基于AMESim電液換向閥動(dòng)態(tài)特性仿真分析

朱成實(shí)， 陳寄貴

(沈陽(yáng)化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧沈陽(yáng) 110142)

電液換向閥是電液控制系統(tǒng)的重要組成部分，主要由電磁閥和液控?fù)Q向閥組成.電磁閥作先導(dǎo)閥，切換控制油路;液動(dòng)閥作主閥，用來(lái)切換系統(tǒng)主油路，從而實(shí)現(xiàn)電信號(hào)控制大流量系統(tǒng).本文根據(jù)電液換向閥的靜態(tài)性能要求，確定其結(jié)構(gòu)形式和參數(shù)，利用AMESim提供的HCD(Hydraulic Component Design)［1］構(gòu)建電液換向閥的仿真模型，研究電液換向閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)和系統(tǒng)性能參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響，為電液換向閥的設(shè)計(jì)和研究提供了理論依據(jù).

1 電液換向閥的工作原理

電液換向閥的的工作原理為:當(dāng)電磁換向閥的兩端電磁鐵均不通電時(shí)，電磁閥在兩端的彈簧力作用下處于中位.這時(shí)液動(dòng)換向閥閥芯在兩端彈簧的作用下處于中位，A、B、P、T均不相通;當(dāng)左端電磁鐵通電時(shí)，電磁閥閥芯移至右端，由P油口進(jìn)入的壓力油經(jīng)電磁閥左位油路及左端單向閥進(jìn)入液動(dòng)換向閥的左端油腔，液動(dòng)換向閥閥芯在左端油液推力的作用下移至右端，即液動(dòng)換向閥左位工作，P通A，B通T;當(dāng)右端電磁鐵通電時(shí)，電磁閥閥芯移至左端，由P油口進(jìn)入的壓力油經(jīng)電磁閥右位油路及右端單向閥進(jìn)入液動(dòng)換向閥的右端油腔，液動(dòng)換向閥閥芯在右端油液推力的作用下移至左端，即液動(dòng)換向閥右位工作，P 通 B，A 通 T［2］.其結(jié)構(gòu)如圖1 所示.

圖1 電液換向閥結(jié)構(gòu)Fig.1 The structure of electro-hydraulic valve

2 仿真模型分析

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)圖，利用AMESim中的HCD庫(kù)建立如圖2所示的仿真模型.

圖2 仿真模型Fig.2 The simulation mode

圖2 中 1、2 為主閥受控腔，P、A、B、T、A'、B'、T'為圖1中對(duì)應(yīng)的通油口.為驗(yàn)證圖2所示仿真模型的正確性，創(chuàng)建了如圖3所示仿真回路.當(dāng)先導(dǎo)閥給定正信號(hào)時(shí)，先導(dǎo)閥閥芯向右移動(dòng)，同時(shí)主閥閥芯也向右移動(dòng)，此時(shí)若忽略閥芯的粘性摩擦、油液的液動(dòng)力等，則有:

式中:P1、P2分別為受控腔1、2中的壓力;D為受控腔直徑，d為受控腔桿直徑;k為彈簧剛度;x為閥芯位移.

圖3 仿真回路Fig.3 The simulation loop

設(shè)壓力源為21 MPa，主閥受控腔直徑為20 mm，受控腔閥桿直徑為10 mm，彈簧剛度為800 N/mm，其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn).仿真得到閥芯位移曲線如圖4所示.由圖4可看出:閥芯位移在0.3 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，為S=3.09 mm.將各數(shù)值代入式(1)，得x=3.09 mm，x=S，證明所搭建的仿真模型是正確的.

圖4 主閥閥芯位移Fig.4 The spool displacement of main valve

3 動(dòng)態(tài)特性仿真分析

3.1 主閥換向性能分析

為研究閥的動(dòng)態(tài)換向性能［3］，設(shè)置如下仿真參數(shù):壓力源為21 MPa，先導(dǎo)閥的電磁信號(hào)分為4個(gè)線性階段，輸入信號(hào)如圖5所示，分別為0～40 N，40～0 N，0～ -40 N，-40～0 N，每個(gè)階段的時(shí)間間隔為0.5 s，主閥閥芯最大位移為0.3 mm;主閥直徑為20 mm，閥桿直徑10 mm，圓角直徑0.005 mm，直徑間隙0.003 mm，質(zhì)量0.05 kg;阻尼 100 N·s/m;管徑 20 mm，管長(zhǎng)0.01 m，壁厚10 mm;仿真時(shí)間為2 s，仿真步長(zhǎng)為0.01 s;其余參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn).然后通過(guò)給定非研究變量某一確定值，逐一改變研究變量的值，來(lái)探究某些重要的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)換向性能的影響［4］.

圖5 先導(dǎo)閥輸入信號(hào)Fig.5 The input signal of pilot valve

圖6為不同主閥節(jié)流孔直徑時(shí)主閥閥芯速度變化曲線.當(dāng)節(jié)流孔直徑分別為3、4、5 mm時(shí)，閥芯移動(dòng)的峰值速度對(duì)應(yīng)為0.011 7、0.013 0、0.013 4 m/s，且對(duì)應(yīng)的閥芯開(kāi)啟時(shí)間為0.47、0.44、0.43 s，閥芯關(guān)閉時(shí)間對(duì)應(yīng)為 0.44、0.42、0.41 s.由此可得隨著節(jié)流孔直徑增大，主閥的換向速度增加，換向時(shí)間相應(yīng)地縮短.對(duì)比發(fā)現(xiàn)，當(dāng)節(jié)流孔直徑為4 mm時(shí)，構(gòu)建的仿真模型有較好的換向性能.

