一種新型插裝式水壓電磁換向閥的仿真研究

蘇龍龍，劉忠，聶松林，陳明輝

(1.中國石油大學，北京102249;2.北京工業(yè)大學，北京100124)

水液壓技術以淡水、海水為工作介質實現動力傳遞，不含任何添加劑，具有來源廣泛、環(huán)境友好、清潔安全的獨特優(yōu)勢，是國際上流體傳動控制領域最新的發(fā)展方向之一［1］。其中三位四通電磁換向閥作為水液壓系統(tǒng)中的控制調節(jié)單元，亦成了研究重點。

與礦物油相比，水具有腐蝕性強、黏度低、氣化壓力高等特點，因此研制插裝式三位四通電磁換向閥時要克服氣蝕、腐蝕、磨損和泄漏等關鍵技術問題［2］。基于蓋板式二通插裝閥，并借鑒其在油壓系統(tǒng)中的應用理論，提出了一種新型插裝式三位四通電磁換向閥的方案。

1 插裝式三位四通電磁換向閥的工作原理

圖1 為所設計的插裝式三位四通電磁換向閥的原理［3］。在結構形式上采用了蓋板式二通插裝閥結構，由4 個插裝單元組成了三位四通換向閥的主液路，其中與入口P 連接的兩個插裝單元的閥芯上安裝有阻尼孔。由2 個常閉型兩位兩通水壓電磁換向閥組成先導控制液路。

(1)當電磁鐵YA1、YA2 均斷電時，常閉型兩位兩通電磁先導閥V1、V2 處于初始關閉位置，來自入口P 的液體經過插裝單元V4、V5 主閥芯上的阻尼孔，分別為4 個插裝單元的主閥芯的上腔(控制腔)提供控制液。根據主閥芯的軸向受力分析，此時4 個插裝單元均處于可靠關閉狀態(tài)，即中位O型機能。

(2)當電磁鐵YA2 通電，YA1 斷電時，常閉型兩位兩通電磁先導閥V1 處于關閉位置，來自主液路P 的液流經過插裝單元V5 主閥芯上的阻尼孔，為插裝單元V3 和V5 的閥芯上腔提供先導液，此時V3 和V5 處于可靠關閉狀態(tài);常閉型兩位兩通電磁先導閥V2 打開，插裝單元V4 和V6 的閥芯上腔的控制液經電磁先導閥V2 流回油箱，插裝單元V4 和V6 在入口P 和工作腔B 壓力的作用下，克服彈簧力和液動力打開主閥，從而P 與A 相通，B 與T 相通。

(3)當電磁鐵YA1 通電，YA2 斷電時，常閉型兩位兩通電磁先導閥V2 處于關閉位置，來自主液路P 的液流經過插裝單元V4 主閥芯上的阻尼孔，為插裝單元V4 和V6 的閥芯上腔提供先導液，此時V4 和V6 處于可靠關閉狀態(tài);常閉型兩位兩通電磁先導閥V1 打開，插裝單元V3 和V5 的閥芯上腔的控制液經電磁先導閥V1 流回油箱，插裝單元V3 和V5 在入口P 和工作腔B 壓力的作用下，克服彈簧力和液動力打開主閥，從而P 與B 相通，A 與T 相通。

圖1 插裝式水壓三位四通電磁換向閥的原理圖

2 換向閥仿真模型的建立

2.1 數學模型

在建立數學模型時，只考慮閥體自身的結構參數，而忽略測試系統(tǒng)中的管路與其他零件對其動態(tài)特性的影響，則換向閥的動態(tài)特性如下［4－5］:

(1)閥口流量方程

式中:QL為閥口的流量;α1為閥口流量系數;D 為閥座孔直徑;X 為閥起升高度;φ 為閥芯半錐角;ρ 為工作介質密度;pA、pB分別為閥進口和出口的壓力。

(2)閥芯受力平衡方程式中:pX為控制腔壓力;m 為閥芯質量加上1/3 彈簧質量;DX為閥阻尼系數;Ft1為閥芯受到的瞬態(tài)液動力;Fyx為閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動力;KX為彈簧剛度;X0為彈簧預壓縮量;Fk為液壓卡緊阻力。

(3)阻尼孔節(jié)流方程

式中:Q1為通過阻尼孔的流量;ν 為水的運動黏度;p1為阻尼孔的前腔壓力;p2為阻尼孔的后腔壓力;a0為阻尼孔的面積;d0為阻尼孔的直徑;l0為阻尼孔的長度。

干預實施1學年后，兒童吃水果的頻率明顯增加。選擇“每天都吃水果”的比例從干預前的18.6%提高到50.0%，而選擇“基本不吃”的比例從干預前的5.7%下降至0。差異具有顯著性(P=0.003)。

