帶有限壓保護(hù)作用的減壓閥建模與仿真分析

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(1.廣東工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 廣州　510006； 2.佛山市恒力泰機(jī)械有限公司， 廣東 佛山　528031)

引言

減壓閥是一種利用液流流過(guò)縫隙產(chǎn)生壓降的原理，使出口油壓低于進(jìn)口油壓的壓力控制閥。帶限壓保護(hù)作用的減壓閥在閥體上有一個(gè)泄油通道，當(dāng)工作回路中壓力瞬間升高時(shí)，液壓油可以通過(guò)該通道流回油箱，防止減壓閥內(nèi)部以及整個(gè)回路的壓力升高。某公司的YP3500型陶瓷磚壓機(jī)的頂出機(jī)構(gòu)上就使用了DR-6DP1型帶限壓保護(hù)作用的減壓閥，起到了很好的保護(hù)效果。

本研究利用AMESim提供的HCD庫(kù)構(gòu)建這種帶限壓保護(hù)作用減壓閥的仿真模型，并搭建實(shí)驗(yàn)回路。通過(guò)仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比來(lái)驗(yàn)證仿真模型的正確性，對(duì)其限壓保護(hù)作用進(jìn)行仿真。

1　帶有限壓保護(hù)作用減壓閥的工作原理

DR-6DP1型減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸出壓力作為閥的驅(qū)動(dòng)壓力經(jīng)過(guò)通道6進(jìn)入閥芯右腔，作用在閥芯的右端面，使閥芯開(kāi)口有關(guān)閉的趨勢(shì)。彈簧力作用在閥芯的左端面上，使閥芯有打開(kāi)的趨勢(shì)。當(dāng)這兩個(gè)力達(dá)到平衡時(shí)，閥便處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖1　減壓閥結(jié)構(gòu)圖

與普通減壓閥不同的是，該減壓閥有一個(gè)泄油口T(Y)。當(dāng)外界負(fù)載突然增大時(shí)，減壓閥出口A的壓力瞬間升高。這時(shí)高壓油液經(jīng)過(guò)通道6作用在閥芯右端面上的力大于彈簧力，推動(dòng)閥芯向左運(yùn)動(dòng)。當(dāng)閥芯運(yùn)動(dòng)到一定距離時(shí)，閥芯8右側(cè)開(kāi)口打開(kāi)，使出口A與油箱接通。這時(shí)出口壓力降低，閥芯開(kāi)始向右移動(dòng)，保護(hù)開(kāi)口減小。當(dāng)開(kāi)口減小到零時(shí)，A口的高壓油推動(dòng)閥芯向左運(yùn)動(dòng)，如此往復(fù)達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡。當(dāng)外界負(fù)載恢復(fù)正常時(shí)，彈簧推動(dòng)閥芯向右運(yùn)動(dòng)，A口壓力降低到彈簧調(diào)定的壓力，然后保持平衡，減壓閥正常工作。

2　仿真模型

根據(jù)減壓閥的工作原理，應(yīng)用AMESim 的HCD 庫(kù)構(gòu)造該帶有限壓保護(hù)作用的減壓閥模型如圖2中框線內(nèi)部分所示。

圖2　減壓閥的仿真模型

該模型中，考慮到液體的壓縮性，用容積源9和16來(lái)分別模擬減壓閥的進(jìn)、出油口的容積，容積源17來(lái)模擬減壓閥彈簧腔的容積；用彈簧模塊8模擬彈簧和彈簧腔；用質(zhì)量塊7來(lái)模擬減壓閥閥芯以及桿的質(zhì)量；用模塊5來(lái)模擬減壓閥閥芯，在閥芯兩側(cè)便形成了進(jìn)油口P和出油口A。

模塊4是一個(gè)輔助閥芯，用來(lái)實(shí)現(xiàn)該減壓閥的保護(hù)功能，該閥芯零位移時(shí)的開(kāi)口量為0。減壓閥正常工作時(shí)該閥口緊閉，不影響減壓閥的正常工作。當(dāng)外界負(fù)載增加時(shí)，減壓閥出口壓力隨之升高，這樣出口油液會(huì)推動(dòng)閥芯向左移動(dòng)壓縮彈簧，當(dāng)彈簧壓縮到一定程度時(shí)，閥芯4打開(kāi)，減壓閥出口處的高壓油直接接回油箱，防止出口壓力的持續(xù)升高，達(dá)到了保護(hù)減壓閥的目的；由于減壓閥工作時(shí)會(huì)有一定的泄漏量，所以用HCD庫(kù)中的泄漏模塊2來(lái)模擬彈簧腔與閥芯之間的泄漏；用單向閥13來(lái)模擬圖1中的單向閥5。

