導閥參數對先導式溢流閥動態特性的影響*

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(武漢軟件工程職業學院機械工程學院，湖北武漢430205)

0 引言

先導式溢流閥是利用先導閥調定壓力來控制主閥導通的，研究不同導閥參數對先導式溢流閥動態特性的影響，對先導式溢流閥的選用、優化設計具有一定的參考價值。

1 先導式溢流閥結構及工作原理

如圖1[1-2]，先導式溢流閥由先導閥和主閥兩部分組成。在先導閥與主閥之間有密閉的穩壓油腔A和平衡活塞腔B。當進油口P處壓力小于錐閥4的調定壓力時，先導閥閥口關閉，阻尼孔1中無液壓油流動，平衡活塞8上下無壓差，并在彈簧力的作用下處于最下端；反之，先導閥打開，進油口液壓油經阻尼孔1、穩壓油腔A、泄油口6、回油口T流回油箱，平衡活塞8上下形成壓差，當壓差大于平衡彈簧8的作用力時，活塞9上移，進出油口被打開，實現溢流，進油口P的壓力也隨之降低，直到平衡活塞9穩定在某一個平衡位置。

圖1 先導式溢流閥工作原理圖

2 建立仿真模型

使用Amesim軟件建立先導式溢流閥的仿真模型，分析不同導閥參數對先導式溢流閥動態特性的影響。在Amesim軟件中建立仿真模型主要有功能級建模和元件級建模兩種形式。

2.1 功能級建模

功能級建模是指使用Amesim軟件Hydraulic液壓庫中的標準液壓元件進行建模，即采用HV001元件子模型建模。HV001元件模型有五個端口構成，其中端口2可采取多種方式與其它元件相配合，以實現多種液壓閥模擬仿真。HV001子模型如圖2。

由于先導式溢流閥由先導閥和主閥構成，因此建立仿真模型時需采用兩個HV001元件模型，如圖3。

圖2 HV001模型

圖3 先導式溢流閥仿真模型

2.2 元件級建模

元件級建模是指根據先導式溢流閥工作原理和結構圖使用Amesim軟件Hydraulic 、Compent Design和Mechanical機械元件庫構建仿真模型，具體建模過程為：

1)根據先導式溢流閥的結構特征在(Sketch mode)模式下建立主閥、先導閥的Amesim仿真模型，如圖4[3-5]。

圖4 主閥、先導閥Amesim仿真模型

圖5 先導式溢流閥仿真模型

2)根據先導式溢流閥的工作原理在(Sketch mode)模式下建立仿真模型，如圖5。

3)按Submodel mode鍵進入子模型模式，按Premier submodel鍵對所有元件應用主子模型。

4)按Parameter mode鍵，分別設置主閥、導閥參數，如表1、表2。

表1主閥參數設置

表2導閥參數設置

相比功能級建模，元件級建模更能方便快捷地仿真先導式溢流閥各個參數對其動態特性的影響。對圖5所示的仿真模型，使其主閥參數不變，分別改變導閥主要參數值，分析導閥參數對先導式溢流閥動態特性的影響。

3 仿真結果分析

將表1、表2設置的參數輸入到圖5的仿真模型中，并設置第一階段開始時輸出流量為80 L/min、結束時輸出流量為80 L/min、仿真時間為1 s，仿真步長為0.01 s，其它參數設為默認值，得到先導式溢流閥動態特性曲線，如圖6。由圖6可知，主閥開啟的過渡時間為0.25 s，穩定壓力為13.5 MPa，溢流量為79 L/min；先導閥開啟的過渡時間為0.17 s，壓力為11.9 MPa，溢流量為0.89 L/min。

圖6 先導式溢流閥進口壓力特性曲線

3.1 導閥阻尼孔對先導式溢流閥動態特性影響分析

圖7是導閥阻尼孔直徑分別為0.0001 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm時先導式溢流閥壓力、流量隨時間變化特性曲線。

圖7 導閥阻尼孔對先導式溢流閥動態特性影響

1)由圖7(a)可知，當阻尼孔直徑為0.0001 mm時，相當于阻尼孔直徑堵塞，無液壓油流經導閥，導閥的進口壓力及溢流量均為0 bar(L/min)；對于主閥來說，此時溢流量為0 L/min，進口壓力為2513.99 MPa，平衡活塞9上下壓力相等，無壓差，溢流閥不工作。

