基于AMESim的液壓分流集流閥的動態特性研究

方子帆 朱 陳 馬振豪

（1.三峽大學 機械與動力學院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學 水電機械設備設計與維護湖北省重點實驗室，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學 三峽區域能源裝備協同創新中心，湖北 宜昌 443002）

隨著現代機械制造業的發展及液壓技術的進步，各行各業對同步驅動技術的需求日益增加，對液壓同步驅動技術的要求也越來越高.分流集流閥是液壓同步系統中常用的一種同步元件，它能自動分配進入兩個或多個液壓執行元件中的油液流量，使他們保持位置同步或按一定比例關系運動.采用同步閥的液壓系統具有結構簡單、成本低、制造容易、可靠性強等優點，因而被廣泛用于各種同步回路中.目前對同步閥的研究集中在分析其數學模型的動靜態性能并對其結構進行改進［1－2］或是用一個模型同時描述同步閥的兩種工作狀況來優化其結構［3－4］.為了給高性能分流集流閥的設計提供重要依據，本文對閥進行數學建模，采用AMESim仿真軟件對分流集流閥的主要動態性能及其結構參數進行了仿真分析.

1 分流集流閥的工作原理

某型換向活塞式分流集流閥的結構原理圖［5］，如圖1所示.

圖1 換向活塞式分流集流閥的結構原理

分流集流閥，又稱為同步閥，是基于壓力負反饋原理工作的.圖中A腔、B腔分別與彈簧腔C腔、D腔相通，兩個對中彈簧使閥芯處于中間位置.當液壓閥處于分流工況時，換向活塞處于遠離中心的位置.高壓油由P口流入閥體內，經兩側固定節流口a1和a2進入A腔和B腔，然后分別流經可變節流口b1、b2，再從A口和B口進入兩個執行器.當A口和B口的負載壓力相等時，即PA＝PB，液流所遇阻力相等，則QA＝QB.當負載壓力不等時，若PA＞PB，在閥芯未動作時，左右總液阻相等，將導致QA＞QB，A腔壓力P1瞬時增大，即P1＞P2，壓力被反饋到左右彈簧腔，使C腔壓力大于D腔壓力，閥芯左右受力不等，向右運動，從而使可變節流口b1逐漸變小，可變節流口b2逐漸變大，則P1下降，P2上升，直至P1＝P2，閥芯受力平衡，停止移動.此時新平衡位置上固定節流口后的壓力P1＝P2，故QA＝QB.集流工況與分流工況原理相似，僅進油口和出油口相反，這里不再贅述.

2 分流集流閥AMESim建模仿真

2.1 分流集流閥建模

根據分流集流閥的工作原理［6］，利用AMESim的HCD（Hydraulic Component Design）建立分流集流閥分流工況的仿真模型，如圖2所示.

2.2 仿真分析

2.2.1 分流集流閥模型同步精度驗證

某型分流集流閥的負載壓差與同步精度的技術要求參數見表1.

表1 負載壓差與同步精度的技術要求參數

通過設置A口與B口的壓差分別為1、6.3、20、30MPa進行仿真.得到上述4種壓差情況下A口與B口的流量差（QA－QB）曲線，仿真結果如圖3所示.

圖2 分流集流閥AMEsim模型

圖3 不同壓差時的流量差曲線

表2 不同壓差下分流集流閥模型的同步精度

通過對比表1和表2可知，建立的分流集流閥AMESim模型同步精度符合其技術要求，模型建立正確，參數設置合理.

2.2.2 結構參數對同步精度的影響趨勢

運用上述分流集流閥的AMESim模型，設定A口與B口的負載壓差為30MPa，分別針對閥芯直徑D、對中彈簧剛度K、可變節流口直徑L以及固定節流口直徑D1等參數的不同取值，利用AMESim的批處理功能進行仿真，得出分流節流閥結構參數對其同步精度的影響趨勢.

