基于A(yíng)MESim的液壓分流集流閥的動(dòng)態(tài)特性研究

方子帆 朱 陳 馬振豪

（1.三峽大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力學(xué)院，湖北 宜昌 443002；2.三峽大學(xué) 水電機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)與維護(hù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443002；3.三峽大學(xué) 三峽區(qū)域能源裝備協(xié)同創(chuàng)新中心，湖北 宜昌 443002）

隨著現(xiàn)代機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展及液壓技術(shù)的進(jìn)步，各行各業(yè)對(duì)同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的需求日益增加，對(duì)液壓同步驅(qū)動(dòng)技術(shù)的要求也越來(lái)越高.分流集流閥是液壓同步系統(tǒng)中常用的一種同步元件，它能自動(dòng)分配進(jìn)入兩個(gè)或多個(gè)液壓執(zhí)行元件中的油液流量，使他們保持位置同步或按一定比例關(guān)系運(yùn)動(dòng).采用同步閥的液壓系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、制造容易、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛用于各種同步回路中.目前對(duì)同步閥的研究集中在分析其數(shù)學(xué)模型的動(dòng)靜態(tài)性能并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)［1－2］或是用一個(gè)模型同時(shí)描述同步閥的兩種工作狀況來(lái)優(yōu)化其結(jié)構(gòu)［3－4］.為了給高性能分流集流閥的設(shè)計(jì)提供重要依據(jù)，本文對(duì)閥進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，采用AMESim仿真軟件對(duì)分流集流閥的主要?jiǎng)討B(tài)性能及其結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真分析.

1 分流集流閥的工作原理

某型換向活塞式分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理圖［5］，如圖1所示.

圖1 換向活塞式分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理

分流集流閥，又稱(chēng)為同步閥，是基于壓力負(fù)反饋原理工作的.圖中A腔、B腔分別與彈簧腔C腔、D腔相通，兩個(gè)對(duì)中彈簧使閥芯處于中間位置.當(dāng)液壓閥處于分流工況時(shí)，換向活塞處于遠(yuǎn)離中心的位置.高壓油由P口流入閥體內(nèi)，經(jīng)兩側(cè)固定節(jié)流口a1和a2進(jìn)入A腔和B腔，然后分別流經(jīng)可變節(jié)流口b1、b2，再?gòu)腁口和B口進(jìn)入兩個(gè)執(zhí)行器.當(dāng)A口和B口的負(fù)載壓力相等時(shí)，即PA＝PB，液流所遇阻力相等，則QA＝QB.當(dāng)負(fù)載壓力不等時(shí)，若PA＞PB，在閥芯未動(dòng)作時(shí)，左右總液阻相等，將導(dǎo)致QA＞QB，A腔壓力P1瞬時(shí)增大，即P1＞P2，壓力被反饋到左右彈簧腔，使C腔壓力大于D腔壓力，閥芯左右受力不等，向右運(yùn)動(dòng)，從而使可變節(jié)流口b1逐漸變小，可變節(jié)流口b2逐漸變大，則P1下降，P2上升，直至P1＝P2，閥芯受力平衡，停止移動(dòng).此時(shí)新平衡位置上固定節(jié)流口后的壓力P1＝P2，故QA＝QB.集流工況與分流工況原理相似，僅進(jìn)油口和出油口相反，這里不再贅述.

2 分流集流閥AMESim建模仿真

2.1 分流集流閥建模

根據(jù)分流集流閥的工作原理［6］，利用AMESim的HCD（Hydraulic Component Design）建立分流集流閥分流工況的仿真模型，如圖2所示.

2.2 仿真分析

2.2.1 分流集流閥模型同步精度驗(yàn)證

某型分流集流閥的負(fù)載壓差與同步精度的技術(shù)要求參數(shù)見(jiàn)表1.

表1 負(fù)載壓差與同步精度的技術(shù)要求參數(shù)

通過(guò)設(shè)置A口與B口的壓差分別為1、6.3、20、30MPa進(jìn)行仿真.得到上述4種壓差情況下A口與B口的流量差（QA－QB）曲線(xiàn)，仿真結(jié)果如圖3所示.

圖2 分流集流閥AMEsim模型

圖3 不同壓差時(shí)的流量差曲線(xiàn)

表2 不同壓差下分流集流閥模型的同步精度

通過(guò)對(duì)比表1和表2可知，建立的分流集流閥AMESim模型同步精度符合其技術(shù)要求，模型建立正確，參數(shù)設(shè)置合理.

2.2.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)同步精度的影響趨勢(shì)

運(yùn)用上述分流集流閥的AMESim模型，設(shè)定A口與B口的負(fù)載壓差為30MPa，分別針對(duì)閥芯直徑D、對(duì)中彈簧剛度K、可變節(jié)流口直徑L以及固定節(jié)流口直徑D1等參數(shù)的不同取值，利用AMESim的批處理功能進(jìn)行仿真，得出分流節(jié)流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其同步精度的影響趨勢(shì).

