基于AMESim的調(diào)速閥泄漏問題研究

周 琪,孟利民,2

(1.安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001;2.流體動力與機(jī)電系統(tǒng)國家重點實驗室,浙江 杭州 310000)

工程機(jī)械是完成工程作業(yè)的重要基礎(chǔ),由于工程作業(yè)對機(jī)械設(shè)備性能要求較高,使得絕大多數(shù)工程機(jī)械的液壓傳動系統(tǒng)構(gòu)造都較為復(fù)雜。液壓傳動系統(tǒng)以傳遞動力和運動為主要功能,其工作依賴各液壓元件相互配合,將壓力油輸送至執(zhí)行元件并輸出滿足特定性能要求的載荷[1]。在液壓傳動系統(tǒng)中,調(diào)速閥是控制流量的主要元件,在穩(wěn)定執(zhí)行元件速度和阻尼孔壓差方面有著十分重要的地位。由于液壓傳動的這種液體介質(zhì)工作運行的特點,使得其一旦出現(xiàn)系統(tǒng)故障都較為隱蔽,難以被及時發(fā)現(xiàn),這就導(dǎo)致了液壓傳動故障對工程作業(yè)實施產(chǎn)生較大影響[2]。

泄漏是液壓傳動系統(tǒng)中無法避免的故障問題之一。從工作介質(zhì)狀態(tài)上看,泄漏可分為外漏和內(nèi)漏,外漏是指工作介質(zhì)從系統(tǒng)內(nèi)部泄漏到外部環(huán)境中。內(nèi)漏是指由于高、低壓側(cè)壓力差的存在以及零件磨損、密封失效等原因,使工作介質(zhì)在系統(tǒng)內(nèi)部由高壓側(cè)流向低壓側(cè)。外漏常因為管道或其他元件破裂引起工作介質(zhì)流出,這種情況下易于被發(fā)現(xiàn)并檢修。而內(nèi)漏通常在液壓元件生產(chǎn)之初就已經(jīng)存在,元件以及密封件的表面粗糙度、形位精度、尺寸精度等都會影響初始泄漏狀態(tài),而內(nèi)漏本身也會隨著液壓系統(tǒng)的工作而產(chǎn)生變化,例如活塞與活塞腔長期工作磨損,介質(zhì)溫度改變而產(chǎn)生的微小形變等都會引起泄漏狀態(tài)發(fā)生改變。泄漏本身是一種非常嚴(yán)重的液壓系統(tǒng)故障,常見的會造成環(huán)境污染資源浪費,對于液壓系統(tǒng)本身,泄漏會引起工作壓力不足,甚至造成停機(jī)[3-4]。

鑒于此,本文針對調(diào)速閥進(jìn)行不同泄漏狀態(tài)下的工作特性分析,總結(jié)流量壓力特性,分析得到內(nèi)漏影響調(diào)速回路工作的原因,并提出改良對策。

1 調(diào)速閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

傳統(tǒng)調(diào)速閥結(jié)構(gòu)及工作回路如圖1所示,調(diào)速閥由節(jié)流閥和定差減壓閥串聯(lián)而成,調(diào)速閥的進(jìn)口壓力經(jīng)溢流閥調(diào)定,基本保持為P1。當(dāng)負(fù)載一定時,節(jié)流閥開度保持不變,壓力油進(jìn)入調(diào)速閥后經(jīng)減壓閥減壓后降為P2,調(diào)速閥的出口壓力P3也同負(fù)載一樣保持不變。當(dāng)回路穩(wěn)定工作時,忽略閥芯自重,摩擦力和液動力,P2壓力油經(jīng)垂直阻尼孔進(jìn)入閥芯非彈簧腔,P3壓力油經(jīng)水平阻尼孔流入閥芯彈簧腔,由此可以得到其閥芯平衡方程如式(1)所示。

1.液壓泵 2.調(diào)速閥體 3.定差減壓閥活塞 4.定差減壓閥彈簧 5.溢流 6.調(diào)節(jié)旋鈕 7.節(jié)流閥閥芯 8.節(jié)流閥遞升 9.液太壞缸圖1 調(diào)速閥結(jié)構(gòu)及工作原理圖

p2S=p3S+KΔx+Fs

(1)

