拖拉機多路閥節流槽動態特性研究與試驗

摘要：為優化部分拖拉機多路閥流量特性、減小壓差等問題，設計一種具有U-半圓形節流槽結構的拖拉機多路閥，通過仿真試驗研究U-半圓形節流槽拖拉機多路閥的動態特性。結果表明：U-半圓形節流槽出口流量呈現先小后大再小的特點。多路閥出口穩態流量為113 L/min，流量變化穩定無沖擊，控制特性好。制定U-半圓形節流槽拖拉機多路閥試驗方案，通過試驗得出閥口壓差隨著閥芯位移的增大而減小，閥口最小壓差為1.2 MPa；測得多路閥最大泄漏量為10.5 mL/min，滿足泄漏指標。從而驗證U-半圓形節流槽多路閥流量變化穩定，內泄漏量小。

關鍵詞：拖拉機；多路閥；U-半圓形節流槽；動態特性；泄漏量

中圖分類號：S222； S223" " " 文獻標識碼：A" " " 文章編號：2095?5553 （2024） 08?0126?06

Research and experiment on dynamic characteristics of"tractor multi?way valve throttling groove

Yang Junru1， 2， Yu Xiaodong1， Li Ruichuan1， 3， Xu Jikang1， 2， Han Zongran1， Li Yanchao1， 2

（1. College of Mechanical and Electronic Engineering， Shandong University of Science and Technology， Qingdao， 266590， China； 2. Rizhao Haidro Hydraulic Co.， Ltd， Rizhao， 276800， China；3. Qilu University of Technology， Jinan， 250353， China）

Abstract： In order to solve the problems of large leakage and large vortex area of some tractor multi?way valves， a tractor multi?way valve with U?semi?circular throttle groove is designed， and the dynamic characteristics of U?semicircular throttle trough tractor multi?way valve are studied through simulation experiments. The results showed that the outlet flow of U?semicircular throttle valve showed the characteristics of slow first， then fast and then slow. The steady?state flow rate of the outlet of the multi?way valve was 113 L/min， the flow change was stable without shock， and" the control characteristics were good. The test scheme of U?semicircular throttle groove tractor multi?way valve was formulated， and it was concluded that the pressure difference at the valve port decreased with the increase of the displacement of the valve core， and the minimum pressure difference at the valve port was 1.2 MPa. The maximum leakage of the multi?way valve was 10.5 mL/min， which met the leakage index. Therefore， it was verified that the flow change of the U?semicircular throttle channel multi?way valve was stable and the internal leakage was small.

Keywords： tractor；multi?way valve; U?semicircular throttling groove; dynamic characteristics; leakage

0 引言

拖拉機多路閥的優劣決定著拖拉機的作業質量。為改善拖拉機多路閥的性能，眾多學者對多路閥進行了大量研究。Coskun等[1]建立了先導級多路閥AMESim模型，先導級多路閥可有效的降低閥內壓力損失。Marko等[2]利用Ansys CFX對多路閥性能進行分析，仿真發現多路閥的結構參數會影響閥體內部油液的流動狀態，通過改變結構參數提高了多路閥的性能。

目前多數多路閥在工作時存在壓力損失大、泄漏量大、閥體內部旋渦面積大等問題，國內學者通過優化多路閥閥體結構、設計新型節流槽等方法來提高多路閥的性能。周思聰等[3]在多路閥閥芯上增加環形凸臺，研究了穩態液動力在不同工況下的變化，研究發現，在閥芯上增加環形凸臺可以減小穩態液動力，提高了多路閥的性能。王廷棟等[4]對不同工況下的多路閥進行了流固耦合分析，研究結果表明節流槽處的變形量最大，為閥芯優化方向提供了理論支撐。目前節流槽的形式主要有U形、K形、雙U形等，其中以U形節流槽的壓力、流量特性最為突出。

本文采用計算機仿真與試驗驗證的方法，以U形節流槽為基礎，提出一種具有U-半圓形節流槽結構的拖拉機多路閥，主要研究U-半圓形節流槽拖拉機多路閥的動態特性[5]。采用仿真分析與試驗驗證的方法研究設計的U-半圓形節流槽的壓力、流量特性等。

