二通插裝閥方向元件的動作響應特性研究

庹前進，劉 敏

(1.中南大學 機電工程學院，長沙410083；2.湖南機電職業技術學院 機械工程學院，長沙410151)

二通插裝閥具有通流能力大、動作快和密封性能好等特點，在高壓大流量領域應用較為廣泛。相對于普通閥而言，二通插裝閥內部流道復雜，工作特性影響因素較多。由于插裝閥大多應用于高壓、大流量場合，因此必須重視其動態響應特性，特別是閥芯的啟閉動作。二通插裝閥的啟閉特性將直接影響系統回路的瞬時通斷狀態，在多插裝閥組成回路中，此特性將對整個液壓系統產生較大影響[1]。

黃海鴻等[2]研究了閥口開度對二通插裝閥壓力流量特性的影響，對閥內部結構進行改進，有效降低了進出口兩端實際壓力流量特性曲線和基于理論公式所計算得到壓力流量特性曲線之間的誤差；Sun等[3]進行了插裝閥的流體結構耦合仿真分析，得到了插裝閥的瞬態力學性能和減壓過程中液壓油與閥芯相互作用的沖擊特性，研究結果表明減壓過程的穩定性和閥芯與閥套的接觸時間有關；于良振等[4]基于AMESim 研究了二通插裝閥阻尼匹配情況，較為全面和系統地分析了壓力插裝閥的穩態和動態特性，利用仿真結果可以在系統設計階段預測其特性；Yang等[5]研究了較小的阻尼孔直徑對流量上升速度和流通平穩性的影響，結果表明閥芯開度的波動程度隨閥芯質量相對應地增加。綜上分析，前人的研究未能系統地分析閥芯面積比、通流方向以及阻尼孔位置等因素對閥芯動作產生的影響。本文以某公司的造型機液壓系統為背景，在理論上分析插裝閥閥芯動作特性的影響因素，利用AMESim 軟件建立模型，通過仿真分析上述因素對插裝閥閥芯動作的影響。

1 二通插裝閥結構及原理

在某型號的造型機液壓系統中，為保證滿足系統流量要求，統一選用公稱直徑為32 mm的二通插裝閥。如圖1所示。二通插裝閥主要由方向元件、控制蓋板、先導控制閥3部分構成；二通插裝閥的方向元件由閥套、閥芯、彈簧和密封件等組成，方向元件裝在集成塊的腔孔內并由控制蓋板壓住。

圖1 二通插裝閥結構

二通插裝閥的動作邏輯由A腔、B腔和X腔的控制油壓決定，其中A、B為主作用油口，負責將系統油液輸入執行機構，X為控制口，負責調整閥芯的動作。在二通插裝閥工作過程中，根據自身油道與接口的不同，油液有兩種流通方向，即油液既可由插裝閥A口流向B口，也可由B口流向A口。

在由插裝閥作為油路通斷元件組成的液壓系統中，插裝閥有多種安裝方式。以插裝閥軸線垂直于地面安裝為例，工作狀態下插裝閥閥芯除受到各油口處的油液壓力作用外，還受到彈簧力、摩擦力、重力等作用。非工作狀態下，閥芯依靠彈簧的預壓縮力處于關閉狀態；當入口油壓升高時，彈簧進一步壓縮，閥芯開啟。以油液自A口流向B口為例，閥芯向上移動壓縮彈簧，插裝閥實現開啟。對平衡狀態下的插裝閥閥芯進行受力分析，可得：

式中：PA為主油口A處壓力；PB為主油口B處壓力；PC為控制口X處壓力；AA為主油口A腔承壓面積；AB為主油口B腔承壓面積；AC為控制口X腔承壓面積；FH為閥口液動力；FG為閥芯重力；Ff為摩擦力。

插裝閥工作過程中，彈簧一直處于被壓縮的狀態，閥芯位移與彈簧力之間有如下關系：

式中：FK為彈簧力；k為彈簧剛度；x0為彈簧預壓縮量；x為閥芯位移。

綜上分析，決定閥芯的動作情況的因素有：油液在插裝閥閥芯上的作用面積、插裝閥A腔與B腔以及X腔處的油液壓力、彈簧預壓縮力等；影響閥芯具體響應特性的因素還包括：插裝閥閥芯所受的液動力、閥芯與閥體間摩擦力和彈簧的彈性剛度等。

2 閥芯動作影響因素分析

在式(1)所示的插裝閥閥芯平衡方程中，閥芯所受主作用力為插裝閥A腔、B腔和X腔在各自受力面上的油液壓力。與插裝閥A腔和B腔相連通的一般為系統油源或負載，這兩處的油液壓力分別由系統壓力或負載所決定，插裝閥控制口X腔常與單獨的控制油源相通。根據插裝閥X腔控制油的不同來源可分為3種控制方式：獨立的控制油源外部供油式、主系統內部供油式、內外結合供油式。控制油液在進入插裝閥控制口X腔前若通過阻尼孔等元件時，將產生一定的減壓作用。