該模型考慮了液體的壓縮性、泄漏等一系列因素，和實(shí)際的減壓閥結(jié)構(gòu)很接近。為了能夠準(zhǔn)確地驗(yàn)證該模型的合理性，以某公司的直動(dòng)式DR-6DP1-53210Y減壓閥作為參考來(lái)設(shè)置仿真模型參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1　仿真系統(tǒng)參數(shù)

3　仿真分析

應(yīng)用表1中參數(shù)進(jìn)行仿真，得到了減壓閥的出口壓力p出與回路流量Q隨時(shí)間變化曲線如圖3所示，閥口開(kāi)口量l隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

圖3　減壓閥出口壓力和流量曲線

圖4　閥開(kāi)口量曲線

由圖3可知，起始時(shí)刻減壓閥出口壓力為205 bar， 主閥芯的開(kāi)口量由初始時(shí)的0.9 mm瞬間減小到0 mm附近。隨著節(jié)流閥13開(kāi)口量的增加，通過(guò)閥芯的流量隨之增大，則閥芯開(kāi)口量也隨之增加，次級(jí)壓力逐漸降低。

由減壓閥的基本原理可知，減壓閥的壓力流量特性與減壓閥彈簧的剛度有關(guān)。圖5為某公司給出的該型號(hào)減壓閥的5條壓力流量曲線，這5條曲線是5種彈簧剛度不同的減壓閥的壓力流量曲線，這5種閥出口最高調(diào)定壓力分別為25 bar、75 bar、150 bar、210 bar、315 bar。改變仿真模型中的彈簧剛度和彈簧預(yù)壓縮力如表2所示， 我們得到如圖6所示的5條壓力流量曲線。

分別對(duì)這兩組曲線進(jìn)行分析， 得到理論曲線的斜率K1、仿真曲線的斜率K2數(shù)值大小如表3所示。該曲線斜率反映的是隨著流量的增加，出口壓力的減小速度?？芍?，兩條曲線最大誤差為3.2%，仿真模型中減壓閥出口壓力隨流量增加而減小的速度與給定的理論曲線是非常接近的。

表2　5種減壓閥模型彈簧的參數(shù)

圖6　5條仿真壓力流量曲線

表3　兩組曲線斜率對(duì)比表

為了進(jìn)一步驗(yàn)證所建立模型的準(zhǔn)確性，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)DR6DP1-53210Y型號(hào)減壓閥進(jìn)行性能測(cè)試。該減壓閥的出口調(diào)定壓力最高為210 bar，其壓力流量特性如圖5和圖6中曲線所示。實(shí)驗(yàn)回路如圖7所示，該實(shí)驗(yàn)將減壓閥與伺服閥串接在回路中，計(jì)算機(jī)發(fā)出的數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，作用在伺服閥上來(lái)控制其開(kāi)口大小，實(shí)現(xiàn)回路中流量大小的控制。同時(shí)通過(guò)流量傳感器檢測(cè)回路中流量的大小，壓力傳感器2檢測(cè)減壓閥出口的壓力。然后用LabVIEW軟件編寫(xiě)采集程序，用數(shù)據(jù)采集卡把壓力和流量信號(hào)采集到電腦中。

圖7　實(shí)驗(yàn)回路連接圖

由減壓閥的基本原理可知，改變減壓閥彈簧的預(yù)壓縮力，可以調(diào)節(jié)減壓閥出口壓力的大小。通過(guò)調(diào)節(jié)彈簧的預(yù)壓縮力，分別將減壓閥的出口壓力調(diào)到50 bar、 70 bar進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)MATLAB軟件處理后，得到減壓閥的實(shí)際壓力流量圖像如圖8所示。由圖像可知，隨著流量的增加，減壓閥出口壓力雖然有所波動(dòng)，但是整體趨勢(shì)在降低，通過(guò)曲線擬合后得到如圖9所示直線，兩條直線的斜率分別為：K70=0.247、K50=0.238。

