基于AMESim的調速閥泄漏問題研究

周 琪,孟利民,2

(1.安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001;2.流體動力與機電系統國家重點實驗室,浙江 杭州 310000)

工程機械是完成工程作業的重要基礎,由于工程作業對機械設備性能要求較高,使得絕大多數工程機械的液壓傳動系統構造都較為復雜。液壓傳動系統以傳遞動力和運動為主要功能,其工作依賴各液壓元件相互配合,將壓力油輸送至執行元件并輸出滿足特定性能要求的載荷[1]。在液壓傳動系統中,調速閥是控制流量的主要元件,在穩定執行元件速度和阻尼孔壓差方面有著十分重要的地位。由于液壓傳動的這種液體介質工作運行的特點,使得其一旦出現系統故障都較為隱蔽,難以被及時發現,這就導致了液壓傳動故障對工程作業實施產生較大影響[2]。

泄漏是液壓傳動系統中無法避免的故障問題之一。從工作介質狀態上看,泄漏可分為外漏和內漏,外漏是指工作介質從系統內部泄漏到外部環境中。內漏是指由于高、低壓側壓力差的存在以及零件磨損、密封失效等原因,使工作介質在系統內部由高壓側流向低壓側。外漏常因為管道或其他元件破裂引起工作介質流出,這種情況下易于被發現并檢修。而內漏通常在液壓元件生產之初就已經存在,元件以及密封件的表面粗糙度、形位精度、尺寸精度等都會影響初始泄漏狀態,而內漏本身也會隨著液壓系統的工作而產生變化,例如活塞與活塞腔長期工作磨損,介質溫度改變而產生的微小形變等都會引起泄漏狀態發生改變。泄漏本身是一種非常嚴重的液壓系統故障,常見的會造成環境污染資源浪費,對于液壓系統本身,泄漏會引起工作壓力不足,甚至造成停機[3-4]。

鑒于此,本文針對調速閥進行不同泄漏狀態下的工作特性分析,總結流量壓力特性,分析得到內漏影響調速回路工作的原因,并提出改良對策。

1 調速閥的結構及工作原理

傳統調速閥結構及工作回路如圖1所示,調速閥由節流閥和定差減壓閥串聯而成,調速閥的進口壓力經溢流閥調定,基本保持為P1。當負載一定時,節流閥開度保持不變,壓力油進入調速閥后經減壓閥減壓后降為P2,調速閥的出口壓力P3也同負載一樣保持不變。當回路穩定工作時,忽略閥芯自重,摩擦力和液動力,P2壓力油經垂直阻尼孔進入閥芯非彈簧腔,P3壓力油經水平阻尼孔流入閥芯彈簧腔,由此可以得到其閥芯平衡方程如式(1)所示。

1.液壓泵 2.調速閥體 3.定差減壓閥活塞 4.定差減壓閥彈簧 5.溢流 6.調節旋鈕 7.節流閥閥芯 8.節流閥遞升 9.液太壞缸圖1 調速閥結構及工作原理圖

p2S=p3S+KΔx+Fs

(1)

式(1)中:S——定差減壓閥彈簧腔面積[5-7]

K——定差減壓閥彈簧剛度

Δx——定差減壓閥彈簧形變量

Fs——穩態液動力[8]

2 調速閥泄漏的流動特性方程

基于調速閥的工作原理可知,閥體由定差減壓閥與節流閥組合而成,其內部達到壓力平衡的過程依靠閥芯在閥腔內運動。如圖2所示。閥芯與閥腔之間存在縫隙,隨著壓力油的進入,環形縫隙的進出口產生如圖2所示壓差,形成的壓力油流程稱為縫隙流,由于閥體本身大小限制,忽略科特流即周向的剪切流動?；诖?得到環形縫隙流流量特性方程[9-10]。

圖2 縫隙流產生原理圖

2.1 同心環形縫隙流

當閥體與閥芯間配合安裝僅受到加工精度影響時(一般在閥體豎直放置時存在),閥芯與閥腔的軸線重合,縫隙橫截面形狀為同心圓環,該狀態下系統工作產生的泄漏量如式(2)所示。

(2)

其縫隙實際寬度δ與縫隙進出口端的壓降Δp如式(3)、式(4)所示。

(3)