本文所述方案中插裝閥X腔的控制油源為第2種，即主系統內部供油式，此控制方式中閥芯控制油分別取自插裝閥A 口或B 口，因此其壓力值為系統油源壓力或負載端壓力。這種插裝閥閥芯控制方式簡單易行，具有一定的自鎖能力，但無法保證閥芯兩端的有效壓差，使得插裝閥關閉速度較慢[6-7]。解決此類問題的方法有以下兩種：(1)改變控制油的引出點，從系統中壓力較高的地方引出，例如從泵出口的上游處引出控制油；(2)在先導回路中增加蓄能器，使得當系統卸荷時，控制油路仍能維持較高的控制油壓力。

由于本系統中方向元件的閥芯控制方式已確定，下文分析彈簧剛度與預壓縮力、阻尼孔通徑與位置、閥芯兩側面積比與油液通流方向對閥芯動作的影響。

2.1 彈簧剛度與預壓縮力

由二通插裝閥方向元件結構可知，工作狀態下油液流經的閥口類型屬于錐閥閥口，如圖2所示。

圖2 方向元件油口結構

錐閥閥口關閉時，閥芯緊壓在閥座孔上，二者間為線密封；閥芯離開閥座則閥口開啟。閥口開啟時，由圖2中所標結構變量可知，閥口的通流截面積為母線等于xsinα的截頭圓錐的側面積，此時截頭圓錐的頂面半徑為因此錐閥閥口的通流面積與閥芯向上位移距離的關系式如下：

式中：Ax為通流面積；x為閥芯位移；α為錐閥開口角度；ds為閥座孔直徑。

設方向元件的進口壓力為P1，出口壓力為P2，由孔口流量公式可得此時閥口處的流量壓力方程：

式中：Cd為流量系數；ρ為油液密度；Δp為油液進出口壓差。

因此，在油液壓差一定時，閥口開度將決定系統的供油量，進而將對閥芯響應情況產生較大影響。在決定閥口開度和開啟速度的因素中，除油液壓力外，彈簧的預壓縮力和彈性剛度將產生較大作用。

當插裝閥作為方向元件使用時，閥芯關閉過程的時間比開啟過程的時間長，其直接原因是閥芯開啟時靠液壓力，而關閉時靠彈簧力。當對插裝閥閥芯采用內控方式時，不論是將其作為進油閥或回油閥使用，閥芯上下的壓差均基本平衡；同時，閥芯關閉主要依靠彈簧力作用，為縮短關閉時間，可選用較硬的彈簧或在壓降允許條件下減小閥的開度等。

2.2 油液通流方向與兩腔面積比

二通插裝閥有兩種通流方向，即A→B 和B→A，在不同的流量壓力場合，針對不同的啟閉速度與安全性要求，選用不同的通流方向。閥芯的主油口A腔承壓面積與控制口X腔承壓面積之比AA:AX稱為閥芯的面積比，常用的閥芯面積比規格一般有1:1、1:1.07、1:1.2、1:1.5及1:2等。

圖3為錐閥穩態液動力示意圖，圖中左側所示ω1→ω2為上流式錐閥，右側所示ω1→ω2為下流式錐閥。以上流式錐閥為例，根據動量定理，其錐閥穩態液動力的軸向分量為

式中：Fω為穩態液動力；ρ為油液密度；q為流量；ω1為入口流速；ω2為出口流速。式中負號表明液流速度與假設正方向相反。式(5)中ω1比ω2小得多，故第2項可省略，將式(4)代入式(5)，可得：

式(6)中：Cv為速度系數。式中負號表示上流式錐閥穩態液動力的軸向分量方向與流體流向相反，即方向向下。對于下流式錐閥，其穩態液動力的分析過程類似。

圖3 穩態液動力示意圖

綜上，閥口開度、油液通流方向和通流面積等對閥芯所受的穩態液動力有較大影響，而穩態液動力將顯著影響閥芯的響應特性[8-9]。

當閥芯兩側面積比較大時，如為1:1.1時，閥口直徑也相應較大，液流從插裝閥A口向B口流動時，阻力小，通流能力大，閥的開啟壓力較小；而液流從B 口向A 口流動時，B腔的作用面積較小，閥的開啟壓力自然較高。因此，具有較大面積比的插裝閥適宜用于工作流向為從A 口向B 口的流動，不宜用于需要反向流動的場合。對于較小面積比的插裝件，如面積比為1:1.5，B腔有效面積加大，液流從B向A流動時，閥的開啟壓力會相應下降，使得閥芯面積對開啟壓力影響降低。因此，具有較小面積比的插裝件，適用于液流從A向B和從B向A的雙向流動。

