直動定值減壓閥動態性能仿真分析

趙小飛

摘要：直動定值減壓閥具有較好的動態響應特性，在液壓閥先導減壓、變量泵擺角調節、蓄能器穩定充放液等工程液壓領域得到廣泛應用。給出了直動定值減壓閥結構簡圖并介紹了其工作原理，基于物理模型建立了直動定值減壓閥數學模型，結合相關數學方程利用AMEsim搭建了減壓閥仿真模型，仿真得到了在變化輸入壓力下的定值輸出壓力動態特性曲線，驗證了仿真模型的正確性，進一步仿真分析了減壓彈簧剛度和閥芯遮蓋量對減壓閥輸出壓力的影響情況，仿真結果表明：選取硬彈簧和大遮蓋量均有助于提高減壓閥輸出壓力。

Abstract： Direct-acting constant value pressure reducing valve has good dynamic response characteristics， which is widely used in hydraulic engineering fields such as pilot pressure reducing， variable pump swing angle adjustment and accumulator stable filling and discharging liquid. The structure diagram and the working principle of direct-acting constant value pressure reducing valve are given and introduced. The mathematical model of valve is built based on physical model and the simulation model are established by the software of AMEsim. The dynamic characteristic curve of the fixed output pressure under the changing input pressure is obtained. The correctness of the simulation model is verified based on simulation. The influence of spring stiffness and covering quantity on fixed output pressure are further simulated and analyzed. The results show that selecting hard spring and large covering is conducive to improve the output pressure of fixed-value pressure reducing valve.

關鍵詞：定值減壓閥;建模;仿真;輸出壓力;彈簧剛度;遮蓋量

Key words： constant value pressure reducing valve;modeling;simulation;output pressure;spring stiffness;covering quantity

中圖分類號：TH134? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2020）21-0060-03

0? 引言

液壓元件在工程機械中運用比較廣泛，定值減壓閥主要將進口高壓力調節降低至滿足系統要求的壓力值，從而保證系統穩定運行。其主要作用是給系統調節出兩個以上的不同壓力回路，如先導控制回路、蓄能器充液回路等[1-2]。根據其工作原理可分為直動式和先導式，相比先導式，直動式減壓閥具有較好的響應特性，應用比較廣泛。目前對直動式減壓閥的應用研究較多，王存堂等[3]為了使壓料缸的壓緊力可控，在壓料缸和油泵之間加入一個定值輸出減壓閥，提高了剪板機的主動安全性。劉君等[4]進行了減壓閥動態特性的數值模擬，基于彈簧近似的動網格有限體積格式求解了減壓閥的流體控制方程。王關海等[5]基于Simulink分析了減壓閥阻尼孔、敏感腔容積、二次回路腔室容積對壓力穩定的影響。

但目前對直動定值減壓閥動態性能仿真分析研究較少，本文詳細介紹其工作原理，進行動態特性理論分析，基于數學模型搭建其仿真模型，并進行了仿真分析，研究其動態響應特性，給減壓閥的設計研究提供參考價值。

1? 結構原理

如圖1所示為直動定值減壓閥結構示意圖，減壓閥入口壓力為P1，出口壓力為P2，卸油口L。高壓油P1口進入減壓閥體，開度a為正的遮蓋量，即入口初始為通口，經過環形b腔后從P2口流向下油低壓支路，出口壓力經阻尼孔d反饋到閥芯右側，從而產生向左的推力，該力與控制彈簧有動態平衡關系。出口壓力作用于右腔的壓力低于彈簧力時，閥芯處于最右側，閥口全開，當出口壓力達到閥的設定壓力時，閥芯向左移動，開度a減小，因此保持出口壓力不變，彈簧腔與油箱相連[6-8]。

2? 數學模型建立

如圖2所示為直動定值減壓閥工作原理示意圖，根據其工作原理進行其數學模型的搭建和推導。

減壓閥減壓過程滿足動態閥芯力平衡方程[3]：

（1）

式中，mp表示閥芯質量，kg;p2表示反饋壓力，MPa;Ap表示閥芯面積，m2;Bp表示閥芯阻尼系數，N/m·s-1;x表示閥芯位移，m;x0表示彈簧初始預壓縮量，m;Kp表示彈簧剛度，N/m。

減壓閥進油口流量方程[9]：

（2）

式中，ρ表示油液密度，kg/m3;xp閥口初始開口度，mm;Cv表示節流系數，暫取0.7;D表示閥芯直徑，mm。

減壓閥流量連續性方程[10]：

（3）

式中，Q表示閥的總流量，L/min;E表示油液彈性模量，MPa，暫取1400MPa。Vp受控腔體積，m3;Q3表示出口流量，L/min;Q2表示敏感腔流量，L/min。

敏感腔流量方程[11]：

（4）

式中，V2敏感腔體積，m3。

3? 減壓閥模型建立與參數設置

3.1 仿真參數設置

如表1所示為系統仿真主要參數。

3.2 仿真模型

結合數學模型，基于AMEsim建立如圖3所示的直動定值減壓閥仿真模型[14-16]。

4? 系統仿真結果

直動定值減壓閥仿真模型仿真參數按照表1進行設置，仿真時間設置為5s，時間間隔0.01s進行仿真分析，仿真得到如圖4所示的減壓閥輸入輸出壓力變化曲線。

由圖4可得：在直動定值減壓閥入口壓力輸入持續變化的高壓油，壓力由8 MPa持續10 s增大至10 MPa的過程中，直動定值減壓閥入口壓力持續保持為1.375 MPa，仿真結論證明了直動定值減壓閥模型的正確性。

分別取彈簧剛度為30N/mm、50N/mm、70N/mm、90N/mm對直動定值減壓閥進行仿真分析，得到如圖5所示的彈簧剛度對直動定值減壓閥出口壓力的影響曲線。

由圖5可得：彈簧剛度對減壓閥輸出壓力有較大影響，當彈簧剛度由30N/mm增大到90N/mm時，減壓閥輸出壓力由1.047MPa增大至2.881MPa。

分別取閥芯初始遮蓋量為1.0mm、1.5mm、2.0mm、2.5mm進行仿真分析，得到如圖6所示的初始遮蓋量對減壓閥輸出壓力的影響曲線。

由圖6可得：閥芯初始遮蓋量對減壓閥輸出壓力具有明顯壓力，當遮蓋量由1.0mm增大到2.5mm時，減壓閥輸出壓力由0.426MPa增大至1.131MPa。

5? 結論

給出了直動定值減壓閥工作原理，建立了定值減壓閥數學模型和AMESIM仿真模型，并進行了仿真分析，研究了彈簧剛度和閥芯遮蓋量對減壓閥輸出壓力的影響規律，為減壓閥的研究提供參考，主要得出以下結論：

①基于AMEsim建立的仿真模型具有一定的正確性。

②硬彈簧和大遮蓋量有助于增大減壓閥輸出壓力。

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