新型先導(dǎo)式溢流閥的壓力-流量特性分析

　， 　， ， ， 陳志(.寧波華液機(jī)器制造有限公司， 浙江 寧波　353； .溫州大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 浙江 溫州　35035)

引言

溢流閥是使系統(tǒng)中多余流體通過(guò)該閥溢出，從而維持其出口壓力近于恒定的定壓力控制閥，在流體傳動(dòng)與控制中有廣泛的應(yīng)用[1]。溢流閥在工作時(shí)，隨著溢流流量的增加，設(shè)定系統(tǒng)壓力逐漸升高，不同的流量將會(huì)得到不同的系統(tǒng)壓力，溢流閥的壓力-流量特性描述了該穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)，壓力-流量特性也是衡量溢流閥性能好壞的一個(gè)重要指標(biāo)[2,3]。在工程機(jī)械中的安全閥或過(guò)載閥，對(duì)啟閉特性要求較高[4]，要求在溢流工作中，設(shè)定壓力受流量的影響盡可能小，調(diào)壓偏差要小，即達(dá)到壓力-流量特性盡可能較好的水平。相比于直接檢測(cè)先導(dǎo)式溢流閥[5]，R4V系列溢流閥是一種新型先導(dǎo)式溢流閥，通過(guò)簡(jiǎn)潔緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獲得液動(dòng)力和彈簧力的補(bǔ)償效果，在壓力-流量特性方面得到明顯改善。

1　結(jié)構(gòu)原理

圖1所示是R4V溢流閥[6]，由導(dǎo)閥和主閥兩部分組成。導(dǎo)閥由導(dǎo)閥體2、錐閥芯6、導(dǎo)閥座5、 阻尼柱塞4、調(diào)壓彈簧7、調(diào)節(jié)手柄8、螺塞1組成，主閥由主閥體10、主閥套11、 主閥芯13、回復(fù)彈簧12組成。先導(dǎo)油液經(jīng)阻尼14、油道15，進(jìn)入導(dǎo)閥油腔3，經(jīng)阻尼柱塞4，錐閥芯6與導(dǎo)閥座5形成的節(jié)流口而進(jìn)入T腔或直接回油箱。當(dāng)壓力增加到導(dǎo)閥設(shè)定壓力時(shí)，導(dǎo)閥開(kāi)啟；由阻尼14、阻尼柱塞4與可變節(jié)流口(由錐閥芯和導(dǎo)閥座形成)組成的B形半橋控制主閥芯上腔的壓力[7]，與系統(tǒng)壓力、回復(fù)彈簧力共同控制主閥芯的運(yùn)動(dòng)，引起主閥芯、主閥套的開(kāi)口變化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)壓力的基本恒定。

1.螺塞　2.導(dǎo)閥體　3.導(dǎo)閥油腔　4.阻尼柱塞　5.導(dǎo)閥座 6.錐閥芯　7.調(diào)壓彈簧　8.調(diào)節(jié)手柄　9.阻尼　10.主閥體 11.主閥套　12.回復(fù)彈簧　13.主閥芯　14.阻尼　15.油道圖1　帶阻尼活塞先導(dǎo)式溢流閥結(jié)構(gòu)圖

阻尼柱塞在導(dǎo)閥座中靈活移動(dòng)，在導(dǎo)閥芯打開(kāi)時(shí)，阻尼柱塞內(nèi)就有先導(dǎo)液流通過(guò)，并在其內(nèi)部的節(jié)流小孔A上建立起壓降Δp，左邊的較高壓力便產(chǎn)生一個(gè)作用在錐閥芯上面的附加作用力，如圖2所示。該作用力將使錐閥芯離開(kāi)閥座的位移增大，即錐閥芯開(kāi)口增大。于是使錐閥芯前與閥座間區(qū)域的先導(dǎo)壓力降低，從而也使主級(jí)閥的開(kāi)度增大，最終當(dāng)流量增大時(shí)，進(jìn)油口到回油口的壓力增高較小，進(jìn)而改善了壓力-流量的水平特性，減小了調(diào)壓偏差。

圖2　阻尼柱塞工作示意圖

2　等壓力特性的理論分析

作用在先導(dǎo)閥芯上的液壓力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的受力平衡方程：

prpAx=kxx0+kxx+Cd2πdxsin(2φ)p1-Fa

(1)

式中，prp—— 先導(dǎo)閥前腔壓力，即減壓后的先導(dǎo)控制壓力

Ax—— 先導(dǎo)閥受力面積，Ax=πd2/4

d—— 先導(dǎo)閥座孔直徑

kx—— 先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧剛度

x0—— 先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧預(yù)壓縮量

x—— 先導(dǎo)閥閥口開(kāi)度

Cd2—— 先導(dǎo)閥閥口流量系數(shù)

