2]、杜宏辰等[3]、周加永等[4]對(duì)溢流閥進(jìn)行了參數(shù)設(shè)計(jì)和動(dòng)、靜態(tài)性能方面的分析研究。在液壓故障診斷方面，主要利用AMESim對(duì)溢流閥進(jìn)行故障診斷分析及檢測(cè)方法研究，如侯艷艷等[5]利用AMESim平臺(tái)開展了溢流閥故障診斷及預(yù)測(cè)研究工作。

以上的研究工作對(duì)于溢流閥的研究與應(yīng)用有著重要的借簽價(jià)值，但并沒有解決先導(dǎo)式溢流閥在高壓系統(tǒng)中應(yīng)用時(shí)的動(dòng)作延遲、滯后問題。為提升先導(dǎo)式溢流閥動(dòng)作靈敏可靠性，本文運(yùn)用壓電陶瓷傳感器和二位三通電磁換向閥設(shè)計(jì)了一種新型簡(jiǎn)潔緊湊的先導(dǎo)式溢流閥，并利用AMESim平臺(tái)對(duì)該閥的工作特性開展仿真研究。

1 基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)與工作原理

1.1 先導(dǎo)式溢流閥的結(jié)構(gòu)模型

基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥(新型先導(dǎo)式溢流閥)主要由二位三通電磁換向閥、壓電陶瓷傳感器控制模塊和主閥三部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。工作時(shí)，傳感器受到壓力油液作用，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)調(diào)理電路將電信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為適合AD量程的信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果并與給定的閾值信號(hào)比較，當(dāng)小于閾值信號(hào)時(shí)，則單片機(jī)無(wú)控制命令發(fā)給電磁控制閥，電磁控制閥的線圈不帶電，電磁閥銜鐵不動(dòng)，此時(shí)二位三通換向閥閥芯不動(dòng)，擋住了油口，油口與油箱不通，主閥芯上下兩端面壓力相等，在較軟的主閥彈簧作用下主閥芯處于最下端位置，溢流閥閥口P和T隔斷，沒有溢流；當(dāng)大于閾值信號(hào)時(shí)，則單片機(jī)發(fā)出控制命令給電磁控制閥，電磁控制閥的線圈帶電，電磁閥銜鐵向右移動(dòng)，從而推動(dòng)二位三通換向閥閥芯向右移動(dòng)，導(dǎo)閥打開，壓力油就可以流回油箱，由于阻尼孔的作用，使主閥芯上端的液壓力小于下端壓力，主閥芯在壓差的作用下上移，打開閥口，實(shí)現(xiàn)溢流，并維持壓力基本穩(wěn)定；當(dāng)閥內(nèi)的液壓小于調(diào)定壓力時(shí)，AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果再次小于閾值信號(hào)，單片機(jī)無(wú)控制命令發(fā)給電磁控制閥，線圈失電，閥芯在復(fù)位彈簧的作用下回到初始位置，油口與油箱不通。

1.2 先導(dǎo)式溢流閥的數(shù)學(xué)模型

基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥原理圖如圖2所示。

(1) 主閥芯受力平衡方程為：

p1A1-p2A2=Md2ydt2+fydydt+Ky(y0+y)+C1πDsin2α.

(1)

其中：p1為主閥進(jìn)口處壓力；A1為主閥芯下腔受力面積；p2為主閥芯上腔壓力；A2主閥芯上腔受力面積；M為主閥芯當(dāng)量質(zhì)量，為閥芯質(zhì)量加主閥彈簧質(zhì)量的1/3；y為主閥閥芯位移，閥口開啟方向?yàn)檎较?；fy為主閥閥芯運(yùn)動(dòng)黏性阻尼系數(shù)；Ky為主閥彈簧剛度；y0為主閥預(yù)壓縮量；C1為主閥口流量系數(shù)；D為主閥座孔直徑；α為主閥芯半錐角。

(2) 主閥開啟時(shí)閥口的流量壓力方程為：

Q1=C1πDysinα2ρp1.

(2)

其中：ρ為液壓油密度。

(3) 溢流閥節(jié)流孔流量方程為：

Q=Cda02ρ(Δp).

(3)

其中：Cd為節(jié)流孔流量系數(shù)；a0為節(jié)流孔端面面積；Δp為降壓。

1-電磁閥端蓋；2-電磁閥復(fù)位彈簧；3-電磁銜鐵；4-電磁線圈；5-壓電陶瓷壓力傳感器模塊；6-換向閥體；7-換向閥閥芯；8-換向閥復(fù)位彈簧；9-密封螺塞；10-主閥彈簧座；11-主閥芯彈簧；12-主閥芯；13-主閥移動(dòng)閥芯；14-主閥體；15-控制口(K口)；16-主閥阻尼孔；17-導(dǎo)閥節(jié)流孔；18-電磁盒體圖1 基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)

圖2 基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥原理圖

2 先導(dǎo)式溢流閥仿真分析

2.1 建立先導(dǎo)式溢流閥仿真模型

AMESim 采用基于物理模型的圖形化建模方式,為用戶提供了可以直接使用的豐富的元件應(yīng)用庫(kù),不需要進(jìn)行繁瑣的數(shù)學(xué)建模,使用戶專注于物理系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)。目前,AMESim已經(jīng)成為包括流體、機(jī)械、熱分析、電氣、電磁以及控制等復(fù)雜建模和仿真的優(yōu)選平臺(tái)。