Δp=p1-p2

(4)

式(2)-式(4)中:

q——縫隙流流量

d——閥腔直徑

d0——閥芯直徑

μ——壓力油運動粘度

L——閥腔與閥芯的軸向接觸長度

p1——縫隙進口壓力

p2——縫隙出口壓力

2.2 偏心環形縫隙流

當閥體工作時其擺放位置非豎直狀態下,閥芯受到重力影響會向下偏移,閥芯與閥腔的軸線不重合,縫隙橫截面形狀為偏心圓環,該狀態下系統工作產生的泄漏量如式(5)所示,偏心率計算公式如式(6)所示。

(5)

(6)

式(6)中:

ε——偏心率

e——偏心距

2.3 最大偏心環形縫隙流

當閥體尺寸較大時,閥芯受重力影響較大,偏心尺寸加劇,小縫隙側相對于大縫隙側幾乎可以忽略不計時,縫隙橫截面近似為內切圓環,該狀態下系統工作產生的泄漏量如式(7)所示。

(7)

通常情況下鑒于零件的加工精度,各元件表面不存在完全光滑,故最大偏心環形縫隙流的情況幾乎不會出現?？p隙流的運動主要依靠粘性力,質量力忽略不計[11],因而上述公式的使用需要閥腔直徑遠大于縫隙寬度,本文遠大于取兩個數量級,即100倍。縫隙流為造成內漏的主要原因,其存在會對回路內部的理論流量進行分流,當縫隙流過大時,實際流量不足,會影響負載的工作狀態。

3 調速回路AMESim泄漏模擬仿真

3.1 模型建立

根據調速閥結構及調速回路工作狀況,利用AMESim軟件HCD庫等建立液壓回路仿真模型如圖3所示[12-15]。

圖3 調速閥及回路AMESim無泄漏仿真模型

3.2 初始參數設置

根據理論分析的條件設定,忽略元件內部摩擦,油液溫度變化引起的粘度變化。在恒定負載工作條件下,設定AMESim主要仿真模塊參數如表1所示,其余參數保持默認。

表1 HCD模塊參數設置

其中,基于AMESim軟件,引入節流閥開度這一概念,它指在回路某一工作狀態下,節流閥閥芯未覆蓋的阻尼孔過流面積與實際過流面積的比值。開度為常數參數,間接用于反映節流閥芯與阻尼孔在腔體內的相對位置。

3.3 模型準確性及可行性分析

經多次對比仿真,調速回路在工作2s時間內均能達到穩態,鑒于此,設定回路工作時間為10s,確保終態時回路工況穩定,為獲得更為精確的仿真曲線,取仿真步長為0.001s。帶入表1中參數,理論壓強值如式(8)所示。

(8)

式(8)中:D——液壓缸無桿腔直徑

F——恒定外載荷

A——液壓缸無桿腔直徑

回路工作時液壓缸進油口壓力仿真變化如圖4所示,穩態壓強為2.0373MPa。

圖4 液壓缸進口壓力變化曲線

基于調速閥工作原理,當系統達到穩態時負載不變即工作壓力不變。如圖4所示,系統穩態時工作壓強未有明顯波動,結合上述驗證,其計算值與仿真值基本一致,證明仿真模型可行。

3.4 調速回路泄漏仿真

基于調速回路無泄漏模型,借助AMESim軟件泄漏模塊建立泄漏模型,根據環形縫隙流公式使用要求,泄漏模塊參數設置如表2所示。基于表中數據,建立調速回路泄漏模型,如圖5所示。

表2 泄漏模塊參數設置

圖5 調速閥及回路AMESim泄漏仿真模型

3.4.1 變負載狀態流量特性分析

元件磨損是長期工作形成的結果,在此期間回路可能針對不同負載進行工作,針對同一縫隙參數不同負載情況進行仿真模擬。

設定對照負載分別為1000N,1500N,2000N。無泄漏狀態下,回路達到穩態時的工作流量如圖6所示。

圖6 不同負載無泄漏狀態下回路流量變化曲線

當閥內存在泄漏時,回路達到穩態的流量及環形縫隙流變化情況如圖7、圖8所示。

圖7 不同負載內漏狀態下回路流量變化曲線

圖8 不同負載情況下縫隙流量變化曲線

由圖7和圖8可知,對比無泄漏和泄漏狀態下的回路流量變化曲線,可以發現在恒定壓力5MPa的工作條件下,回路穩態流量隨著負載的增大而降低,同時縫隙流量隨負載的增加而增加,因此當系統出現內漏時穩態流量有了小幅度下降。計算可得,縫隙流與內漏態回路流量之和與理論仿真流量基本吻合。