對于較小面積比的閥芯，液流的流動方向對插裝閥響應時間影響較大。若選定油液流向為A→B，控制油從A 口引出，則閥芯開啟較快，而關閉較慢。這是因為插裝閥的A腔與X腔的面積較接近，控制油又取自A腔，閥芯關閉時作用于閥芯上的壓差較小。在閥芯關閉初期，閥芯動作主要靠彈簧的作用，當閥芯開口減小到使閥芯行程小于10%時，A腔與B腔形成明顯的壓力差，閥芯以較快的速度關閉。若選定油液流向為B→A，則閥芯開啟較慢而關閉較快，開啟慢是由于B腔油液作用面積較小，且油液在B腔的作用力須大于控制油壓力和彈簧力的合力；由于油液在閥芯兩端形成了較大的壓力差，關閉自然較快。

2.3 阻尼孔通徑與位置

如前所述，當插裝閥控制口排油通暢時，在系統壓力作用下閥芯的開啟速度較快，甚至可能產生液壓沖擊，這時可在控制腔的排油通道中加設節流阻尼孔。阻尼孔在控制油路中的作用是減輕壓力波動，并使控制油產生一定的壓差。當阻尼孔通徑較小時，阻尼孔產生壓降較大，閥芯易于開啟，但關閉速度較慢；當通徑較大時，阻尼孔的穩壓作用降低，閥芯動作較快，易產生沖擊。

一般來說，阻尼孔在控制油路中有以下3種安裝位置可供選擇，3種位置對應不同的降壓與穩壓效果，如圖4所示。將阻尼孔1加裝在先導控制閥與方向元件閥芯之間是最為常用的一種方式，此時阻尼孔對閥芯的開啟和關閉速度都有影響。在一些系統中，由于開啟和關閉的速度要求不同，因此安裝在1位置處往往不能兼顧二者速度要求，只能用于對一個方向的調速有要求的系統，或用于對兩個方向調節要求都不高的系統。因此，當閥芯開啟與關閉速度都需要調節時，可在先導閥壓力油口和回油口各設一個阻尼孔分別產生壓差，即阻尼孔2 用于調節閥芯的關閉速度，阻尼孔3 用于調節閥芯的開啟速度。

圖4 阻尼孔安裝位置

3 仿真分析

如圖5所示。以某公司造型機液壓系統為背景設計的液壓系統仿真模型，利用AMESim 軟件中的液壓庫、信號庫、機械庫以及HCD 庫中的模型構建如圖5所示元件級插裝閥模型，仿真插裝閥閥芯的動作響應情況。采用內控方式中帶有蓄能器保壓系統的仿真模型，利用梭閥引取蓄能器和負載油缸中的較高壓力油作為插裝閥控制油；模型中阻尼孔默認放置在圖4所示的位置1處，默認流向為A→B，后續再根據仿真需要進行調整。此AMESim仿真模型中部分主要參數設置如表1所示。

圖5 AMESim仿真模型

表1 AMESim模型參數設置

下面通過仿真第2 節所分析的3種因素對插裝閥閥芯動作響應的影響情況。

3.1 彈簧剛度與預壓縮力

由2.1節分析可知，彈簧剛度與預壓縮力對閥芯的開啟時刻和動作時長有較大影響。仿真模型中設定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經過插裝閥的流向為A→B，此時分別設定彈簧剛度為10 N/mm、30 N/mm、50 N/mm、70 N/mm，仿真彈簧剛度對閥芯動作的影響。

仿真結果如圖6所示（仿真圖中所示的位移數值“y、x”單位為m，下同），由仿真結果可知，采用內控加裝蓄能器的控制方式時，彈簧的剛度會影響閥芯開啟的速度和最終的位移，彈簧剛度對閥芯開啟速度和最終位移的影響隨著彈簧剛度的增大而減小。當彈簧剛度k從10 N/mm 變為70 N/mm時，開啟速度時長由0.15 s延長為0.5 s，開啟速度下降，而整體開啟周期因為位移的縮短而降低。

圖6 彈簧剛度不同時閥芯動作特性

由2.1節分析可知，彈簧預壓縮力的大小也會對插裝閥閥芯的動作情況產生一定的影響。仿真模型中設定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經過插裝閥的流向為A→B，分別取預壓縮力為10 N、20 N、30 N、40 N，仿真彈簧預壓縮力對閥芯動作的影響，如圖7所示。

圖7 彈簧預壓縮力不同時閥芯動作特性

由圖7所示仿真結果可知，由于二通插裝閥入口壓力由系統油源確定，彈簧的預壓縮力和彈簧剛度一同決定了閥芯最終的開口情況。隨著彈簧預壓縮力的增大，閥芯最大位移量減小，閥芯的關閉速度增大，仿真結果符合前述分析。

