基于AMESim的橋梁檢測(cè)車用平衡閥動(dòng)態(tài)特性分析

苗亮亮，雷巧麗，劉春強(qiáng)，金開

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

基于AMESim的橋梁檢測(cè)車用平衡閥動(dòng)態(tài)特性分析

苗亮亮，雷巧麗，劉春強(qiáng)，金開

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710200）

針對(duì)橋檢車垂直臂升降油缸易出現(xiàn)低速爬行、低頻抖動(dòng)以及氣蝕的現(xiàn)象，分析了橋檢車用螺紋插式平衡閥的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，建立了平衡閥和平衡回路的AMESim模型，研究平衡閥控制比、主閥芯面積梯度、調(diào)壓彈簧預(yù)緊力以及控制油路阻尼對(duì)平衡回路動(dòng)態(tài)特性的影響，為平衡閥選型設(shè)計(jì)及平衡回路的匹配提供參考。

橋檢車；平衡閥；動(dòng)態(tài)特性；仿真分析

引言

橋梁檢測(cè)車是用于橋梁健康檢測(cè)的特種工程車輛。它通過(guò)三段巨型機(jī)械臂的回轉(zhuǎn)、伸縮將工作人員和檢測(cè)設(shè)備送至橋梁底部工作范圍內(nèi)的任意位置進(jìn)行橋梁檢測(cè)作業(yè)[1]。橋檢車垂直臂下降過(guò)程產(chǎn)生巨大的負(fù)負(fù)載，針對(duì)性的設(shè)計(jì)平衡回路，確保垂直臂平穩(wěn)下落。平衡閥作為平衡回路的核心控制元件，其性能直接影響著橋檢車工作性能和安全可靠性。橋檢車垂直臂上升時(shí)，油缸的負(fù)載方向與運(yùn)動(dòng)方向相反，即正負(fù)載，

平衡閥作為順序閥，使油液順利進(jìn)入油缸；橋檢車垂直臂下降時(shí)，油缸的負(fù)載方向與運(yùn)動(dòng)方向相同，即負(fù)負(fù)載，平衡閥會(huì)在液壓缸的回油路上形成背壓，用于平衡負(fù)載，限制運(yùn)動(dòng)部件的速度以達(dá)到運(yùn)動(dòng)部件平穩(wěn)動(dòng)作的目的。在實(shí)際應(yīng)用中，橋檢測(cè)垂直臂升降油缸易出現(xiàn)“低速爬行”、“低頻抖動(dòng)”，且平衡閥易產(chǎn)生氣穴、漩渦、噪聲等現(xiàn)象[2]。因此，分析平衡閥的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)對(duì)平衡回路的影響，對(duì)平衡閥及平衡回路的優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義。螺紋插裝式平衡閥以結(jié)構(gòu)緊湊、安裝方便等特點(diǎn)為目前橋梁檢測(cè)車普遍選用。以橋梁檢測(cè)車垂直臂升降油缸平衡閥為研究對(duì)象，分析平衡閥結(jié)構(gòu)和工作原理，搭建基于AMESim的平衡閥模型，研究平衡閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)平衡回路動(dòng)態(tài)特性的影響。

1 橋檢車螺紋插裝式平衡閥的結(jié)構(gòu)及工作原理

該平衡閥主要由調(diào)壓螺桿1、鎖緊螺母2、閥體3、調(diào)壓彈簧4、閥體5、彈簧座6、導(dǎo)向套7、墊圈8、主閥閥芯9、單向閥閥芯10、復(fù)位彈簧11、卡套12等組成，如圖1所示。平衡閥上有主油口①、②和控制油口③分別連接平衡回路中的液壓缸、換向閥和控制油路。

圖1 平衡閥結(jié)構(gòu)

圖2 平衡閥原理

當(dāng)液流從油口②流向油口①時(shí)，由于復(fù)位彈簧彈力很小，單向閥在很小的壓差作用下打開，為單向閥的正向流動(dòng)工況。當(dāng)液流從油口①流向油口②時(shí)，單向閥關(guān)閉，油口①處的壓力達(dá)到一定值時(shí)，主閥閥芯9克服調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力向左運(yùn)動(dòng)，直至頂在彈簧座6上，當(dāng)控制油口③的壓力達(dá)到調(diào)壓彈簧4和主閥芯9環(huán)形面積所確定的控制壓力值時(shí)，主閥芯9向左運(yùn)動(dòng)，閥口才能打開，實(shí)現(xiàn)壓力油從油口①向油口②的流動(dòng)。閥口的開度由控制壓力決定，即依據(jù)負(fù)載自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保油口①至油口②的流量基本不變，實(shí)現(xiàn)垂直臂平穩(wěn)下降。