1）閥芯直徑D的影響

從圖4可以看出隨著閥芯直徑的增大，A口與B口的流量差逐漸變小，而且在響應時間內的脈沖值也在變小，從而使同步精度值變小，使閥的同步性提高.閥芯直徑在設計值附近每增大1mm，流量差平均減小0.05L／min，同步精度提高0.100 3%.這是因為閥芯直徑越大，液壓油作用在閥芯上的反饋壓力越大，閥芯的移動距離越大，可變節流口的開度變化越大，對流量的調節能力越強，同步性越好.

圖4 不同閥芯直徑對應的流量差曲線

2）對中彈簧剛度K的影響

從圖5可以看出隨著對中彈簧剛度的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，使閥的同步性能降低.對中彈簧剛度在設計值附近每增大0.4N／mm，流量差平均提高0.146L／min，同步精度降低0.291%.這是因為在相同的反饋壓力下，彈簧剛度越大，閥芯移動距離越小，可變節流口的開度變化越小，對流量的調節能力越差，同步性越差.

3）可變節流口預設開度L的影響

從圖6可以看出隨著可變節流口預設開度的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，使閥的同步性能降低.可變節流口預設開度由中間位置到全開，每增大0.5mm，流量差平均提高0.084L／min，同步精度平均下降0.167%.這是因為可變節流口預設開度越大，閥芯移動同樣的距離所調節的開口量與初始開口量的比值越小，調節效果也就越不明顯，同步調節能力越差.

圖5 不同對中彈簧剛度對應的流量差曲線

圖6 可變節流口不同預設開度時的流量差曲線

4）固定節流口直徑D1的影響

從7圖可以看出隨著固定節流口直徑的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，導致閥的同步性能降低.固定節流口直徑每增大0.5 mm，流量差平均提高0.173 868L／min，同步精度降低0.347 736 8%.

圖7 固定節流口不同直徑時A口與B口流量差曲線

2.2.3 對稱結構制造誤差對同步精度的影響

由圖1分流集流閥的結構原理圖可知，分流集流閥在結構上具有明顯的對稱性，結構對稱性決定了其具有流量同步性，因此對稱結構在制造上的誤差必然影響其同步性能，下面就閥芯直徑、可變節流口直徑、固定節流口直徑3個主要參數的制造誤差分析對分流集流閥的同步精度的影響，通過設置閥芯右端參數比左端參數大不同的值加以仿真分析.

從圖8～10可看出，閥芯直徑、可變節流口直徑、固定節流口直徑3個參數對流量差的影響趨勢近似.

圖8 不同閥芯直徑差時的流量差曲線

圖9 不同固定節流口直徑差時的流量差曲線

圖10 不同可變節流口直徑差時的流量差曲線

在閥芯穩定后，流量差為負值，并且隨著3種直徑差的增大，絕對流量差不斷增大，說明直徑大的一側流量大，隨著直徑差的增大閥的同步精度不斷降低，但3種直徑差對同步精度的影響程度不同.閥芯直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.133 5L／min，同步精度平均下降0.266 9%，并在響應階段有微小的波動，波動峰值不大；固定節流口直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.142L／min，同步精度平均下降0.284 8%，響應階段幾乎無波動；可變節流口直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.006 75 L／min，同步精度平均下降0.013 5%，但在響應階段有較大的波動，波動峰值較大.由此可知在閥芯直徑、可變節流口直徑、固定節流口直徑3種參數的制造誤差中，固定節流口直徑差的影響最大但較平穩，可變節流口直徑差影響較小但較劇烈.

3 結 語

本文通過分析分流集流閥的原理，利用AMES－im軟件對分流集流閥分流狀況進行建模仿真及性能分析，總結可得：閥芯直徑、對中彈簧的剛度、可變節流口預設開度、固定節流口直徑等結構參數都會影響分流集流閥的同步精度，其中增加閥芯直徑或減小對中彈簧的剛度、可變節流口預設開度、固定節流口直徑都有利于降低同步精度值，提高閥的同步性能，同時在分流集流閥的制造加工上應注意減小對稱結構的制造誤差.

［1］ 許 立，龐海軍.基于AMESim的液壓同步閥集流工況仿真與分析［J］.機械科學與技術，2012，31（9）：1535－1538.

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