1）閥芯直徑D的影響

從圖4可以看出隨著閥芯直徑的增大，A口與B口的流量差逐漸變小，而且在響應(yīng)時(shí)間內(nèi)的脈沖值也在變小，從而使同步精度值變小，使閥的同步性提高.閥芯直徑在設(shè)計(jì)值附近每增大1mm，流量差平均減小0.05L／min，同步精度提高0.100 3%.這是因?yàn)殚y芯直徑越大，液壓油作用在閥芯上的反饋壓力越大，閥芯的移動(dòng)距離越大，可變節(jié)流口的開(kāi)度變化越大，對(duì)流量的調(diào)節(jié)能力越強(qiáng)，同步性越好.

圖4 不同閥芯直徑對(duì)應(yīng)的流量差曲線(xiàn)

2）對(duì)中彈簧剛度K的影響

從圖5可以看出隨著對(duì)中彈簧剛度的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，使閥的同步性能降低.對(duì)中彈簧剛度在設(shè)計(jì)值附近每增大0.4N／mm，流量差平均提高0.146L／min，同步精度降低0.291%.這是因?yàn)樵谙嗤姆答亯毫ο拢瑥椈蓜偠仍酱?，閥芯移動(dòng)距離越小，可變節(jié)流口的開(kāi)度變化越小，對(duì)流量的調(diào)節(jié)能力越差，同步性越差.

3）可變節(jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度L的影響

從圖6可以看出隨著可變節(jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，使閥的同步性能降低.可變節(jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度由中間位置到全開(kāi)，每增大0.5mm，流量差平均提高0.084L／min，同步精度平均下降0.167%.這是因?yàn)榭勺児?jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度越大，閥芯移動(dòng)同樣的距離所調(diào)節(jié)的開(kāi)口量與初始開(kāi)口量的比值越小，調(diào)節(jié)效果也就越不明顯，同步調(diào)節(jié)能力越差.

圖5 不同對(duì)中彈簧剛度對(duì)應(yīng)的流量差曲線(xiàn)

圖6 可變節(jié)流口不同預(yù)設(shè)開(kāi)度時(shí)的流量差曲線(xiàn)

4）固定節(jié)流口直徑D1的影響

從7圖可以看出隨著固定節(jié)流口直徑的增大，A口與B口的流量差變大，從而使同步精度值變大，導(dǎo)致閥的同步性能降低.固定節(jié)流口直徑每增大0.5 mm，流量差平均提高0.173 868L／min，同步精度降低0.347 736 8%.

圖7 固定節(jié)流口不同直徑時(shí)A口與B口流量差曲線(xiàn)

2.2.3 對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)制造誤差對(duì)同步精度的影響

由圖1分流集流閥的結(jié)構(gòu)原理圖可知，分流集流閥在結(jié)構(gòu)上具有明顯的對(duì)稱(chēng)性，結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)性決定了其具有流量同步性，因此對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)在制造上的誤差必然影響其同步性能，下面就閥芯直徑、可變節(jié)流口直徑、固定節(jié)流口直徑3個(gè)主要參數(shù)的制造誤差分析對(duì)分流集流閥的同步精度的影響，通過(guò)設(shè)置閥芯右端參數(shù)比左端參數(shù)大不同的值加以仿真分析.

從圖8～10可看出，閥芯直徑、可變節(jié)流口直徑、固定節(jié)流口直徑3個(gè)參數(shù)對(duì)流量差的影響趨勢(shì)近似.

圖8 不同閥芯直徑差時(shí)的流量差曲線(xiàn)

圖9 不同固定節(jié)流口直徑差時(shí)的流量差曲線(xiàn)

圖10 不同可變節(jié)流口直徑差時(shí)的流量差曲線(xiàn)

在閥芯穩(wěn)定后，流量差為負(fù)值，并且隨著3種直徑差的增大，絕對(duì)流量差不斷增大，說(shuō)明直徑大的一側(cè)流量大，隨著直徑差的增大閥的同步精度不斷降低，但3種直徑差對(duì)同步精度的影響程度不同.閥芯直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.133 5L／min，同步精度平均下降0.266 9%，并在響應(yīng)階段有微小的波動(dòng)，波動(dòng)峰值不大；固定節(jié)流口直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.142L／min，同步精度平均下降0.284 8%，響應(yīng)階段幾乎無(wú)波動(dòng)；可變節(jié)流口直徑差每增大0.01mm，流量差平均提高0.006 75 L／min，同步精度平均下降0.013 5%，但在響應(yīng)階段有較大的波動(dòng)，波動(dòng)峰值較大.由此可知在閥芯直徑、可變節(jié)流口直徑、固定節(jié)流口直徑3種參數(shù)的制造誤差中，固定節(jié)流口直徑差的影響最大但較平穩(wěn)，可變節(jié)流口直徑差影響較小但較劇烈.

3 結(jié) 語(yǔ)

本文通過(guò)分析分流集流閥的原理，利用AMES－im軟件對(duì)分流集流閥分流狀況進(jìn)行建模仿真及性能分析，總結(jié)可得：閥芯直徑、對(duì)中彈簧的剛度、可變節(jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度、固定節(jié)流口直徑等結(jié)構(gòu)參數(shù)都會(huì)影響分流集流閥的同步精度，其中增加閥芯直徑或減小對(duì)中彈簧的剛度、可變節(jié)流口預(yù)設(shè)開(kāi)度、固定節(jié)流口直徑都有利于降低同步精度值，提高閥的同步性能，同時(shí)在分流集流閥的制造加工上應(yīng)注意減小對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的制造誤差.

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