該平衡閥還具有安全閥功能，當(dāng)無(wú)控制壓力時(shí)，油口①如果因油溫升高、過(guò)載等原因壓力上升，超過(guò)設(shè)定壓力時(shí)，由于主閥芯9的右端面具有很小的承壓面積，因此主閥芯9在壓力油的作用下可以克服調(diào)壓彈簧4的預(yù)緊力打開閥口溢流，保護(hù)油缸。

2 仿真模型搭建

圖3 平衡閥AMESim模型

根據(jù)平衡閥結(jié)構(gòu)和液壓回路，利用AMESim建立某型號(hào)橋檢車垂直臂升降油缸平衡閥工作狀態(tài)仿真模型，如圖3所示。單向閥模型由兩個(gè) HCD子模型組成，包括一個(gè)帶彈簧活塞子模型。主閥芯由4個(gè)HCD子模型組成，包括一個(gè)帶彈簧活塞和一個(gè)錐形閥芯子模型?？紤]了閥芯慣性效應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響，且考慮單向閥芯和主閥芯的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系，加入了相對(duì)運(yùn)動(dòng)質(zhì)量塊子模型[3]。各子模型參數(shù)依照平衡閥、油缸實(shí)際參數(shù)和工況設(shè)定。

3 仿真結(jié)果分析

以某型號(hào)橋檢測(cè)垂直臂升降油缸下降的動(dòng)態(tài)過(guò)程為研究對(duì)象，設(shè)定仿真時(shí)間為6秒，仿真步長(zhǎng)0.001秒。

3.1 控制油路阻尼孔直徑的影響

圖4為不同的控制口阻尼孔直徑對(duì)活塞有桿腔壓力響應(yīng)曲線，圖中給出了阻尼孔直徑分別取0.6mm、0.4 mm、0.3mm時(shí)的響應(yīng)曲線，由圖可知，阻尼孔為φ0.6mm時(shí)，有桿腔壓力全程波動(dòng)，油缸不能平穩(wěn)下降，阻尼孔為φ0.4mm時(shí)，經(jīng)過(guò)2.5秒波動(dòng)，油缸平穩(wěn)下降，阻尼孔為φ0.3mm時(shí)，經(jīng)過(guò)1.5秒波動(dòng)，油缸平穩(wěn)下降?？刂朴吐纷枘崮苡行魅蹩刂茐毫Σ▌?dòng)對(duì)主閥芯的影響，有利于回路穩(wěn)定，但是過(guò)小的阻尼孔降低了主閥芯的開啟速度，導(dǎo)致啟動(dòng)壓力沖擊增大，另外，過(guò)小的節(jié)流孔易被堵塞。對(duì)于該型號(hào)的平衡閥，控制油路阻尼孔直徑宜選用φ0.4mm。

圖4 控制口阻尼孔直徑對(duì)油缸有桿腔壓力響應(yīng)的影響

3.2 平衡閥控制比對(duì)其穩(wěn)定性的影響

圖5為不同控制比的平衡閥仿真結(jié)果。由圖可知，有桿腔壓力全程波動(dòng)，油缸不能平穩(wěn)下降。但是隨著控制比下降，壓力波動(dòng)峰值下降，震動(dòng)減弱，這是因?yàn)榭刂票认陆禍p小了控制壓力作用在主閥芯端面上的力，也就減小了主閥芯的行程波動(dòng)幅值，從而降低了主閥口的通流面積變化量。