圖8　減壓閥出口壓力-流量點(diǎn)狀圖

圖9　減壓閥出口壓力-流量曲線

然后用仿真模型2(見(jiàn)表2，出口壓力為210 bar)的預(yù)壓縮力分別設(shè)為200 N、140 N，使減壓閥的出口壓力調(diào)為70 bar、50 bar進(jìn)行仿真分析，得到壓力流量曲線如圖10所示。經(jīng)過(guò)測(cè)量得兩曲線斜率分別為：K70=0.251、K50=0.241，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合，進(jìn)一步說(shuō)明模型的正確性。

圖10　仿真模型2出口壓力流量曲線

4　過(guò)載時(shí)性能分析

減壓閥在工作時(shí)，外界負(fù)載的變化很容易在減壓閥內(nèi)部差生瞬間的高壓，這對(duì)于減壓閥的壽命和工作穩(wěn)定性是十分不利的。我們通過(guò)此模型來(lái)模擬減壓閥受到外界沖擊時(shí)內(nèi)部壓力的變化情況。圖11為不帶限壓保護(hù)作用減壓閥的實(shí)驗(yàn)回路圖，其中液壓缸作為負(fù)載，通過(guò)突然給液壓缸施加外力來(lái)模擬外界沖擊。

圖11　普通減壓閥回路

通過(guò)控制信號(hào)改變力F的大小來(lái)模擬外部載荷的變化。仿真時(shí)間為2 s，前1 s控制信號(hào)輸入的力大小為6000 N，減壓閥彈簧調(diào)定的壓力為200 bar，液壓缸在油液的驅(qū)動(dòng)下開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在1 s時(shí)刻突然將力的輸入信號(hào)擴(kuò)大三倍，得到此時(shí)減壓閥的出口壓力如圖12中曲線1所示。

圖12　減壓閥出口壓力

由圖可知，仿真開(kāi)始后，減壓閥出口壓力在200 bar 并保持穩(wěn)定。在1 s時(shí)由于外界負(fù)載的增加，減壓閥出口的壓力突然上升，達(dá)到正常工作壓力的3倍以上，隨后趨于平穩(wěn)。在1.5 s時(shí)負(fù)載恢復(fù)到初始大

小，減壓閥出口壓力降低，經(jīng)過(guò)一定波動(dòng)后保持穩(wěn)定。

然后把同樣變化的負(fù)載接在該帶有限壓保護(hù)作用的減壓閥上，如圖13所示。得到減壓閥的出口壓力如圖12中曲線2所示，當(dāng)外界載荷突然增加時(shí)，減壓閥出口的壓力開(kāi)始上升，但是由于保護(hù)閥芯的作用，出口壓力沒(méi)有突然增加，而是保持在220 bar左右。當(dāng)負(fù)載恢復(fù)后出口壓力又趨于平穩(wěn)，減壓閥正常工作。

圖13　帶限壓保護(hù)作用減壓閥回路

可見(jiàn)對(duì)于普通減壓閥來(lái)說(shuō)，由于負(fù)載變化而產(chǎn)生的壓力沖擊力是很大的，而帶限壓保護(hù)的減壓閥可以把這種沖擊力降到很低，使減壓閥的壽命以及工作穩(wěn)定性都得到了很大的提高。

5　結(jié)論

(1) 利用AMESim的HCD庫(kù)建立了帶限壓保護(hù)作用的減壓閥的仿真模型，通過(guò)其仿真結(jié)果與理論曲線、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可知該模型是比較準(zhǔn)確的，具有一定的參考價(jià)值；

(2) 經(jīng)過(guò)仿真分析，減壓閥在工作時(shí)由于外界載荷的突變，內(nèi)部壓力有可能會(huì)突然升高，這對(duì)減壓閥以及整個(gè)液壓回路都會(huì)帶來(lái)很大的影響；

(3) 帶有限壓保護(hù)作用減壓閥的內(nèi)部泄油通道，在外界負(fù)載突然升高的情況下，可以使減壓閥出口油液直接與油箱接通，防止出口壓力進(jìn)一步升高，可有效降低外界載荷突變對(duì)減壓閥的影響。

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