振動環境下插裝閥的動態特性*

楊忠炯， 周振峰， 周立強

(1.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室 長沙，410083) (2.中南大學機電工程學院 長沙，410083)

振動環境下插裝閥的動態特性*

楊忠炯1，2， 周振峰2， 周立強1，2

(1.中南大學高性能復雜制造國家重點實驗室 長沙，410083) (2.中南大學機電工程學院 長沙，410083)

為研究強振動環境對二通插裝閥工作性能的影響，建立了振動環境下的二通插裝閥結構模型及AMESim仿真模型,分別分析振動條件及插裝閥結構參數對其動態特性的影響規律。研究表明：基礎振動會引起插裝閥閥口流量及閥芯開度出現波動現象；閥芯在穩態時的波動程度隨基礎振動幅值線性增加，振動頻率大于20Hz后，波動程度明顯。較小的阻尼孔徑會使流量上升至最大值的時間增加，但通過閥口的流量更平穩；插裝閥在開啟狀態時，閥芯波動值與閥芯質量呈正相關關系；改變插裝閥的面積對改善流量波動現象效果有限；增加彈簧剛度可以改善流量波動現象，但會使通過閥口的流量減小。

基礎振動； 插裝閥； 動態特性； 振動條件； 結構參數

引 言

二通插裝閥具有流通能力大、動作快和密封性能好等特點，在高壓大流量領域應用比較廣泛[1]。全斷面硬巖掘進機(tunnel boring machine，簡稱為TBM)液壓系統具有大負載、大功率和大流量等特點，因此TBM上廣泛采用大規格的二通插裝閥[2]。例如：美國ROBBINS公司的MB264-311型TBM支撐、推進液壓系統共使用了16個二通插裝閥[3]；德國WIRTH公司的TB880E型TBM支撐系統使用了2個二通插裝閥來保證差動快進[4]。

重大工程裝備在工作時會不可避免地產生振動現象[5]，基礎振動會對插裝閥的工作特性造成一定影響，目前對插裝閥的工作特性研究主要集中在閥體結構和流體動力學等方面。李淮祥[6]分析了插裝閥錐角和閥芯圓周直徑的大小對錐閥振動特性和靜態特性的影響。文獻[7]分析了錐閥入口速度、出口速度、閥口開啟度和錐角對空化效應的影響。文獻[8]對不同開口度的閥隙流速進行仿真，得出了錐閥閥隙處壓力損失與開口度大小的關系。文獻[9]研究了插裝閥液壓系統中蓄能器的振動衰減影響，對錐閥的穩定性進行了分析。目前，部分學者對模擬強振動環境的試驗臺進行了研究。張志等[10]對振動試驗臺的加速度積分方法進行了探究。黃中華等[11]對振動試驗臺的測控系統進行了研究。由于針對插裝閥在振動試驗臺上的性能研究較少，因此研究基礎振動下的插裝閥工作特性具有重要意義。

1 基礎振動下的插裝閥模型

典型的二通插裝閥由先導閥、控制蓋板和插裝件3部分構成。插裝件由閥芯、閥套、彈簧和密封圈等組成[12]。先導閥、控制蓋板、閥套與閥塊采用螺釘緊固，可作為一個剛性連接的整體。振動條件下的二通插裝閥結構模型如圖1所示。X1為基礎振動位移，X2為閥芯運動位移，取向上的位移方向為正。閥芯開啟時開啟高度以X表示，X=X2-X1。

圖1 振動條件下的插裝閥結構模型Fig.1 Cartridge valve structure model under vibration condition

在TBM的主機支撐系統中[4]截取一個簡單的二通插裝閥換向回路作為研究對象，如圖2所示。先導電磁閥不得電時，插裝閥入口處A腔壓力Pa與控制腔C腔壓力Pc相等，C腔承壓面積大，此時插裝閥關閉。先導電磁閥得電時，控制腔C腔油液回油箱，壓力Pc減小，在壓差及彈簧力的共同作用下，插裝閥閥芯打開，油液從A腔流向B腔。

圖2 插裝閥簡單換向回路Fig.2 Simple cartridge valve commutation circuit

2 系統數學模型

設系統泵源流量為q0，插裝閥閥口流量為q1，插裝閥閥芯運動導致控制腔體積變化引起的流量為q2，二位三通球閥的流量方程為q3。進油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的壓力分別以Pa，Pb，Pc表示，進油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的液壓作用面積分別以Aa，Ab，Ac表示。