根據(jù)基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)和工作原理，在AMESim中運(yùn)用Hydraulic Component Design庫(kù)的基本元件搭建其仿真模型，如圖3所示。

圖3 基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥AMESim模型

2.2 設(shè)置仿真參數(shù)

參數(shù)設(shè)置是AMESim建模的重要環(huán)節(jié)，該先導(dǎo)式溢流閥的主要仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示，表1中沒有列出的元件參數(shù)保持默認(rèn)。因測(cè)量過(guò)程中有不可避免的誤差出現(xiàn)，且仿真研究簡(jiǎn)化了模型，可能會(huì)忽略一些次要因素，所以仿真結(jié)果和實(shí)際情況可能會(huì)出現(xiàn)偏差，只要在允許誤差范圍內(nèi)即可。

表1 先導(dǎo)式溢流閥的主要仿真參數(shù)設(shè)置

3 仿真結(jié)果與分析

先導(dǎo)式溢流閥的主要特性分為靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性，采用如圖3所示的新型先導(dǎo)式溢流閥的AMESim模型和如表1所示的溢流閥參數(shù)設(shè)置，分別對(duì)基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥和傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥的靜態(tài)性能、動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行分析比較，結(jié)果如圖4～圖6所示。

啟閉特性是衡量溢流閥定壓精度的一個(gè)重要指標(biāo)。新型溢流閥的開啟比為：

K1=(pK1/pS)×100%.

(4)

其中：pK1為新型溢流閥開啟壓力；pS為溢流閥調(diào)定壓力。

新型溢流閥閉合比為:

B1=(pB1/pS)×100%.

(5)

其中：pB1為新型溢流閥閉合壓力。

傳統(tǒng)溢流閥的開啟比為:

K2=(pK2/pS)×100%.

(6)

其中：pK2為傳統(tǒng)溢流閥開啟壓力。

傳統(tǒng)溢流閥閉合比為:

B2=(pB2/pS)×100%.

(7)

其中：pB2為傳統(tǒng)溢流閥閉合壓力。

由圖4可以得到pK1=28.07 MPa，pB1=27.55 MPa，pK2=27.99 MPa，pB2=26.37 MPa,pS=32 MPa。將數(shù)值代入式(4)～式(7)計(jì)算得：K1=87.71%，B1=86.09%，K2=87.44%，B2=82.41%。

可以看出，新型先導(dǎo)式溢流閥的開啟比和閉合比更接近，其啟閉特性好，優(yōu)于同等條件下的傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥。其主要原因?yàn)樾滦拖葘?dǎo)式溢流閥的導(dǎo)閥感受到壓力，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，使導(dǎo)閥動(dòng)作，從而導(dǎo)致主閥動(dòng)作；而傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥主要靠機(jī)械機(jī)構(gòu)使導(dǎo)閥動(dòng)作，從而控制主閥動(dòng)作。

圖4 溢流閥啟閉特性曲線

圖5 溢流閥動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線

由圖5可以看出：兩種溢流閥達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)壓力都穩(wěn)定在30.00 MPa左右，基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥比傳統(tǒng)溢流閥早0.045 s達(dá)到穩(wěn)壓，并且其波動(dòng)幅度小于傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥。

由圖6可以看出：新型先導(dǎo)式溢流閥主閥和導(dǎo)閥穩(wěn)態(tài)輸入壓力分別為29.71 MPa和18.03 MPa，壓力階躍響應(yīng)上升時(shí)間約為0.008 3 s，過(guò)渡時(shí)間約為0.034 7 s，壓力超調(diào)率為12.5%；傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥主閥和導(dǎo)閥穩(wěn)態(tài)輸入壓力分別為29.92 MPa和18.25 MPa，壓力階躍響應(yīng)上升時(shí)間約為0.009 2 s，過(guò)渡時(shí)間約為0.079 9 s，壓力超調(diào)率為32%。由此可以看出：與傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥相比，該新型先導(dǎo)式溢流閥響應(yīng)時(shí)間少，響應(yīng)速度快，過(guò)渡時(shí)間短，系統(tǒng)震蕩少，超調(diào)率小，動(dòng)態(tài)穩(wěn)壓誤差小。

圖6 溢流閥壓力階躍響應(yīng)曲線

4 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了一種基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥，其在傳統(tǒng)的先導(dǎo)式溢流閥的基礎(chǔ)上運(yùn)用了壓電陶瓷傳感器，并以二位三通電磁換向閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的先導(dǎo)機(jī)構(gòu)。利用AMESim仿真軟件搭建了該先導(dǎo)式溢流閥的模型，得到閥的啟閉特性曲線、壓力響應(yīng)特性曲線，并與傳統(tǒng)的先導(dǎo)式溢流閥進(jìn)行比較。仿真結(jié)果表明：基于壓電陶瓷傳感器的先導(dǎo)式溢流閥的啟閉特性優(yōu)于傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥，動(dòng)態(tài)響應(yīng)比傳統(tǒng)的先導(dǎo)式溢流閥快0.045 s，超調(diào)率優(yōu)于傳統(tǒng)先導(dǎo)式溢流閥。