(4)通過先導閥的流量方程

式中:α2為先導閥通道的流量系數;A2為先導閥的通流面積。

(5)先導閥前腔的流量連續(xù)方程(忽略閥芯圓柱段的泄漏量)

式中:Q2為通過先導的流量;為閥芯位移性流量;為閥芯壓縮性流量;E 為工作介質體積彈性模量;VX為閥芯控制腔容積。

(6)先導閥芯的受力平衡方程

式中:F1為先導閥的彈簧復位力;F2為先導閥的所受的電磁力。

2.2 換向閥AMESim 仿真模型

根據所設計的三位四通插裝式電磁換向閥的結構原理圖，調用AMESim 中的HCD 庫中的錐閥液壓元件作為模型基礎，構建插裝式換向閥的AMESim 仿真模型如圖2所示，建模過程中忽略了部分管道沿程壓力損失對仿真結果的影響，同時建模時忽略了閥芯和閥套之間的摩擦力［6－8］，AMESIM 模型中最優(yōu)結構參數設置如表1所示。

圖2 插裝式水壓三位四通電磁換向閥的AMESim 模型

表1 AMESim 仿真模型中的最優(yōu)結構參數

3 仿真結果與分析

在空載的情況下進行仿真試驗，溢流閥壓力調定為14 MPa，電磁鐵YA2 在0.2 s 時通電，在0.4 s 時斷電，電磁鐵YA1 在0.6 s 時通電，在0.8 s 時斷電，總仿真時間取1.0 s，仿真結果取插裝單元V4 的仿真數據，通過給定不同的模型參數值，對比各組仿真數據，其分析如下:

3.1 插件不同的面積比的影響

由圖3 位移圖得出:當閥芯面積比為1∶1.2 時，閥芯未開啟，閥芯進口處的壓力保持14 MPa 不變;當閥芯面積比為1∶1.5 時，閥芯開啟，閥芯達到最大位移的時間即開啟時間為20 ms，閥芯的關閉時間為100 ms;隨著面積比的減小，即閥芯上腔(控制腔)的容積增加，當閥芯面積比為1∶2 時，閥芯的開啟時間無顯著變化，關閉時間為130 ms，關閉時間明顯增加。由閥芯位移圖還可看出，不同面積比下，閥芯均經過10 ms 開始關閉。

圖3 插件不同的面積比的閥進口壓力圖和閥芯位移圖

此外，由圖3 的閥進口壓力圖得出，當面積比為1∶1.5 和1∶2 時，與電磁鐵信號時間相比，閥芯進口處的壓力變化有一定的延遲時間;隨著面積比的減小，壓力變化的延遲時間增加，同時閥芯進口處的穩(wěn)態(tài)壓力值顯著增大。

3.2 閥芯阻尼孔和先導閥孔的影響

圖4 中閥芯的阻尼孔直么d0取1.1 mm，先導閥孔直徑d1分別取為1.1、1.2、1.4、1.8、2(mm)。由圖4 閥芯位移圖得出，當閥芯阻尼孔直徑為1.1 mm，先導閥直徑孔為1.1 mm 和1.2 mm 時，閥芯未打開，閥進口處的壓力保持14 MPa 不變;當先導孔直徑1.4 mm，1.8 mm，2 mm 時，閥芯的開啟時間均為20 ms，沒有變化。當先導孔直徑為1.4 mm 時，經過10 ms 閥芯開始關閉，閥芯的關閉時間為150 ms;當先導孔直徑為1.8 mm 和2 mm 時，經過20 ms閥芯開始關閉，閥芯的關閉時間為160 ms，即隨著先導閥孔直徑的增加，關閉時間隨之增加。

圖4 當d0 =1.1 mm 時，不同先導閥孔的閥進口壓力圖和閥芯位移圖

此外，由圖4 的壓力圖還可得出，當先導閥孔直徑為1.4 mm 時，開啟時經20 ms 閥進口處的壓力開始變化，關閉時閥口壓力立即增加，經10 ms 穩(wěn)定到14 MPa;當先導孔直徑為1.8 mm 和2 mm 時，開啟時經10 ms 進口的壓力開始變化，關閉時閥口壓力立即增加，經20 ms 穩(wěn)定到14 MPa，即開啟時閥進口處壓力經過一定的延遲時間開始變化，隨著先導閥孔直徑的增大，延遲時間減小，關閉時閥口壓力回復到額定壓力14 MPa 的時間增加;同時隨著先導閥孔的增大，閥口處的穩(wěn)態(tài)壓力值顯著減小，則閥口進出口的壓差增大，從而穩(wěn)態(tài)流量增大。