插裝閥閥口的壓力-流量方程為

(1)

先導閥二位三通球閥的壓力-流量方程為

(2)

其中：C為流量系數，約為0.62～0.75[13]；d為先導電磁閥過流孔徑。

插裝閥控制腔體積變化引起的流量為

(3)

其中：Vc為C腔的體積；E為油液體積彈性模量。

插裝閥控制腔的流量連續方程為

(4)

插裝閥閥口的流量連續性方程為

(5)

假定基礎處于簡諧振動環境，X1=Asinωt，取向上的位移為正。忽略閥芯與閥套間的動摩擦力與閥芯重力的影響，當閥芯開啟時，根據外部激勵作用下的強迫振動理論[14]，插裝閥閥芯運動微分方程為

(6)

插裝閥所受穩態液動力與其過流面積、閥口壓差有關，總是使插裝閥閥芯趨于關閉，其方程[15]為

Fw=-CwπDXΔPsin2α

(7)

其中：Cw為流量系數，約為0.77～0.82。

3 系統仿真及分析

根據數學模型方程，利用AMESim仿真軟件建立其仿真模型，如圖3所示。仿真系統中主要元件參數設置為：泵源排量為300ml/r，轉速為1 200r/min，溢流閥設定壓力為10MPa，其他模型參數如表1所示。插裝閥閥芯最大開啟高度為10mm，控制腔回油路阻尼孔徑為3mm，彈簧剛度為1.6×105N/m，插裝閥結構參數如表2所示。

圖3 振動下的插裝閥仿真模型Fig.3 Cartridge valve simulation model under vibration

參數數值參數數值E/Pa800Cf20C0.7Cq0.72d/mm4Cw0.75ρ/(kg·m-3)850α/(°)45

表2 插裝閥主要結構參數表

在振動條件為振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz時，插裝閥閥口流量的仿真結果如圖4所示。由仿真結果可以得出， 基礎振動對插裝閥閥口流量的影響主要在于其達到平衡階段后會出現周期性波動現象。由式(1)可知，在壓力不變的情況下，插裝閥開啟高度是決定閥口流量的重要因素。

圖4 插裝閥流量仿真結果Fig.4 Simulation results of cartridge valve flow

3.1 基礎振動對閥芯開啟的影響規律

在插裝閥受到基礎振動(振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz)與無振動時，閥芯開啟高度X的仿真結果如圖5所示。由圖5可知，在閥芯開啟時，基礎振動對其快速上升階段影響不大， 這是因為閥芯快速上升時，由于控制腔C腔壓力迅速減小，進油口A腔作用力遠大于基礎振動造成的閥芯慣性力，所以閥芯迅速打開。在閥芯處于動態平衡階段時，基礎振動會導致閥芯出現波動現象。這是當閥芯在液

圖5 基礎振動下的X仿真結果Fig.5 Simulation results of X under fundamental vibration

壓作用力、彈簧力和穩態液動力作用下到達平衡狀態時，基礎振動造成的閥芯慣性力周期性變化，打破了閥芯的受力平衡，閥芯開啟高度也出現周期性變化規律。設定閥芯周期波動的幅值為δ，設定無振動時閥芯的開啟高度為X0，可用δ/X0的比值來反映閥芯開啟高度受基礎振動的影響程度。

3.1.1 基礎振動幅值A的影響

為研究基礎振動幅值A對閥芯開啟時的影響規律，設立3組仿真試驗。由中國鐵建重工集團在越南工地的測試報告顯示，TBM左側撐靴振動頻率主要集中在100 Hz以內，故仿真試驗頻率分別取f為80，60和30 Hz。記錄閥芯周期波動幅值δ與穩態平衡值X0的仿真結果，δ/X0的比值如圖6所示?？梢?，閥芯在穩態平衡時的波動比值δ/X0隨基礎振動幅值A的增加而線性增加。

圖6 δ/X0比值隨振幅變化曲線Fig.6 Curves of δ/X0 ratio changing with amplitude

3.1.2 基礎振動頻率f的影響

為研究基礎振動頻率f對閥芯開啟時的影響規律，同樣設立3組仿真試驗，振動幅值分別為A=0.01 m，A=0.007 5 m，A=0.005 m，δ/X0的比值如圖7所示。由圖7可知，當基礎振動頻率增加時，閥芯在穩態波動時的比值首先會緩慢增加，這是因為振動頻率較小時閥芯所受慣性力數值不大，對閥芯平衡影響不大；當振動頻率超過20 Hz時，閥芯波動比值才急劇增加。