圖6 不同節(jié)流孔直徑下的主閥閥芯速度Fig.6 The main valve spool speed in the different diameters of the orifice

圖7分別為不同的主閥復(fù)位彈簧剛度時(shí)，主閥閥芯速度變化曲線.當(dāng)彈簧剛度分別為700、800、900 N/mm時(shí)，對(duì)應(yīng)的閥芯移動(dòng)峰值速度為0.013 3、0.011 9、0.010 7 m/s，且對(duì)應(yīng)的閥芯開(kāi)啟時(shí)間為 0.43、0.49、0.55 s，對(duì)應(yīng)的閥芯關(guān)閉時(shí)間為0.45、0.43、0.37 s.由此得出隨著彈簧剛度的增加，閥芯開(kāi)啟時(shí)間增長(zhǎng)，關(guān)閉時(shí)間縮短，換向速度相應(yīng)減小，但換向速度越平穩(wěn).由曲線1可知:當(dāng)彈簧剛度為700 N/mm時(shí)，在t=0.4 s時(shí)，閥芯移動(dòng)速度急劇減小，此過(guò)程會(huì)引起換向沖擊現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)比，彈簧剛度為800 N/mm時(shí)，仿真模型相對(duì)穩(wěn)定.

圖7 不同彈簧剛度下的主閥閥芯速度Fig.7 The main valve spool speed in the different spring stiffness

圖8為不同的主閥受控腔尺寸時(shí)，主閥閥芯速度變化曲線.設(shè)置受控腔活塞桿直徑為活塞直徑的0.5倍，當(dāng)阻尼孔直徑與彈簧剛度一定時(shí)，閥芯尺寸為18、20、22 mm對(duì)應(yīng)的閥芯最大移動(dòng)速度為 0.010 2、0.011 9、0.013 2 m/s.對(duì)應(yīng)的閥芯開(kāi)啟時(shí)間為0.54、0.49、0.4 s;閥芯關(guān)閉時(shí)間為0.44、0.43、0.36 s.由此可得:隨著閥芯兩端活塞直徑的增大，換向速度相應(yīng)增加，閥芯的開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)間相應(yīng)地縮短.當(dāng)受控腔直徑為18 mm時(shí)，換向過(guò)程中有速度突變現(xiàn)象;當(dāng)受控腔直徑為22 mm時(shí)，在t=0.39 s時(shí)，閥芯速度有急劇減小的現(xiàn)象，此過(guò)程會(huì)產(chǎn)生換向沖擊現(xiàn)象.通過(guò)對(duì)比，受控腔直徑為20 mm時(shí)，閥的換向性能較好.

圖8 不同主閥受控腔尺寸下的主閥閥芯速度Fig.8 The main valve spool speed in the different size of the main valve

3.2 閥的壓力-流量特性分析

通過(guò)上述一系列重要參數(shù)的研究，可將模型的參數(shù)定位為:節(jié)流孔口直徑為4 mm，受控腔直徑為20 mm，復(fù)位彈簧剛度為800 N/mm.此時(shí)閥的換向性能較穩(wěn)定.設(shè)置先導(dǎo)閥的輸入信號(hào)為40 N，通過(guò)仿真得主閥壓力流量特性曲線，如圖9所示.

圖9 壓力-流量特性Fig.9 The pressure-flow characteristics

由圖9可看出，當(dāng)壓力源分別為21、26、31 MPa時(shí)，通過(guò)主閥的穩(wěn)定流量對(duì)應(yīng)為650、725、800 L/min.流量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間對(duì)應(yīng)為0.19、0.1、0.07 s.由此可得隨著壓力的增加，主閥流量也相應(yīng)增加.且主閥流量達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間也相應(yīng)縮短.

4 結(jié)論

(1)利用AMESim的圖形化建模方法對(duì)電液換向閥進(jìn)行仿真分析，避免了繁瑣的流體計(jì)算和大量的測(cè)試實(shí)驗(yàn)［5］.仿真結(jié)果表明所構(gòu)造的仿真模型具有較好的性能特性，是實(shí)際模型的正確反映，為該液壓元件的設(shè)計(jì)和選擇提供了依據(jù).

(2)根據(jù)仿真分析得出了節(jié)流孔口直徑、主閥復(fù)位彈簧剛度、主閥受控腔直徑等參數(shù)對(duì)電液換向閥動(dòng)態(tài)換向性能的影響.結(jié)果表明:要想獲得較為理想的換向性能，在不改變閥的材料以及采取特殊結(jié)構(gòu)外，可根據(jù)仿真結(jié)果，通過(guò)改變閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)尺寸，選取合適的參數(shù)，以達(dá)到滿足設(shè)計(jì)要求的目的.

(3)通過(guò)改變系統(tǒng)壓力得出閥的壓力流量特性，根據(jù)仿真結(jié)果得出:隨著輸入壓力的增大，流經(jīng)閥的流量相應(yīng)增加，且閥達(dá)到穩(wěn)定流量的時(shí)間縮短.

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