3.2 兩側面積比與油液通流方向

由2.2節分析可知，插裝閥X和A腔作用于閥芯的面積比正比于壓力油液對閥芯的作用力，因此閥芯面積比對插裝閥的啟閉動作有較大影響。仿真模型中設定阻尼孔通徑C=0.7 mm，分別設定閥芯面積比為1:1、1:1.2、1:1.5、1:2，油液經過插裝閥的流向取A→B 和B→A 兩種流向，仿真面積比對閥芯動作的影響。

圖8 油液流向為A→B時閥芯動作特性

圖9 油液流向為B→A時閥芯動作特性

由圖8和圖9所示仿真結果可知，油液流向為A→B時，閥芯面積對閥芯位移的影響相對較小，面積比從1:1 降低至1:2時，閥芯位移縮短了10%左右；當油液流向為B→A時，閥芯面積對閥芯位移的影響相對較大，說明其對油缸行進速度影響較大；閥芯面積比從1:1 降低至1:2時，閥芯位移從最大值降為0。當油液流向為B→A時，不同面積比閥芯動作至相同位移時，面積比越大，插裝閥開啟速度越快，閥芯面積比為1:2的插裝閥啟閉時間約為閥芯面積比為1:1.2的插裝閥啟閉時間的1/2。

3.3 阻尼孔影響分析

由2.3 節分析可知，阻尼孔一般有3種加裝位置：(1)電磁閥與插裝件之間；(2)先導閥前油路中；(3) 回油路中。仿真模型中設定阻尼孔通徑C=0.7 mm，插裝閥X腔和A腔的面積比為1:1.2，取油液經過插裝閥的流向為A→B，仿真阻尼孔加裝位置對閥芯動作的影響情況如圖10所示。

由如圖10所示的仿真結果可知，當阻尼孔置于電磁閥和閥芯之間時，閥芯開啟和關閉均較為緩慢，開啟時間為其余兩種方式開啟時間的數十倍，關閉時間也明顯長于后兩種方案。當阻尼孔置于先導閥前油路中時，閥芯開啟較為迅速，在關閉階段的前半部分較為緩慢，后半部分則較為迅速。當阻尼孔置于回油路時，插裝閥的開啟速度與采用第二種加裝位置時基本一致，而關閉速度則明顯快于前兩者，即此方案中阻尼孔的作用不明顯。

圖10 阻尼孔位置不同時閥芯動作特性

由2.3節分析可知，阻尼孔的大小對方向元件閥芯的開啟速度影響很大。在仿真模型中設定閥芯面積比為1:1.2，阻尼孔加裝在電磁閥與插件之間的位置，取油液流向為A→B，仿真阻尼孔大小分別為0.6 mm、0.8 mm、1.2 mm、2 mm時閥芯的動作響應，如圖11所示。

圖11 阻尼孔通徑不同時閥芯動作特性

由圖11所示的仿真結果可知，隨著阻尼孔通徑增大，插裝閥開啟和關閉的速度都將不斷增大；當阻尼孔通徑由2.0 mm 變為1.2 mm、0.8 mm 和0.6 mm時，插裝閥的開啟時間將分別延長為原時長的3倍、5倍和10倍左右，仿真結果符合前述分析。實際工作中，應綜合考慮液壓系統的工作周期及系統對閥芯動作的沖擊性要求，利用阻尼孔動態調整閥芯的啟閉特性。

4 結語

（1）在AMESim 中建立元件級的插裝閥模型，通過仿真分析了彈簧剛度與預壓縮力對插裝閥閥芯動作特性的影響，結果表明：彈簧剛度決定了插裝閥的最大開口；彈簧剛度越大，閥芯動作響應越快；相較于彈簧剛度，彈簧預壓縮力對閥芯動作特性的影響不明顯。

（2）通過仿真分析了油液的通流方向與插裝閥X腔和A腔的面積比對閥芯動作特性的影響，結果表明：對于不同的油液通流方向，面積比對閥芯動作特性的影響有明顯差別；油液通流方向的不同對閥芯動作特性的影響較為明顯，實際中應根據閥芯的面積比選擇油液通流方向。

（3）通過仿真分析了阻尼孔的通徑與安裝位置對閥芯動作特性的影響，結果表明：3種阻尼孔的安裝位置對閥芯的開啟和關閉特性的影響明顯不同。阻尼孔的通徑對閥芯動作特性影響較為明顯，阻尼孔越大，閥芯啟閉動作越迅速，同時帶來的沖擊也越大；實際中應綜合考慮系統的工作周期和沖擊性要求，準確選擇阻尼孔的通徑和安裝位置。