式(1)中:S——定差減壓閥彈簧腔面積[5-7]

K——定差減壓閥彈簧剛度

Δx——定差減壓閥彈簧形變量

Fs——穩(wěn)態(tài)液動力[8]

2 調(diào)速閥泄漏的流動特性方程

基于調(diào)速閥的工作原理可知,閥體由定差減壓閥與節(jié)流閥組合而成,其內(nèi)部達(dá)到壓力平衡的過程依靠閥芯在閥腔內(nèi)運動。如圖2所示。閥芯與閥腔之間存在縫隙,隨著壓力油的進(jìn)入,環(huán)形縫隙的進(jìn)出口產(chǎn)生如圖2所示壓差,形成的壓力油流程稱為縫隙流,由于閥體本身大小限制,忽略科特流即周向的剪切流動?；诖?得到環(huán)形縫隙流流量特性方程[9-10]。

圖2 縫隙流產(chǎn)生原理圖

2.1 同心環(huán)形縫隙流

當(dāng)閥體與閥芯間配合安裝僅受到加工精度影響時(一般在閥體豎直放置時存在),閥芯與閥腔的軸線重合,縫隙橫截面形狀為同心圓環(huán),該狀態(tài)下系統(tǒng)工作產(chǎn)生的泄漏量如式(2)所示。

(2)

其縫隙實際寬度δ與縫隙進(jìn)出口端的壓降Δp如式(3)、式(4)所示。

(3)

Δp=p1-p2

(4)

式(2)-式(4)中:

q——縫隙流流量

d——閥腔直徑

d0——閥芯直徑

μ——壓力油運動粘度

L——閥腔與閥芯的軸向接觸長度

p1——縫隙進(jìn)口壓力

p2——縫隙出口壓力

2.2 偏心環(huán)形縫隙流

當(dāng)閥體工作時其擺放位置非豎直狀態(tài)下,閥芯受到重力影響會向下偏移,閥芯與閥腔的軸線不重合,縫隙橫截面形狀為偏心圓環(huán),該狀態(tài)下系統(tǒng)工作產(chǎn)生的泄漏量如式(5)所示,偏心率計算公式如式(6)所示。

(5)

(6)

式(6)中:

ε——偏心率

e——偏心距

2.3 最大偏心環(huán)形縫隙流

當(dāng)閥體尺寸較大時,閥芯受重力影響較大,偏心尺寸加劇,小縫隙側(cè)相對于大縫隙側(cè)幾乎可以忽略不計時,縫隙橫截面近似為內(nèi)切圓環(huán),該狀態(tài)下系統(tǒng)工作產(chǎn)生的泄漏量如式(7)所示。

(7)

通常情況下鑒于零件的加工精度,各元件表面不存在完全光滑,故最大偏心環(huán)形縫隙流的情況幾乎不會出現(xiàn)。縫隙流的運動主要依靠粘性力,質(zhì)量力忽略不計[11],因而上述公式的使用需要閥腔直徑遠(yuǎn)大于縫隙寬度,本文遠(yuǎn)大于取兩個數(shù)量級,即100倍?？p隙流為造成內(nèi)漏的主要原因,其存在會對回路內(nèi)部的理論流量進(jìn)行分流,當(dāng)縫隙流過大時,實際流量不足,會影響負(fù)載的工作狀態(tài)。

3 調(diào)速回路AMESim泄漏模擬仿真

3.1 模型建立

根據(jù)調(diào)速閥結(jié)構(gòu)及調(diào)速回路工作狀況,利用AMESim軟件HCD庫等建立液壓回路仿真模型如圖3所示[12-15]。

圖3 調(diào)速閥及回路AMESim無泄漏仿真模型

3.2 初始參數(shù)設(shè)置

根據(jù)理論分析的條件設(shè)定,忽略元件內(nèi)部摩擦,油液溫度變化引起的粘度變化。在恒定負(fù)載工作條件下,設(shè)定AMESim主要仿真模塊參數(shù)如表1所示,其余參數(shù)保持默認(rèn)。

