基于AMESim 對換向閥動態性能進行分析

上海海事大學 王建康

引言

就目前來說，市場上有很多種換向閥，結構也多種多樣，但結構大多相對復雜。傳統的油液換向閥多為滑閥型、錐閥型和轉閥型。滑閥和轉閥所受的不平衡力很小，所需的操作力也較小，但是閥芯和閥孔之間需要保證相對運動的間隙，泄露往往較大[1]。為了能夠設計出結構相對簡單，性能又比較穩定且能夠滿足客戶需求的換向閥，現通過AMESim軟件對錐閥進行模擬分析并對其進行優化。

1 液壓閥的結構

液壓閥（如圖1）主要由三部分組成：電磁部分、閥體和閥芯部分。閥芯屬于錐閥結構，而錐閥結構密封性好、動作靈敏，但單個錐閥只能實現二位二通機能，并且由于錐閥的液壓軸向力不能平衡，因此需要較大的操作力[2]。

圖1 液壓閥結構圖

2 液壓閥的工作原理

該閥是二位二通處于常閉狀態的換向閥，由電磁部分、閥體和閥芯三部分組成，它所實現的功能就是簡單地開啟和閉合。工作原理：在線圈不通電、無電磁吸力時，錐閥5在復位彈簧1的作用力下壓在最底端（常態位），進油口P處于關閉狀態。若電源接通，線圈3通電產生一個向上的電磁吸力將動鐵芯吸起，錐閥5在軸向液動力的推動下到達上工作位，此時油口P與A相通。

3 用AMESim軟件對其進行建模

AMESim作為多學科領域復雜系統高級建模和仿真的主流平臺，主要應用于液壓、機械系統的建模、仿真及動力學分析。它用直觀的圖標符號代表系統的各個元件，涉及到很多領域的基礎庫，主要有機械、液壓、液壓元件設計庫、電磁等元件[3]。

用AMESim軟件對液壓閥的搭建步驟如下：根據液壓閥的結構特點以及工作原理，在草繪模式下從HCD中選取合適的模塊進行搭建模型，組成如圖2所示的模型。

圖2 用HCD 搭建的液壓閥模型

4 用AMESim軟件對其進行仿真

4.1 參數設置

搭建好模型之后，根據設計的液壓閥數據參數對模型進行相關參數設置。

表1 液壓閥主要參數

4.2 仿真

參數設置好后，進入仿真模式對其進行仿真。仿真運行時間設置為4s，步長為0.004s，其他運行參數都為默認值，得到仿真數據如下所示。

（1） 開關信號的開始時間設置為0s，0~0.1s時間段表示沒有通電，0.1~1.7s表示通電狀態，1.7~4s表示通電后斷電狀態。

圖3 開關通斷信號

（2）電磁線圈接直流24V電壓，線圈匝數為2730，動鐵芯的移動間隙為2.68mm，圖4為電磁力曲線圖。

圖4 電磁線圈的動態響應特性（a）

圖4 電磁線圈的響應時間（b）

（3）動鐵芯在彈簧力和電磁力作用下的位移響應圖。

圖5 動鐵芯的動態響應特性

（4）球閥閥芯在軸向液動力和電磁力作用下的位移特性圖。

圖6 球閥閥芯位移的響應特性（a）

圖6 球閥完全打開所需時間（b）

（5）通過球閥閥芯的流量特性圖，可以檢查球閥的泄露特性。

圖7 進入球閥的流量特性

（6）球閥的進口壓力和出口壓力特性圖，可以檢查流量損失特性。

圖8 球閥中壓力變化特性

5 對仿真結果進行分析

通過以上數據可以得到：電磁閥的響應時間為16ms；當球閥處于關閉狀態時，泄露量為0；進出口的壓力損失在允許范圍之內。以上結果表明，本文設計的液壓閥性能穩定。

[1]弓永軍,周華,謝偉,楊華勇.電液純水換向閥實驗研究[J].液壓與氣動,2004（12）.

[2]李壯云主編.液壓元件與系統[M].機械工業出版社.

[3]張宏甲.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械功與出版社,2002.

[4]彭熙偉主編.流體傳動與控制基礎[M].機械工業出版社.

[5]梁全,蘇齊瑩主編.液壓系統AMEsim計算機仿真指南[M].機械工業出版社.

[6]李永堂.液壓系統建模與仿真[M].冶金出版社,2003.