1 節流槽原理及模型分析

U形節流槽的三維模型如圖1所示，其示意圖如圖2所示，U形節流槽有二級節流的特點，因為它有兩個節流面，閥口的壓力變化發生在A1面、A2面附近，移動閥芯，A1面、A2面的過流面積就會改變，以此改變流量特征[6]。U形節流槽的節流原理如圖3所示，由此可知過流面積的計算準則為將過流面積AU等效成A1、A2串聯進行計算。

而U-半圓形節流槽的三維模型、結構示意圖、節流原理圖如圖4～圖6所示。其過流面積計算準則為將A1與B1串聯后等效面積為AU1，AU1與節流面A2并聯后再與B2串聯等效為U-半圓形節流槽過流面積AUU。

2 U-半圓形節流槽理論分析

U-半圓形節流槽的過流面積計算可以分為3個階段，分別如圖7～圖9所示。

1） 閥口開度x小于U形節流槽小圓半徑R1時，即0lt;xlt;R1。其計算原理圖如圖7所示。所以一階段的過流面積計算如式（1）～式（4）所示[7， 8]。

[A1=0xθb1Rdx]" " " " " " " " " " " " " （1）

[A2=0]" " " " " " " " " " " " " " " " "（2）

[B1=R2θb122-W1H12+W1（D1-R+H1）] （3）

[B2=0]" " " " " " " " " " " " " " " " "（4）

式中： W1——U形閥芯位置處對應的槽寬，m；

A1——A1面過流面積，m2；

A2——A2面過流面積，m2；

R——閥芯半徑，m；

θb1——U形表面弧長對應圓心角，（°）；

B1——B1面過流面積，m2；

B2——B2面過流面積，m2；

H1——U形槽邊高度，m；

D1——U形槽深度，m。

2） 閥口開度大于U形槽小圓半徑，小于小圓半徑與矩形槽長度之和時，即R1lt; xlt; L12。計算原理如圖8所示。所以二階段的過流面積計算如式（5）～式（8）所示。

[A1=A1R1+R1xθb1Rdx]" " " " " " " " " （5）

[A2=0]" " " " " " " " " " " " " " " nbsp; （6）

[B1=R2θb12-W1H12+W1（D1-R+H1）] （7）

[B2=0]" " " " " " " " " " " " " " " " （8）

式中：[A1R1]——一階段橫向面積，m2；

3）閥口開度大于U形槽小圓半徑與矩形槽長度之和小于U-半圓形節流槽槽長，即L12＜x＜L1+R2時，計算原理圖如圖9所示。三階段的過流面積計算如式（9）～式（12）所示[9， 10]。

[A1=A1L]" " " " " " " " " " " " " " " （9）

[A2=L12xθb2Rdx]" " " " " " " " " " " "（10）

[B1=R2θb12-W1H12+W1（D1-R+H1）]" " "（11）

[B2=R2θb22-W2H22+W2（D1-R+H2）] （12）

式中： [A1L]——二階段橫向面積，m2；

[W2]——二節半圓對應的槽寬，m；

[H2]——二節半圓形槽邊高度，m；

[θb2]——二節半圓形表面弧長對應圓心角，（°）。

代入閥芯移動時的閥口開度值，由此得到U-半圓形節流槽過流面積與閥口開度的關系曲線如圖10所示。由此可見，U-半圓形過流面積隨閥口開度的變化趨勢為先緩慢增加后快速增加。

3 節流槽模型仿真及分析

3.1 AMESim模型建立

對U-半圓形節流槽進行AMESim仿真建模分析，主要是對U-半圓形節流槽的拖拉機多路閥動態特性研究。動態特性是指系統在工作時輸入量與輸出量之間的關系，節流槽的動態特性主要為壓力特性、流量特性，即壓力、流量隨時間的變化關系。

建立AMESim仿真模型之前，首先要明確： （1）壓力的作用面[11]； （2）獨立運動的元件； （3）確定閥口處的過流面積； （4）明確液壓閥的可變容積腔。液壓閥是節流元件[12]，液阻會隨著閥口處的過流面積改變而改變，尤其是當閥芯上有節流槽時，過流面積對液壓閥的動態特性影響大，甚至是影響液壓閥性能的關鍵因素[13]。