表1 HCD模塊參數(shù)設(shè)置

其中,基于AMESim軟件,引入節(jié)流閥開度這一概念,它指在回路某一工作狀態(tài)下,節(jié)流閥閥芯未覆蓋的阻尼孔過流面積與實際過流面積的比值。開度為常數(shù)參數(shù),間接用于反映節(jié)流閥芯與阻尼孔在腔體內(nèi)的相對位置。

3.3 模型準(zhǔn)確性及可行性分析

經(jīng)多次對比仿真,調(diào)速回路在工作2s時間內(nèi)均能達(dá)到穩(wěn)態(tài),鑒于此,設(shè)定回路工作時間為10s,確保終態(tài)時回路工況穩(wěn)定,為獲得更為精確的仿真曲線,取仿真步長為0.001s。帶入表1中參數(shù),理論壓強(qiáng)值如式(8)所示。

(8)

式(8)中:D——液壓缸無桿腔直徑

F——恒定外載荷

A——液壓缸無桿腔直徑

回路工作時液壓缸進(jìn)油口壓力仿真變化如圖4所示,穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)為2.0373MPa。

圖4 液壓缸進(jìn)口壓力變化曲線

基于調(diào)速閥工作原理,當(dāng)系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)時負(fù)載不變即工作壓力不變。如圖4所示,系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時工作壓強(qiáng)未有明顯波動,結(jié)合上述驗證,其計算值與仿真值基本一致,證明仿真模型可行。

3.4 調(diào)速回路泄漏仿真

基于調(diào)速回路無泄漏模型,借助AMESim軟件泄漏模塊建立泄漏模型,根據(jù)環(huán)形縫隙流公式使用要求,泄漏模塊參數(shù)設(shè)置如表2所示?；诒碇袛?shù)據(jù),建立調(diào)速回路泄漏模型,如圖5所示。

表2 泄漏模塊參數(shù)設(shè)置

圖5 調(diào)速閥及回路AMESim泄漏仿真模型

3.4.1 變負(fù)載狀態(tài)流量特性分析

元件磨損是長期工作形成的結(jié)果,在此期間回路可能針對不同負(fù)載進(jìn)行工作,針對同一縫隙參數(shù)不同負(fù)載情況進(jìn)行仿真模擬。

設(shè)定對照負(fù)載分別為1000N,1500N,2000N。無泄漏狀態(tài)下,回路達(dá)到穩(wěn)態(tài)時的工作流量如圖6所示。

圖6 不同負(fù)載無泄漏狀態(tài)下回路流量變化曲線

當(dāng)閥內(nèi)存在泄漏時,回路達(dá)到穩(wěn)態(tài)的流量及環(huán)形縫隙流變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 不同負(fù)載內(nèi)漏狀態(tài)下回路流量變化曲線

圖8 不同負(fù)載情況下縫隙流量變化曲線

由圖7和圖8可知,對比無泄漏和泄漏狀態(tài)下的回路流量變化曲線,可以發(fā)現(xiàn)在恒定壓力5MPa的工作條件下,回路穩(wěn)態(tài)流量隨著負(fù)載的增大而降低,同時縫隙流量隨負(fù)載的增加而增加,因此當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)漏時穩(wěn)態(tài)流量有了小幅度下降。計算可得,縫隙流與內(nèi)漏態(tài)回路流量之和與理論仿真流量基本吻合。

鑒于此得到如下結(jié)論,當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)內(nèi)漏時,回路穩(wěn)態(tài)流量降低,泄漏量隨負(fù)載的改變正向變化。

3.4.2 恒定負(fù)載不同縫隙流量特性分析

基上述結(jié)論,為深入分析縫隙尺寸對內(nèi)漏的影響及泄漏量對執(zhí)行元件的工作影響,對縫隙尺寸進(jìn)行更改并重復(fù)上述仿真。取恒定負(fù)載為1500N。

考慮實際工作中,閥芯與閥腔間相對位移一般不發(fā)生變化,隨著系統(tǒng)工作時間增加,腔體內(nèi)磨損加劇使配合縫隙變大,因此改變縫隙寬度,其余參數(shù)如表1、表2所示,并進(jìn)行模擬仿真。不同縫隙寬度下回路穩(wěn)態(tài)流量變化及執(zhí)行元件速度變化曲線如圖9和圖10所示。

