螺紋插裝方向閥的熱力學建模與仿真分析

何二春

摘要：本文基于能量守恒和質量守恒定律，結合特殊結構壓力流量特性，提出了螺紋插裝方向閥的熱力學建模方法。利用MATLAB平臺對一型螺紋插裝閥開展仿真分析，并預測其出油口和回油口溫度。對仿真結果與機械結構的特性進行了對比分析，驗證了建模方法的有效性。該理論建模方法適用于任意類型的螺紋插裝閥，對螺紋插裝閥的熱力學建模與分析具有一定指導意義。

Abstract： Based on the law of conservation of energy and mass conservation， combined with the pressure and flow characteristics of cartridge directional valve， the thermodynamic modeling approach to the study of the valve were presented. The temperatures of the outlet and inlet ports were accurately predicted， according to the simulation by MATLAB software. Simulation results were presented and analyzed， compared with the characteristics of the mechanical structure， which demonstrated the validity of the model. Moreover， the theoretical basis and modeling strategy were also applicable for other cartridge valves， which provided references to study the cartridge valves and thermal hydraulic modeling.

關鍵詞：螺紋插裝方向閥;熱力學模型;動態(tài)仿真

Key words： cartridge directional valve;thermal hydraulic modeling;dynamic simulation

中圖分類號：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0070-04

0 ?引言

液壓系統(tǒng)在不同領域的應用中一直存在工作溫度難以控制的問題，因為液壓元件在工作中不可避免地存在泄露、摩擦、溢流等能量損失，損失的能量大部分以熱量的形式散失在系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)油溫升高，而過高的油溫則引起油液的物理、化學特性變化，這不止造成能源的浪費，更嚴重時會造成整個控制系統(tǒng)的失效。解決液壓系統(tǒng)過熱的問題，根本方法是要減少系統(tǒng)中多余熱量的產生。因此，對液壓元件進行熱力學建模，準確預測其溫度變化，對于改進液壓系統(tǒng)溫度控制，提高液壓控制系統(tǒng)可靠性有著重要的意義。

螺紋插裝閥在國外被廣泛應用于工程機械、車輛、和農用機械等領域。在國內因其能夠簡便、緊湊、靈活地實現(xiàn)各種壓力、流量和方向控制的功能，也正得到越來越多的青睞。以往對螺紋插裝閥的研究多為結構原理和壓力流量動態(tài)特性分析[1-4]，而對其熱力學性能、溫度響應的研究則較少。傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析中僅將螺紋插裝閥簡化為一個節(jié)流阻性元件，利用能量守恒計算閥的穩(wěn)態(tài)溫度變化。Slidder J.A.等[5]提出一種研究流體動力系統(tǒng)中液壓熱力學特性的模型。LI Cheng-gong等[6]建立了泵的熱力學模型。李永林等[7]以模塊化建模方法，提出了液壓系統(tǒng)熱力學模塊化建模方法。胡均平等[8]結合熱力學和流體動力學建立了液壓打樁錘緩沖裝置動態(tài)模型。以上的研究對液壓系統(tǒng)熱力學建模分析都有很大的參考意義。

本文結合熱力學理論和螺紋插裝閥特殊結構下的壓力流量特性，提出了螺紋插裝方向閥熱力學建模方法，并利用該模型對一型螺紋插裝閥開展仿真分析，分析結果的合理性驗證了模型的有效性。

1 ?動態(tài)模型基礎

在建立質量和能量守恒方程時可以從多種不同的熱力學參數中選擇，如壓力、密度和焓。然而，選擇確實可測的參數來建立等式將更有價值。因此，選擇溫度和壓力來建立質量和能量守恒方程。

采用開口系統(tǒng)分析，控制體模型如圖1所示，不考慮控制體內部較小的動能和勢能的影響;螺紋插裝方向閥閥體與油液接觸面積較小，故不計油液的軸功;閥芯往復運動速度及正壓力均較小，所以可忽略外界給控制體的熱流量，這樣由能量守恒定律可得[9]：

選定螺紋插裝方向閥控制體后，即可由式（14）、（15）計算出溫度的動態(tài)變化。

2 ?螺紋插裝方向閥控制原理

螺紋插裝方向閥結構原理如圖2[11]。閥口①③連接進油和回油管路，閥口②④連接負載，閥口⑤⑥為導壓控制口，油路接通后由導壓腔內油壓控制閥芯位移，實現(xiàn)油路換向。

本文以一個一閥芯工作部分基本對稱的正開口量的閥為例進行說明。假設閥芯中位時，其進油和回油口也對稱，閥口超出兩側閥肩各Zmm（Z

當|x|

4 ?仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)原理

為研究螺紋插裝方向閥進油口的溫度特性，采用圖5所示的系統(tǒng)進行仿真分析。用一個節(jié)流裝置模擬負載。主要參數設置如表1。

4.2 主要參數研究

以MATLAB/Simulink為計算工具，建立油液特性參數計算、螺紋插裝方向閥、節(jié)流裝置和管路的仿真模塊，并帶入表1中數據，仿真求解。

設置進油口壓力p3=10MPa，進油口溫度TP=TH=25℃，閥芯位移x=5mm，以階躍信號輸入，t=1s，圖6中為螺紋插裝方向閥各油口溫度（TA、TB、TT）動態(tài)曲線仿真結果。

由圖6可知，閥未打開時，TB、TT已開始升高，這是由于閥是正開口量的，由開口處進入的油液引起閥口溫度變化，油溫上升速度先加快后減慢，這是由于插裝閥特殊通油孔結構引起的。而A口溫度TA只在閥打開，形成回流流量后才開始變化。閥打開后，油路中低溫油液回油，使TT先降低再升高。

4.2.1 進油口溫度的影響

其余參數設置不變，改變進油口溫度TP，仿真結果如圖7所示。X軸為不同的進油口溫度TP，Y軸表示進油質量流量（kg/s）。由圖可知，方向閥進油口溫度越高，閥的進油流量越少，影響換向精度。實際工作中，閥的進油口溫度與系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度密切相關，因此在控制精度要求較高的系統(tǒng)中，必須控制系統(tǒng)油液溫度和環(huán)境溫度。

4.2.2 進油口壓力的影響

5 ?結論

結合兩大守恒定律和閥的流量壓力特性，提出了螺紋插裝閥熱力學建模的方法。該建模方法克服了傳統(tǒng)建模中簡單地將閥作為一個節(jié)流單元的不足。仿真結果表明，模型很好地反映了螺紋插式方向閥在各種工況下的熱力學響應特性。這種理論和建模方法，為深入研究含螺紋插裝閥的液壓系統(tǒng)發(fā)熱原理，提高系統(tǒng)建模精度提供了理論工具。

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