閥芯節流槽分布如圖11所示，節流槽1和節流槽4為相同形狀的U形節流槽，節流槽2和節流槽3為相同形狀的U-半圓形節流槽[14]。其主要起到節流作用，此外還可以調節流量和壓力，節流閥壓差一定時，開口大小影響著流量的變化。閥口模塊提供了五種節流槽形狀：圓形區域、梯形區域、三角形區域、矩形區域、圓邊梯形區域[15]。

多路閥的指標為：當出口壓力達到15 MPa時，流量達到100 L/min。設定溢流閥壓力值為15 MPa，如果多路閥出口壓力達到15 MPa，此時溢流閥就會開啟，油液通過溢流閥流入油箱。通過測定出口流量是否達到100 L/min檢驗多路閥設計是否符合標準。多路閥主要參數如表1所示。對多路閥的參數進行設置。

多路閥系統的仿真模型如圖12所示，其中多路閥的整體模型是由單側仿真模型對稱形成，液壓缸設置活塞直徑為150 mm，活塞桿直徑為15 mm，液壓缸重量為300 kg，其余設置均保持不變。對模型進行仿真，分析液壓缸性能。

3.2 動態特性仿真分析

移動閥芯改變閥口的過流面積能夠實現對多路閥的流量調節。設置閥芯的最大位移為6.5 mm，閥芯的遮蓋量為1.5 mm，位移信號設置為10 s達到最大位移量6.5 mm，隨后在最大位置處保持2 s。設置仿真時間為12 s，步長設置為0.01，選用變步長積分法進行仿真分析。對多路閥AMESim模型進行仿真。

由圖13可知，隨著閥芯的移動，流量呈現增大的趨勢。在0～2.3 s時，出口沒有流量流過，這是因為閥芯位移為1.5 mm，等于閥芯遮蓋量的長度，此時位于多路閥死區，各油口均被堵死，所以出口流量為0；隨著閥芯位移的增加，閥芯位移大于閥芯遮蓋量時，此時油液進入多路閥流道內，油液剛進入流道內時產生小幅度波動；在2.3～4.5 s時，出口流量增加較慢，隨著閥芯的移動，在4.5～7 s時，出口流量快速增加，在7～10 s時，出口流量又開始緩慢增加；在10 s時，閥芯達到最大位移量6.5 mm，流量同時也達到最大值113 L/min，在出口壓力為15 MPa的情況下，流量可以達到100 L/min，因此，U-半圓形節流槽的設計可以滿足流量設計要求，能夠達到相應技術指標；在10～12 s時，閥芯保持最大位移量，流量也保持最大值不變。流量曲線較平滑且流量增加先小后大再小，因此可以看出流量變化較穩定，為后續驗證提供基礎。

3.3 多路閥閥口壓差仿真分析

較小的閥口壓差有利于提高多路閥的效率，避免能源浪費。油液進入閥口前和流出閥口后的壓力差為閥口壓差，在AMESim仿真分析中，將流入節流槽前和流出節流槽后的壓力認定為閥口壓差，經仿真得到節流槽前后壓差曲線如圖14所示。

由圖14可知，閥口前連接的是一個恒壓源，所以仿真開始后，節流槽前的壓力一直為20 MPa保持不變。隨著閥芯的移動，在2.3 s時，閥芯位移大于閥芯遮蓋量，此時有油液進入多路閥流道內，節流槽后的壓力迅速升高到15 MPa；在2.3～4.5 s內，節流槽前后壓差緩慢減小，這是因為這段時間閥口處的過流面積變化較小；在4.5～10 s時，閥口處的過流面積迅速增大，此時節流槽前后壓差值也快速減小；在10 s時，閥芯達到最大位移量處，閥口壓差達到最小值1.2 MPa；隨后2 s內，閥芯保持最大位移量，節流槽前后壓差也不再變化。通過分析可知，閥口壓差隨著閥芯位移量增加逐漸減小。

為了突出U-半圓形節流槽的優越性，在過流尺寸及槽深不變的情況下，只改變節流槽的形狀。建立U形節流槽和半圓形節流槽的AMESim模型進行對比分析，仿真模型分別如圖15、圖16所示。

設置仿真時間10 s，步長0.01 s，運行仿真得到U形節流槽和半圓形節流槽多路閥的出口流量曲線圖，記錄各節流槽的出口流量數據，得到3種節流槽的出口流量對比曲線如圖17所示。

