基于AMESim新型先導(dǎo)式減壓閥設(shè)計(jì)與性能分析*

王小軍，孟利民，滿 輝

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引言

減壓閥作為液壓設(shè)備中的重要液壓控制元件，是將進(jìn)口壓力減至某一需要的出口壓力的一種壓力控制閥[1]。減壓閥作為一個(gè)局部阻力可以變化的節(jié)流元件，通過(guò)改變節(jié)流面積，形成不同的節(jié)流效應(yīng)和壓力損失，從而達(dá)到減壓的目的。減壓閥在液壓設(shè)備的夾緊系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛[2]。

隨著液壓技術(shù)在現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，對(duì)于適用于高壓、超高壓液壓系統(tǒng)的壓力控制閥提出了越來(lái)越高的要求[3]。近年來(lái)由于傳統(tǒng)先導(dǎo)減壓閥的結(jié)構(gòu)與工作原理的限制，使其調(diào)定的最高壓力有限，動(dòng)作存在滯后性，不能完全滿足高壓系統(tǒng)中對(duì)液壓控制閥的反應(yīng)靈敏性及動(dòng)作準(zhǔn)確可靠性的要求。并且已有的研究大多是只考慮減壓閥各參數(shù)對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)性能的影響[4-6]，對(duì)先導(dǎo)式減壓閥的動(dòng)作靈敏性和可靠性的提升與改進(jìn)研究較少[7]。

本文針對(duì)傳統(tǒng)減壓閥所存在的減壓穩(wěn)定性、靈敏性等問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種基于壓電陶瓷材料的新型先導(dǎo)式減壓閥。采用二位三通電磁換向閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)先導(dǎo)閥，利用壓電陶瓷材料受壓產(chǎn)生的電信號(hào)控制減壓閥動(dòng)作[8]。基于新型先導(dǎo)式減壓閥的模型，利用AMESim軟件進(jìn)行仿真，與傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥相比較，對(duì)其性能進(jìn)行分析研究。

1 減壓閥的結(jié)構(gòu)與工作原理

新型先導(dǎo)式減壓閥由主閥和先導(dǎo)閥組合構(gòu)成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由主閥座、主閥芯、主閥彈簧、主閥底座、二位三通閥、壓電陶瓷傳感器、電控模塊、電磁閥等構(gòu)成。工作時(shí)，先導(dǎo)閥中的壓電陶瓷傳感器受到油液壓力作用，由壓力信號(hào)產(chǎn)生電信號(hào)，經(jīng)過(guò)電控模塊的調(diào)理電路將信號(hào)放大并轉(zhuǎn)換為適合AD量程的信號(hào)送入AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換，電控模塊中的單片機(jī)讀取AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果并與給定的閾值信號(hào)比較。當(dāng)出口壓力小于設(shè)定值時(shí)，即當(dāng)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果小于閾值信號(hào)，則單片機(jī)無(wú)控制命令，電磁控制閥的線圈不帶電，電磁閥銜鐵不動(dòng)，此時(shí)二位三通換向閥閥芯不動(dòng)，擋住了出油口，先導(dǎo)閥未開(kāi)啟，減壓閥主閥芯在頂部主閥彈簧力的作用下，處于最低位置，主閥口處于最大開(kāi)口量的位置，相當(dāng)于一個(gè)固定節(jié)流口；當(dāng)出口壓力大于設(shè)定壓力時(shí)，即當(dāng)AD轉(zhuǎn)換的結(jié)果大于閾值信號(hào)，則單片機(jī)發(fā)出控制命令給電磁控制閥，電磁控制閥的線圈帶電，電磁閥銜鐵移動(dòng)，從而推動(dòng)二位三通換向閥閥芯移動(dòng)，先導(dǎo)閥開(kāi)啟，由于阻尼孔形成壓力損失的原因，主閥芯上部壓力小于底部壓力，從而主閥芯在壓力差作用下上移，以減小主閥口的開(kāi)度，由于節(jié)流效應(yīng)使得減壓閥出口側(cè)壓力降低，直到達(dá)到其設(shè)定壓力。新型先導(dǎo)式減壓閥的工作原理如圖2所示。圖2中，p為壓力，Q為流量，A為截面積。