圖9 不同泄漏狀態(tài)下回路流量變化曲線

圖10 不同堵塞狀態(tài)下執(zhí)行元件速度變化曲線

由圖9和圖10可知,不同縫隙狀態(tài)下的流量與速度曲線在初始0.2s時間內(nèi)有所不同,其原因在于當(dāng)液壓缸無桿腔油液充滿時活塞才會開始運動,隨后直至穩(wěn)態(tài),二者曲線完全一致。從圖像趨勢上看,在縫隙寬度為0.05mm和0.075mm時二者的變化趨勢趨于一致,當(dāng)縫隙寬度增加到0.1mm時,圖像變化基本喪失波動性。

3.5 系統(tǒng)介質(zhì)流態(tài)分析

針對上述圖像變化趨勢,為更加準(zhǔn)確的了解不同泄漏情況下的工作狀態(tài),對回路雷諾數(shù)進(jìn)行計算。由于不同介質(zhì)對于液壓傳動系統(tǒng)的影響不同,粘度大元件磨損加劇,粘度小系統(tǒng)泄漏嚴(yán)重,國際上要求壓力油的粘度指數(shù)在95以上即可滿足常規(guī)液壓系統(tǒng)使用。選取回路中介質(zhì)為L—HM68號壓力油,液壓系統(tǒng)的最優(yōu)工作溫度為40±2℃[16],取工作溫度為40℃,此溫度下壓力油的密度ρ為870kg/m3,動力粘度μ為0.542pa·s,粘度指數(shù)為100,當(dāng)系統(tǒng)沒有內(nèi)漏時,執(zhí)行元件速度為0.0585m/s,達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作時的雷諾數(shù)如式(8)所示。

(8)

當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時,將不同泄漏程度下的三組數(shù)據(jù)帶入公式(8)中,計算得到各狀態(tài)下的雷諾數(shù),如表3所示。

表3 不同泄漏情況下雷諾數(shù)表

在液壓系統(tǒng)中,雷諾數(shù)小于2300工作介質(zhì)為層流態(tài),雷諾數(shù)處于2300～4000之間時工作介質(zhì)為過渡態(tài)[17],結(jié)合圖9、10及表3數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)縫隙寬度δ=0.1時,流量及速度曲線中,參數(shù)的上升趨勢幾乎沒有震蕩波動出現(xiàn),此狀態(tài)下的雷諾數(shù)也顯示工作介質(zhì)呈現(xiàn)層流態(tài)。

綜合以上結(jié)果分析可知,常態(tài)下針對恒定負(fù)載,調(diào)速回路經(jīng)過調(diào)節(jié)能使執(zhí)行元件穩(wěn)定工作。但隨著工作時間的推移元件磨損加劇,系統(tǒng)的泄漏量逐漸增加,當(dāng)泄漏達(dá)到一定程度時會改變工作的介質(zhì)的流動狀態(tài),流量的衰減,使得執(zhí)行元件的工作能力下降。

4 結(jié)論

本研究針對調(diào)速回路常見的泄漏故障進(jìn)行分析,推導(dǎo)建立了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,針對回路流量和執(zhí)行元件工作特性分析得到如下結(jié)論。

(1)通過計算值與仿真值對比分析,確定調(diào)速回路在針對恒定負(fù)載工作時,其出口的穩(wěn)態(tài)壓強(qiáng)恒定。

(2)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時,在工況沒有受到較大影響前,系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時間會隨著穩(wěn)態(tài)流量的減小而減少,在一定范圍內(nèi)穩(wěn)態(tài)時間與穩(wěn)態(tài)流量的峰值成正向變化。

(3)當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)泄漏時,回路流量受其影響較大,當(dāng)腔體內(nèi)配合縫隙大到臨界值后會使得系統(tǒng)內(nèi)部介質(zhì)的流動狀態(tài)發(fā)生變化,影響執(zhí)行元件的工作。

鑒于此,針對液壓系統(tǒng)復(fù)雜的故障診斷環(huán)境[18]有了更加準(zhǔn)確的判斷指標(biāo),以此為據(jù)提高了故障診斷的準(zhǔn)確性和及時性,對于實際液壓系統(tǒng)檢修方式的改進(jìn)也具有重要的參考意義。