由圖17可以看出，U形節流槽在2～4 s內的液壓沖擊更明顯，U形節流槽隨著閥芯移動流量也呈增加趨勢，但達到的最大流量約為73 L/min。在流量技術指標為15 MPa的情況下，達不到100 L/min的要求。同理，半圓形節流槽的液壓沖擊相對于U形節流槽較小，但總體不如U-半圓形節流槽，半圓形節流槽達到的最大流量為64 L/min左右，依然不滿足15 MPa的指標下100 L/min的要求。因此，相比于U形節流槽多路閥和半圓形節流槽，U-半圓形節流槽的流量設計要求更貼近于仿真分析的結果，流量也較穩定，其壓力沖擊的現象也要小于U形和半圓形節流槽。

4 多路閥試驗裝置及結果分析

按照U-半圓形節流槽加工出實體模型，利用液壓閥綜合實驗臺進行試驗，如圖18、圖19分別為組合多路閥及U-半圓形節流槽結構放大圖、液壓閥綜合實驗臺。

液壓閥綜合試驗臺主要由油壓源、調速閥、溢流閥、單向閥、過濾器、冷卻裝置、控制系統等組成，可完成多種試驗，如內泄漏試驗、流量特性試驗等。試驗臺的最大流量可達200 L/min。

多路閥各油口位置處裝有流量計和壓力傳感器，傳感器測得的信號經A/D轉換器傳輸到液壓閥測試系統中，并在操控面板中顯示數值大小，準確測得壓力、流量的數值。出油口處由溢流閥代替負載，可調定溢流閥的開啟壓力來模擬負載。在測試U-半圓形節流槽多路閥性能時，需要多路閥的供油壓力保持恒定，因為壓力波動會對系統的測試結果造成很大影響。

流量特性試驗方案為：將多路閥與試驗臺對應的油口進行連接，通過移動手柄控制閥口開度的大小。系統壓力調定為20 MPa，溢流閥的加載壓力調定為15 MPa。記錄閥口開度不同時對應出口處的流量，各位置多次測量并計算平均值，繪制流量特性曲線。

按照U-半圓形節流閥的試驗方案進行試驗，收集試驗數據，得到多路閥的流量特性曲線如圖20所示。由圖20可知，多路閥出口流量的最大值為108 L/min，略小于仿真結果的數值，這是因為實際加工生產存在加工誤差，裝配過程中存在磨損造成的。但對比試驗得到的流量特性曲線和仿真得到的流量特性曲線，其變化趨勢具有較高的吻合度。流量曲線較平滑且流量變化趨勢先小后大再小，流量變化穩定無沖擊，流量控制特性好。

閥芯的內泄漏量也是衡量多路閥的一個重要指標，泄漏量過大可能會導致液壓系統效率低，甚至不工作。制定內泄漏特性試驗方案：測量換向位置時堵住出油口A、B口，P接進油口，T接回油口，多次移動閥芯測量泄漏量；測量中立位置時堵住進油口，T接油箱，A、B與工作油口連接，同樣測量泄漏量。通過液壓閥綜合試驗臺試驗測得中立位置和換向位置處的泄漏量如表2所示。

結果顯示最大泄漏量小于標準泄漏量12 mL/min。所以U-半圓形節流槽能滿足內泄漏指標。

5 結論

對U-半圓形節流槽進行理論分析，利用AMESim中的液壓元件庫建立U-半圓形節流槽多路閥的仿真模型并制定試驗方案，對具有U-半圓形節流槽的多路閥進行驗證，研究U-半圓形節流槽的壓力流量特性。設定參數進行多路閥動態特性仿真，對出口流量、閥口壓差、液壓缸一個工作周期進行分析。

1） U-半圓形節流槽過流面積隨著閥口開度的增加先緩慢增加后快速增加。為研究多路閥的動態特性提供重要依據。

2） 多路閥出口穩態流量為113 L/min，流量曲線較平滑，流量變化穩定無沖擊，控制特性好。

3） 閥口壓差隨著閥芯位移的增大而減小，閥口最小壓差為1.2 MPa。

4） U-半圓形節流槽多路閥在換向位置達到最大泄漏量10.5 mL/min，小于標準中規定的12 mL/min，滿足泄漏指標。

參 考 文 獻

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