1-主閥底座；2-主閥座；3-主閥芯；4-主閥彈簧；5-二位三通閥；6-壓電陶瓷傳感器；7-電磁閥

圖2 新型先導(dǎo)式減壓閥工作原理圖

2 減壓閥仿真分析

2.1 減壓閥的AMESim建模

根據(jù)減壓閥的工作原理，利用AMESim建立新型先導(dǎo)式減壓閥仿真分析模型，如圖3所示。同時(shí)參照閥的參數(shù)設(shè)置仿真模型參數(shù)，如表1所示。在該系統(tǒng)中，除先導(dǎo)式減壓閥模型創(chuàng)建取自液壓元件設(shè)計(jì)庫(kù)外，其余元件均采用標(biāo)準(zhǔn)液壓庫(kù)創(chuàng)建。

圖3 基于壓電陶瓷傳感器的新型先導(dǎo)式減壓閥AMESim模型

2.2 仿真結(jié)果分析

2.2.1 新型先導(dǎo)式減壓閥與傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥的壓力特性分析

減壓閥的壓力特性是指流量不變時(shí)，輸入壓力變化引起輸出壓力變化的特性。兩種減壓閥壓力特性曲線如圖4所示。由圖4可以看出：設(shè)定出口壓力值為5 MPa，入口壓力小于該設(shè)定值時(shí)，新型先導(dǎo)式減壓閥和傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥的出口壓力與入口壓力基本保持一致；當(dāng)入口壓力大于該設(shè)定值時(shí)，出口壓力會(huì)作出相應(yīng)調(diào)整，最終會(huì)穩(wěn)定在該設(shè)定值附近，但是傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥在剛超過(guò)設(shè)定值附近時(shí)壓力超調(diào)量會(huì)明顯增大，易造成壓力沖擊，這對(duì)減壓閥系統(tǒng)的平穩(wěn)性是不利的。

2.2.2 新型先導(dǎo)式減壓閥與傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥的流量特性分析

流量特性是指在輸入壓力不變時(shí)，輸出流量變化引起輸出壓力變化的特性。圖5為兩種減壓閥流量特性曲線。由圖5可知：設(shè)定減壓閥入口壓力為5 MPa，出口流量由0～30 L/min逐漸增大，新型先導(dǎo)式減壓閥出口壓力在較小的流量2 L/min下已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，而傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥出口壓力在出口流量6 L/min左右才趨于穩(wěn)定，且其超調(diào)量明顯較大，震蕩明顯。

2.2.3 新型先導(dǎo)式減壓閥與傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥的動(dòng)態(tài)性能分析

圖6為兩種減壓閥出口壓力動(dòng)態(tài)曲線。由圖6可知：新型減壓閥出口壓力約在0.05 s后穩(wěn)定，達(dá)到其調(diào)定壓力5 MPa；與之相比，傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥出口壓力趨于穩(wěn)定時(shí)間在0.12 s，且其壓力超調(diào)量約為135%，出口壓力震蕩明顯。由此可以得出，傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，超調(diào)量明顯增大并且震蕩明顯，而且達(dá)到穩(wěn)定壓力的時(shí)間較長(zhǎng)。與傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥比，新型先導(dǎo)式減壓閥出口壓力的靈敏性和穩(wěn)定性有較為明顯提升。這是由于新型先導(dǎo)式減壓閥的先導(dǎo)閥是由壓電傳感器感知壓力信號(hào)，電磁閥觸發(fā)動(dòng)作，靈敏性要高于傳統(tǒng)先導(dǎo)式減壓閥中先導(dǎo)閥的機(jī)械彈簧的觸發(fā)動(dòng)作。

圖4 兩種減壓閥壓力特性曲線 圖5 兩種減壓閥流量特性曲線 圖6 兩種減壓閥出口壓力動(dòng)態(tài)曲線

3 結(jié)論

本文介紹了一種基于壓電陶瓷傳感器的新型先導(dǎo)式減壓閥，其在傳統(tǒng)的先導(dǎo)式減壓閥的基礎(chǔ)上運(yùn)用了壓電陶瓷材料，并以二位三通電磁換向閥代替?zhèn)鹘y(tǒng)的先導(dǎo)機(jī)構(gòu)對(duì)減壓閥主閥進(jìn)行控制。通過(guò)對(duì)其結(jié)構(gòu)及工作原理的分析，并利用AMESim仿真軟件搭建其分析模型，對(duì)其壓力特性、流量特性以及出口壓力動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析研究。結(jié)果表明：與傳統(tǒng)的先導(dǎo)式減壓閥進(jìn)行比較，新型先導(dǎo)式減壓閥具有動(dòng)作靈敏性高、運(yùn)行平穩(wěn)、不易造成沖擊的特性。