φ—— 先導(dǎo)閥閥芯半錐角

Fa—— 附加作用力，F(xiàn)a=(p1-prp)Apu

Apu—— 阻尼柱塞受力面積

作用在主閥芯上的液壓力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的受力平衡方程：

pA=prpA1+ky(y0+y)+Cd1πDysin(2α)p

(2)

式中，p—— 主閥進(jìn)口壓力

A—— 主閥芯下腔受力面積

A1—— 主閥芯上腔受力面積

ky—— 主閥復(fù)位彈簧剛度

y0—— 主閥復(fù)位彈簧預(yù)壓縮量

y—— 主閥閥口開(kāi)度

Cd1—— 主閥閥口流量系數(shù)

α—— 主閥閥芯半錐角

D—— 主閥閥座孔直徑

阻尼柱塞參數(shù)設(shè)計(jì)合理，使得式(1)的二、三、四項(xiàng)基本為0，則prp=kxx0/Ax。由開(kāi)啟位置至額定工作位置，先導(dǎo)控制壓力ppr不受液動(dòng)力及彈簧附加力的影響，保持恒定。由式(2)可知，影響p升高的環(huán)節(jié)減少，壓力p趨向于更平穩(wěn)。因此，與未加阻尼柱塞時(shí)相比，溢流閥的壓力-流量特性的水平性得到明顯改善。

3　模型建立

AMESim仿真軟件目前已經(jīng)成為流體、機(jī)械、熱分析等復(fù)雜系統(tǒng)領(lǐng)域建模和仿真優(yōu)先選擇的平臺(tái)[8]。根據(jù)圖1所示結(jié)構(gòu)及其工作原理，在AMESim的HCD庫(kù)中選擇合適的模塊，并結(jié)合Hydraulic庫(kù)中的元件模型，搭建先導(dǎo)式溢流閥的仿真模型如圖3所示。

圖3　先導(dǎo)式溢流閥AMESim模型

圖3a是無(wú)阻尼柱塞先導(dǎo)式溢流閥模型，圖3b是帶阻尼柱塞先導(dǎo)式溢流閥模型。仿真模型主要參數(shù)如表1所示。

表1　主要仿真參數(shù)

4　仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

仿真結(jié)果如圖4所示。隨著流量的增加，壓力逐漸升高，形成壓力偏差，帶阻尼柱塞溢流閥比不帶阻尼柱塞溢流閥的偏差程度要低，仿真計(jì)算得到帶阻尼柱塞的最大偏差值在5.1%，無(wú)阻尼柱塞的最大偏差值在7%。阻尼柱塞結(jié)構(gòu)有效地起到了改善壓力調(diào)節(jié)偏差的效果。

圖4　壓力-流量特性仿真曲線

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖5所示。實(shí)驗(yàn)證實(shí)帶阻尼柱塞結(jié)構(gòu)的壓力調(diào)節(jié)偏差明顯優(yōu)于無(wú)阻尼柱塞結(jié)構(gòu)。無(wú)阻尼柱塞結(jié)構(gòu)的最大調(diào)壓偏差為7%，帶阻尼柱塞結(jié)構(gòu)的最大調(diào)壓偏差為4%。

圖5　壓力-流量特性試驗(yàn)曲線

圖6是帶阻尼柱塞先導(dǎo)式溢流閥的仿真曲線和實(shí)驗(yàn)曲線，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致，驗(yàn)證了模型的正確性。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的偏差主要是以下因素產(chǎn)生的：

(1) 建模采用的是集中參數(shù)的模塊化處理，實(shí)際情況存在著復(fù)雜的流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)，很多參數(shù)呈連續(xù)分散狀態(tài)；

(2) 模型中的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力進(jìn)行了線性化處理，實(shí)際情況中存在著非線性；

(3) 仿真用油液模型和實(shí)際情況存在著差別。

圖6　壓力-流量特性仿真數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

5　結(jié)論

(1) 帶阻尼柱塞先導(dǎo)式溢流閥通過(guò)阻尼柱塞的附加作用力，增加導(dǎo)閥芯開(kāi)度，使主級(jí)閥的開(kāi)度增大，隨著溢流流量的增加，進(jìn)油口到回油口的壓力增高較小。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了該結(jié)構(gòu)明顯改善了調(diào)壓偏差，最大調(diào)節(jié)壓力偏差由7%降至4%。

(2) AMESim的HCD庫(kù)能較好地反映出元件的細(xì)節(jié)，建立了和實(shí)際工況基本吻合的先導(dǎo)式溢流閥的模型，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的正確性。通過(guò)建模仿真分析，增加對(duì)該產(chǎn)品的認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)先導(dǎo)式溢流閥的性能研究和改進(jìn)提供理論指導(dǎo)作用。

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