圖7 δ/X0比值隨頻率變化曲線Fig.7 Curves of δ/X0 ratio changing with frequency

3.2 閥體結構對動態特性的影響規律

3.2.1 阻尼孔徑的影響

為研究控制腔C腔與先導閥之間的阻尼塞孔徑對插裝閥動態特性的影響規律，在阻尼塞孔徑可選規格中分別選擇Φ為1.5，2和3 mm 3組進行仿真試驗，修改圖3所示模型中的阻尼孔直徑，插裝閥流量仿真結果如圖8所示?？刂魄籆腔的壓力變化如圖9所示。由圖8可知，當阻尼孔徑變大時，插裝閥閥口流量達到最大值所需時間減小且流量波動幅度增加。這是由于阻尼孔徑增加后，阻尼孔的流通能力增加，控制腔C腔的壓力下降時間減小；同時控制腔的體積變化率加大，導致插裝閥閥芯波動值變大，進一步引起流量波動值變大。

圖8 插裝閥閥口流量Fig.8 The outlet flow of cartridge valve

圖9 控制腔壓力變化曲線Fig.9 Pressure variation curves of controlled chamber

3.2.2 閥芯質量對閥芯穩態平衡的影響

設閥芯質量分別為m=0.125 kg，m=0.1 kg和m=0.075 kg的3組仿真試驗，閥芯開啟高度X在穩態平衡后的仿真結果如圖10所示。由圖10可知，插裝閥閥芯在穩態平衡階段的波動值與插裝閥的質量呈正相關性，質量越大，其波動值亦越大。

圖10 不同閥芯質量下的X仿真結果Fig.10 Simulation results of X under different spool mass

3.2.3 面積比的影響

插裝閥進油口A腔面積與控制腔C腔面積比值Aa/Ac稱為其面積比，常見的面積比有1∶1.07，1∶1.5，1∶2.0幾種，根據上述3種面積比進行仿真試驗，插裝閥閥口流量仿真結果如圖11所示。由圖11可知，插裝閥流量值隨面積比的減小而顯著減小，而到達流量最大值的時間及波動幅值并無太大差異，這是因為面積Aa的減小造成插裝閥閥口的過流面積減小，閥口流量必然隨之減小。

圖11 不同面積比的流量仿真結果Fig.11 Simulation results of flow under different area ratio

3.2.4 彈簧剛度的影響

取彈簧剛度分別為1.2×105，1.6×105和2.0×105N/m進行仿真試驗，閥芯達到穩態平衡后的仿真結果如圖12所示。由圖12可知，隨著彈簧剛度的增加，插裝閥閥芯波動值會減小，其開啟高度也減小，因此增加彈簧剛度能減弱閥芯波動程度，但同時會使通過其閥口的流量減小。

圖12 不同彈簧剛度下的X仿真結果Fig.12 Simulation results of X under different spring stiffness

4 結 論

1) 基礎振動對插裝閥開啟時的影響主要體現是：閥芯在平衡階段會出現周期性波動現象，閥口流量值不穩定。

2) 閥芯在穩態時的波動比值δ/X0隨基礎振動幅值A線性增加；只有振動頻率超過20Hz，閥芯波動比值δ/X0才隨振動頻率的增加而急劇增加。

3) 在振動環境下，選擇較小的阻尼孔徑和較小的閥芯質量可以改善閥口流量波動現象；在保證流量足夠的前提下應盡量選擇剛度較大的彈簧。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.01.003

??研究發展計劃(“九七三”計劃)資助項目(2013CB035404)

2013-12-27；修回日期：2014-03-07

TH137.5; TP391.9

楊忠炯，男，1964年7月生，教授。主要研究方向為車輛傳動及液壓元件性能分析。曾發表《Dynamic characteristics of hydraulic power steering system with accumulator in load-haul-dump vehicle》(《Journal of Central South University of Technology》2004，Vol.11，No.4)等論文。 E-mail：yzj7072@126．com 通信作者簡介：周振峰，男，1989年11月生，碩士。主要研究方向為液壓元件性能分析。 E-mail：corpse1114@163.com