圖5 中的閥芯阻尼孔直徑d0取1.4 mm，先導閥孔直徑分別取1.1、1.2、1.4、1.8、2 mm。由圖5得出，當閥芯阻尼孔直徑為1.4 mm，先導閥孔直徑為1.1、1.2、1.4 mm 時，閥芯未打開，閥進口處的壓力保持14 MPa 不變。先導閥孔直徑為1.8、2 mm，閥芯開啟時間均為20 ms，閥芯均經過10 ms 開始關閉，關閉時間均為100 ms;開啟時閥進口處的壓力均經10 ms 開始變化，關閉時閥口處的壓力立即變化，均經10 ms 壓力回復到額定壓力14 MPa。同時由圖還可得出隨著先導閥孔的增大，閥口處的穩(wěn)態(tài)壓力值減小，閥口穩(wěn)態(tài)流量增大。

圖5 當d0 =1.4 mm 時，不同先導閥孔的閥進口壓力圖和閥芯位移圖

圖6 是先導閥孔徑為1.8 mm，閥芯阻尼孔為1、1.2、1.4、1.6 mm 時的閥芯位移圖和閥口處的壓力變化圖。由圖可以得出:當先導閥孔直徑為定值1.8 mm 時，隨著閥芯阻尼孔直徑的增大，閥芯的開啟時間沒有顯著的變化，但是關閉時間在逐漸減小，但是當閥芯阻尼孔增大到1.6 mm 時，閥芯未曾打開;同時閥芯進口處的穩(wěn)態(tài)壓降值隨著閥芯阻尼孔的增大而逐漸減小，當閥芯阻尼孔增大到1.6 mm 時，閥芯未打開，閥口處壓力不變。

圖6 不同閥芯阻尼孔的閥進口壓力圖和閥芯位移圖

3.3 閥芯質量的影響

由圖7 得出，不同的閥芯質量，閥芯開啟關閉時間均無明顯變化，開啟時間均為20 ms，關閉時均經10 ms 開始關閉，關閉時間均為100 ms。

圖7 不同閥芯質量的閥芯位移圖

3.4 彈簧剛度的影響

由圖8 得出，不同的彈簧剛度，開啟時間均為20 ms，關閉時均經10 ms 開始關閉，關閉時間均為100 ms。隨著彈簧剛度的增大，開啟時間無變化，關閉初始速度稍微變快，閥芯即將完全關閉時速度明顯減緩，但是總關閉時間無明顯變化。

圖8 不同彈簧剛度的閥芯位移圖

3.5 仿真動態(tài)特性曲線

仿真結果表明，在最優(yōu)參數下仿真過程中調定不同的溢流閥壓力得到如圖9所示的新型水壓插裝式三位四通電磁換向閥的壓力流量曲線和閥口壓差流量曲線圖，從圖9 中可看出插裝閥的開啟壓力為0.3 MPa，壓力增大到4.1 MPa 時，流量達到160 L/min，隨著壓力的增大，流量穩(wěn)定在164 L/min。

圖9 插裝式換向閥的動態(tài)特性曲線圖

由圖10 得出，表1 最優(yōu)結構參數下的仿真動態(tài)特性較好，插裝式換向閥的開啟和關閉都迅速可靠，開啟時間僅為20 ms，關閉時間為100 ms，換向迅速、穩(wěn)定、可靠。

圖10 最優(yōu)結構參數下的開啟時間和關閉時間

4 結論

(1)AMEsim 仿真結果表明，不同的閥芯面積比、閥芯阻尼孔直徑和先導閥孔直徑對插裝式換向閥的開啟和關閉動態(tài)特性動態(tài)特性有較為顯著的影響;彈簧剛度和閥芯質量對插裝式換向閥的開啟和關閉動態(tài)特性均無明顯影響。

(2)仿真結果表明選擇合適的面積比、閥芯阻尼孔直徑和先導閥孔直徑才能得到較好的插裝式換向閥的動態(tài)特性?；贏MEsim 仿真得到了在水介質條件下的最優(yōu)結構參數以及最優(yōu)結構參數下插裝式電磁換向閥的動態(tài)特性曲線，其中開啟壓力0.3 MPa，開啟時間為20 ms，關閉時間為100 ms 穩(wěn)態(tài)流量為164 L/min，。結果表明最優(yōu)參數下插裝式換向閥換向迅速、穩(wěn)定、可靠。

(3)基于AMEsim 仿真，仿真得到了水介質條件下的16 mm 通徑的二通插裝閥的閥口壓差－流量曲線以及壓力－流量曲線，對其他水壓元件的設計有一定的參考價值。

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