圖5 控制比對(duì)油缸有桿腔壓力響應(yīng)的影響

3.3 主閥芯面積梯度對(duì)平衡閥穩(wěn)定性的影響

圖6為不同閥口面積梯度的平衡閥仿真結(jié)果，由圖可知，錐角45°和60°時(shí)，有桿腔壓力全程波動(dòng)，油缸不能平穩(wěn)下降，錐角30°時(shí)，經(jīng)過(guò)2.5秒波動(dòng)，油缸平穩(wěn)下降。隨著主閥芯錐角下降，壓力波動(dòng)峰值下降，震動(dòng)減弱，趨于平穩(wěn)。這是因?yàn)殄F角減小降低了主閥芯的面積梯度，即降低了主閥口通流面積對(duì)閥芯行程變化的敏感度。

圖6 主閥芯面積梯度對(duì)油缸有桿腔壓力響應(yīng)的影響

3.4 調(diào)壓彈簧預(yù)緊力對(duì)平衡閥穩(wěn)定性的影響

圖7 調(diào)壓彈簧預(yù)緊力對(duì)油缸有桿腔壓力響應(yīng)的影響

圖7為不同調(diào)壓彈簧預(yù)緊力的平衡閥仿真結(jié)果，由圖可知，隨著調(diào)壓彈簧的預(yù)緊力減小，壓力波動(dòng)峰值下降，震動(dòng)減弱，適當(dāng)減小彈簧預(yù)緊力有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。為了提高平衡閥的閉鎖壓力，需要足夠的調(diào)壓彈簧預(yù)緊力，預(yù)緊力增大會(huì)造成主閥芯位移減小，使閥開口度減小，導(dǎo)致閥口油液流速變化增大，產(chǎn)生液壓沖擊，還會(huì)在閥口附近形成低壓區(qū)產(chǎn)生氣泡和噪聲，造成對(duì)主閥芯的氣蝕，會(huì)大大降低平衡閥的使用壽命。

4 結(jié)論

通過(guò)建立橋檢測(cè)垂直臂升降油缸平衡回路的 AMESim模型進(jìn)行仿真分析，得出一些結(jié)論：

（1）平衡閥控制比低，穩(wěn)定性好，但能耗高；

（2）平衡閥面積梯度小，穩(wěn)定性好，但最大通流量受到限制。對(duì)于流量不大但壓力波動(dòng)大的系統(tǒng)，可以選用節(jié)流型或半節(jié)流型平衡閥，控制效果會(huì)穩(wěn)定些；

（3）在滿足負(fù)載保持功能的前提下，適當(dāng)調(diào)小調(diào)壓彈簧預(yù)緊力，有利于系統(tǒng)穩(wěn)定；

（4）控制油路阻尼能有效削弱控制壓力波動(dòng)對(duì)主閥芯的影響，有利于回路穩(wěn)定，可以在控制油路上設(shè)置單向節(jié)流閥提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，同時(shí)不降低平衡閥響應(yīng)速度。

[1] 石文燕,任立峰,李新美.橋梁檢測(cè)車液壓系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì) [J].農(nóng)業(yè)裝備與車輛工程,2013(2):64-66.

[2] 冀宏,梁宏喜,胡啟輝.基于 AMESim 的螺紋插裝式平衡閥動(dòng)態(tài)特性的分析[J].液壓與氣動(dòng),2011,(10)：80—83.

[3] 李坤,賈躍虎,劉天勛,等.基于 AMESim 的螺紋插裝式平衡閥動(dòng)態(tài)特性仿真研究[J].液壓氣動(dòng)與密封.2011,(3)：41—44.

[4] 姚平喜,張恒,王偉.負(fù)載敏感平衡閥動(dòng)態(tài)特性仿真及參數(shù)優(yōu)化研究[J].機(jī)床與液壓.2011,39(4)：29—31.

Working Properties of Counterbalance Valve in Bridge Checking Vehicle

Miao Liangliang, Lei Qiaoli, Liu Chunqiang, Jin Kai
( Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

According to creeping，low frequency jitter and cavitation of the lifting cylinder in bridge checking vehicle，the structural characteristics and the principle of a cartridge counterbalance valve are studied. The influences of the damping hole diameter of the control oil mouth，the spring preload changing on the dynamic characteristics of the process of cylinder rising are analyzed by the dynamic mathematic model and AMESim model．The results provide a theoretical reference for the optimization design of the valve and the parameter matching of balancing circuit.

bridge checking vehicle; counterbalance valve; dynamic characteristics; simulation

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-167-03

U467 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-7988 (2017)12-167-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.056

苗亮亮，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司。