高壓氣動溢流閥動態(tài)特性分析

李娟 楊建江

摘 要：本文以高壓氣體作用下氣動溢流閥為研究對象，用AMESim中的PCD庫對其進行建模仿真，分析在不同氣壓、彈簧剛度、阻尼孔直徑作用下，閥芯的動態(tài)響應特性。研究結果表明：隨著氣瓶壓力值或彈簧剛度的增大，閥芯的動態(tài)響應頻率減?。蛔枘峥字睆叫》秶兓瘯r，對溢流閥動態(tài)性能影響不明顯。研究成果旨在應用于溢流閥的研制和生產，為溢流閥結構參數設計提供參考。

關鍵詞：高壓；氣動溢流閥；動態(tài)特性

中圖分類號：034 文獻標識碼：B

溢流閥是各種氣液壓設備中重要的壓力控制單元，在工程機械、汽車工業(yè)、航空航天、船舶交通等各個領域中有著廣泛的應用。重量輕、尺寸小、靈敏度高、穩(wěn)定性好是各行各業(yè)在溢流閥設計中面臨的共性問題。因此，分析不同環(huán)境參數、結構參數對溢流閥動態(tài)響應特性的影響，以提高其工作性能，保障高壓氣動系統(tǒng)的安全是問題分析的關鍵。

目前，國內外對溢流閥的研究和應用還主要側重于液壓環(huán)境、低氣壓環(huán)境，常用的方法是根據經驗確定有關參數，通過試驗來檢驗其特性，并修正設計參數[1]。對于高壓氣動溢流閥的研究還較少，為了獲得理想的動態(tài)品質，得知溢流閥真實工作狀態(tài)下其內部結構參數的變化對其動態(tài)特性的影響很有意義。本文以高壓氣體作用下氣動溢流閥為研究對象，運用AMESim中的PCD庫進行建模仿真，分析在不同氣壓、阻尼孔直徑、彈簧剛度作用下，閥芯的動態(tài)響應特性。

1 溢流閥數學原理

溢流閥工作原理為當系統(tǒng)的壓力達到或超過溢流閥的調節(jié)壓力時，系統(tǒng)的氣體通過閥口溢往大氣，以維持系統(tǒng)壓力峰值不會超過設定值，防止系統(tǒng)壓力過載，保障執(zhí)行機構、閥和系統(tǒng)的安全。

溢流閥動態(tài)特性是接到輸入信號以后，高壓腔的壓力瞬態(tài)峰值與波動情況、負載或控制機構的響應速度。求解動態(tài)特性需要建立動態(tài)模型，通常是一組以時間為獨立變量的微分方程[2]。

高壓氣動閥口流量公式：

式中：Ave為有效面積，p為閥口入口壓力，k為絕熱指數，空氣k=1.4，R為氣體常數，干空氣R=287.1J/（kg·K），T為閥口入口溫度。

當閥芯只在氣壓力、彈簧力和重力作用下處于平衡狀態(tài)，閥芯運動時的動力學平衡方程為：

式中：Qvacosα項是閥口的穩(wěn)態(tài)氣動力，Me為閥芯運動的當量質量，y為閥芯位移，a為聲速，α為氣體流出閥口時的方向與閥芯軸線夾角，K為彈簧剛度，B為變向粘性阻力系數，Fr為閥芯與閥套之間的干摩擦力，C為單向粘性阻力。

閥腔連續(xù)性方程為：

式中：πDvpδ36lv是泄漏量，δ為環(huán)縫間隙，l為環(huán)縫密封長度，v為氣體運動粘度，V為彈簧腔容積。

通過式（2）、（3）得出閥芯動態(tài)特性的二元二階非線性微分方程組，即氣動溢流閥的動態(tài)數學模型[3]：

式中：Cv為閥口收縮系數，無量綱。

針對溢流閥的幾何參數，當輸入一個壓力信號，通過求解上述微分方程組，即可求得閥的動態(tài)響應過程。

2 溢流閥AMESim模型

AMESim提供了一個系統(tǒng)及工程的完整平臺，從其豐富的氣動庫和氣動元件設計庫可以搭建氣路系統(tǒng)[3]。但是，其中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足氣動系統(tǒng)設計要求，需要根據氣路控制的結構設計原理，利用PCD庫（氣動元件庫）的子模型組合建立控制閥的模型。通過PCD庫建立的溢流閥仿真模型，如圖1所示。

3 仿真分析

設定圖1溢流閥的參數，其中作為輸入信號的環(huán)境參數氣瓶壓力分別為20MPa、25MPa、30MPa進行變化；作為結構參數的彈簧剛度分別為40N/mm、50N/mm、60N/mm進行變化；阻尼孔直徑分別為2mm、2.5mm、3mm進行變化；分析閥芯的動態(tài)響應特征。

從圖2可以看出：氣瓶壓力值的大小對閥芯的輸出位移的動態(tài)品質影響較大。氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態(tài)響應頻率越小，閥芯的振蕩次數越少。

從圖3可以看出：彈簧剛度的大小對閥芯的輸出位移的動態(tài)品質稍有影響。彈簧剛度越大，閥芯的動態(tài)響應頻率越小，閥芯的振蕩次數越少；但是對溢流閥閥芯起始響應時間的影響敏感度不高。

從圖4可以看出，阻尼孔直徑在小范圍之間變化時，閥芯響應的起始響應時間、動態(tài)響應頻率幾乎沒有變化，對溢流閥動態(tài)性能影響不明顯。

4 結論

通過AMESim對溢流閥進行建模和仿真，得出了氣瓶充氣壓力、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數對溢流閥動態(tài)品質的影響。結果表明，氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態(tài)響應頻率越小。彈簧剛度越大，閥芯的動態(tài)響應頻率越小。阻尼孔直徑在小范圍之間變化時，對溢流閥動態(tài)性能影響不明顯。

要想提高溢流閥的動態(tài)工程品質，可根據仿真分析結果，改變溢流閥內部結構尺寸，來達到滿足設計要求的目的。

參考文獻：

[1]曾祥榮，葉文柄，吳沛榮.液壓傳動.北京：國防工業(yè)出版社，1980.

[2]李建藩.氣壓傳動系統(tǒng)動力學.廣州：華南理工大學出版社，1991.

[3]KOHNOH，BATHE K J. Aninenode quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673699.

[4]付永領，齊海濤.AMESim系統(tǒng)建模與仿真實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版署，2011.

項目名稱：裝備預研中航工業(yè)聯合基金項目（編號：6141B050706）