鑒于此得到如下結論,當系統出現內漏時,回路穩態流量降低,泄漏量隨負載的改變正向變化。

3.4.2 恒定負載不同縫隙流量特性分析

基上述結論,為深入分析縫隙尺寸對內漏的影響及泄漏量對執行元件的工作影響,對縫隙尺寸進行更改并重復上述仿真。取恒定負載為1500N。

考慮實際工作中,閥芯與閥腔間相對位移一般不發生變化,隨著系統工作時間增加,腔體內磨損加劇使配合縫隙變大,因此改變縫隙寬度,其余參數如表1、表2所示,并進行模擬仿真。不同縫隙寬度下回路穩態流量變化及執行元件速度變化曲線如圖9和圖10所示。

圖9 不同泄漏狀態下回路流量變化曲線

圖10 不同堵塞狀態下執行元件速度變化曲線

由圖9和圖10可知,不同縫隙狀態下的流量與速度曲線在初始0.2s時間內有所不同,其原因在于當液壓缸無桿腔油液充滿時活塞才會開始運動,隨后直至穩態,二者曲線完全一致。從圖像趨勢上看,在縫隙寬度為0.05mm和0.075mm時二者的變化趨勢趨于一致,當縫隙寬度增加到0.1mm時,圖像變化基本喪失波動性。

3.5 系統介質流態分析

針對上述圖像變化趨勢,為更加準確的了解不同泄漏情況下的工作狀態,對回路雷諾數進行計算。由于不同介質對于液壓傳動系統的影響不同,粘度大元件磨損加劇,粘度小系統泄漏嚴重,國際上要求壓力油的粘度指數在95以上即可滿足常規液壓系統使用。選取回路中介質為L—HM68號壓力油,液壓系統的最優工作溫度為40±2℃[16],取工作溫度為40℃,此溫度下壓力油的密度ρ為870kg/m3,動力粘度μ為0.542pa·s,粘度指數為100,當系統沒有內漏時,執行元件速度為0.0585m/s,達到穩態工作時的雷諾數如式(8)所示。

(8)

當系統出現泄漏時,將不同泄漏程度下的三組數據帶入公式(8)中,計算得到各狀態下的雷諾數,如表3所示。

表3 不同泄漏情況下雷諾數表

在液壓系統中,雷諾數小于2300工作介質為層流態,雷諾數處于2300～4000之間時工作介質為過渡態[17],結合圖9、10及表3數據可以看出,當縫隙寬度δ=0.1時,流量及速度曲線中,參數的上升趨勢幾乎沒有震蕩波動出現,此狀態下的雷諾數也顯示工作介質呈現層流態。

綜合以上結果分析可知,常態下針對恒定負載,調速回路經過調節能使執行元件穩定工作。但隨著工作時間的推移元件磨損加劇,系統的泄漏量逐漸增加,當泄漏達到一定程度時會改變工作的介質的流動狀態,流量的衰減,使得執行元件的工作能力下降。

4 結論

本研究針對調速回路常見的泄漏故障進行分析,推導建立了系統的數學模型,針對回路流量和執行元件工作特性分析得到如下結論。

(1)通過計算值與仿真值對比分析,確定調速回路在針對恒定負載工作時,其出口的穩態壓強恒定。

(2)當系統出現泄漏時,在工況沒有受到較大影響前,系統達到穩態的時間會隨著穩態流量的減小而減少,在一定范圍內穩態時間與穩態流量的峰值成正向變化。

(3)當系統出現泄漏時,回路流量受其影響較大,當腔體內配合縫隙大到臨界值后會使得系統內部介質的流動狀態發生變化,影響執行元件的工作。

鑒于此,針對液壓系統復雜的故障診斷環境[18]有了更加準確的判斷指標,以此為據提高了故障診斷的準確性和及時性,對于實際液壓系統檢修方式的改進也具有重要的參考意義。