2)由圖7(b)、(d)可知，當阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之間變化時，主閥進口壓力分別為15.39 MPa、14.25 MPa、13.54 MPa，響應時間分別為0.01 s、0.05 s、0.02 s，過渡時間為0.04 s、0.05 s、0.19 s，壓力超調率分別15.6%、13.9%、3.4%；溢流量為79.53 L/min、79.08 L/min、79.02 L/min。得出結論：阻尼孔直徑越小，主閥進口壓力越大、溢流量越大(但變化很小)、響應越快、過渡時間越短、振蕩次數越少、壓力超調率越大。

3)由圖7(c)、(e)可知，當阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之間變化時，導閥進口壓力分11.63 MPa、11.86 MPa、11.87 MPa，響應時間分別為0.1 s、0.12 s、0.13 s，過渡時間為0.14 s、0.15 s、0.22 s，壓力超調率約為45.4%、2.5%、1.8%；溢流量為0.4769 L/min、0.8894 L/min、0.9180 L/min。得出結論：阻尼孔直徑越小，導閥進口壓力及溢流量幾乎無變化，壓力超調率越小，響應越快，過渡時間越短。

綜上所述，導閥阻尼孔變化對先導式溢流閥動態特性穩定性和響應靈敏性影響較大，而對其壓力、流量大小影響較小。分析原因為：阻尼孔直徑越小，液壓油經過導閥阻尼孔的壓力損失越大，主閥閥芯上下壓差越大，主閥能快速開啟實現溢流；但當阻尼孔過小，甚至堵塞時，溢流閥上下壓差相等，溢流閥不工作，易引起電機及其他元件燒壞，甚至造成安全事故。

3.2 導閥閥芯質量對先導式溢流閥動態特性影響分析

圖8為先導閥閥芯質量分別為0.04 kg、0.06 kg、0.1 kg時先導式溢流閥動態特性曲線。由圖8(a)、圖8(b)、圖8(c)可知導閥閥芯質量對主閥進口壓力、溢流量、導閥進口壓力幾乎沒有影響，但對導閥溢流量動態穩定性影響較大。當m=0.1 kg時壓力超調率為51%，過渡時間為0.4 s，振蕩次數較多；當m=0.06 kg時壓力超調率為26%，過渡時間為0.27，振蕩次數相對質量為0.1 kg時有所減少；當m=0.04 kg時壓力超調率為17%，過渡時間為0.2 s，振蕩次數較少。得出結論：先導閥閥芯質量越大，先導閥進口壓力超調量越大、響應緩慢、噪聲較大，穩定性較差。

圖8 導閥閥芯質量對先導式溢流閥動態特性影響

3.3 導閥彈簧剛度對先導式溢流閥動態特性影響分析

圖9為導閥彈簧剛度分別為20 N/mm、40 N/mm、80 N/mm時先導式溢流閥動態特性曲線。由圖9(a)、圖9(b)可知導閥彈簧剛度決定先導式溢流閥開啟壓力，彈簧剛度越大，導閥進口壓力、主閥進口壓力越大(但變化不是很大)，壓力超調量越小，響應越快，振蕩次數越少，穩定性越好。由圖9(c)、圖9(d)可知，導閥彈簧剛度對主閥溢流量影響較小，而對導閥溢流量影響較大，導閥彈簧剛度越大其溢流量越大，壓力超調量越大，響應越快，振蕩次數越少。

圖9 導閥閥芯彈簧剛度對先導式溢流閥動態特性影響

3.4 導閥預緊力的影響

圖10為導閥彈簧預緊力分別為80 N、100 N、120 N時先導式溢流閥動態特性曲線。由圖10(a)、圖10(b)可知導閥彈簧預緊力決定先導式溢流閥開啟壓力，導閥彈簧預緊力越大，導閥進口壓力、主閥進口壓力越大。但導閥彈簧預緊力變化對壓力超調量、響應時間、振蕩次數幾乎無影響。由圖10(c)、圖10(d)可知導閥彈簧預緊力對主閥溢流閥量影響較小，對導閥溢流量大小影響較大，導閥彈簧預緊力越大，導閥溢流量越大，而對穩定性影響較小。

圖10 導閥預緊力對先導式溢流閥動態特性影響

4 結論

利用Amesim軟件構建先導式溢流閥仿真模型，通過改變導閥的調壓彈簧預緊力、彈簧剛度、閥芯質量、阻尼孔參數，模擬仿真在不同條件下先導式溢流閥動態特性變化情況，分析出不同導閥參數對先導式溢流閥動態特性的影響，為先導式溢流閥的選用及結構優化提供理論基礎。