振動(dòng)環(huán)境下插裝閥的動(dòng)態(tài)特性*

楊忠炯， 周振峰， 周立強(qiáng)

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙，410083) (2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)沙，410083)

振動(dòng)環(huán)境下插裝閥的動(dòng)態(tài)特性*

楊忠炯1，2， 周振峰2， 周立強(qiáng)1，2

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 長(zhǎng)沙，410083) (2.中南大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 長(zhǎng)沙，410083)

為研究強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境對(duì)二通插裝閥工作性能的影響，建立了振動(dòng)環(huán)境下的二通插裝閥結(jié)構(gòu)模型及AMESim仿真模型,分別分析振動(dòng)條件及插裝閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律。研究表明：基礎(chǔ)振動(dòng)會(huì)引起插裝閥閥口流量及閥芯開度出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象；閥芯在穩(wěn)態(tài)時(shí)的波動(dòng)程度隨基礎(chǔ)振動(dòng)幅值線性增加，振動(dòng)頻率大于20Hz后，波動(dòng)程度明顯。較小的阻尼孔徑會(huì)使流量上升至最大值的時(shí)間增加，但通過(guò)閥口的流量更平穩(wěn)；插裝閥在開啟狀態(tài)時(shí)，閥芯波動(dòng)值與閥芯質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系；改變插裝閥的面積對(duì)改善流量波動(dòng)現(xiàn)象效果有限；增加彈簧剛度可以改善流量波動(dòng)現(xiàn)象，但會(huì)使通過(guò)閥口的流量減小。

基礎(chǔ)振動(dòng)； 插裝閥； 動(dòng)態(tài)特性； 振動(dòng)條件； 結(jié)構(gòu)參數(shù)

引 言

二通插裝閥具有流通能力大、動(dòng)作快和密封性能好等特點(diǎn)，在高壓大流量領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[1]。全斷面硬巖掘進(jìn)機(jī)(tunnel boring machine，簡(jiǎn)稱為TBM)液壓系統(tǒng)具有大負(fù)載、大功率和大流量等特點(diǎn)，因此TBM上廣泛采用大規(guī)格的二通插裝閥[2]。例如：美國(guó)ROBBINS公司的MB264-311型TBM支撐、推進(jìn)液壓系統(tǒng)共使用了16個(gè)二通插裝閥[3]；德國(guó)WIRTH公司的TB880E型TBM支撐系統(tǒng)使用了2個(gè)二通插裝閥來(lái)保證差動(dòng)快進(jìn)[4]。

重大工程裝備在工作時(shí)會(huì)不可避免地產(chǎn)生振動(dòng)現(xiàn)象[5]，基礎(chǔ)振動(dòng)會(huì)對(duì)插裝閥的工作特性造成一定影響，目前對(duì)插裝閥的工作特性研究主要集中在閥體結(jié)構(gòu)和流體動(dòng)力學(xué)等方面。李淮祥[6]分析了插裝閥錐角和閥芯圓周直徑的大小對(duì)錐閥振動(dòng)特性和靜態(tài)特性的影響。文獻(xiàn)[7]分析了錐閥入口速度、出口速度、閥口開啟度和錐角對(duì)空化效應(yīng)的影響。文獻(xiàn)[8]對(duì)不同開口度的閥隙流速進(jìn)行仿真，得出了錐閥閥隙處壓力損失與開口度大小的關(guān)系。文獻(xiàn)[9]研究了插裝閥液壓系統(tǒng)中蓄能器的振動(dòng)衰減影響，對(duì)錐閥的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。目前，部分學(xué)者對(duì)模擬強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境的試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行了研究。張志等[10]對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的加速度積分方法進(jìn)行了探究。黃中華等[11]對(duì)振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)的測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行了研究。由于針對(duì)插裝閥在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)上的性能研究較少，因此研究基礎(chǔ)振動(dòng)下的插裝閥工作特性具有重要意義。

1 基礎(chǔ)振動(dòng)下的插裝閥模型

典型的二通插裝閥由先導(dǎo)閥、控制蓋板和插裝件3部分構(gòu)成。插裝件由閥芯、閥套、彈簧和密封圈等組成[12]。先導(dǎo)閥、控制蓋板、閥套與閥塊采用螺釘緊固，可作為一個(gè)剛性連接的整體。振動(dòng)條件下的二通插裝閥結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。X1為基礎(chǔ)振動(dòng)位移，X2為閥芯運(yùn)動(dòng)位移，取向上的位移方向?yàn)檎?。閥芯開啟時(shí)開啟高度以X表示，X=X2-X1。

圖1 振動(dòng)條件下的插裝閥結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Cartridge valve structure model under vibration condition

在TBM的主機(jī)支撐系統(tǒng)中[4]截取一個(gè)簡(jiǎn)單的二通插裝閥換向回路作為研究對(duì)象，如圖2所示。先導(dǎo)電磁閥不得電時(shí)，插裝閥入口處A腔壓力Pa與控制腔C腔壓力Pc相等，C腔承壓面積大，此時(shí)插裝閥關(guān)閉。先導(dǎo)電磁閥得電時(shí)，控制腔C腔油液回油箱，壓力Pc減小，在壓差及彈簧力的共同作用下，插裝閥閥芯打開，油液從A腔流向B腔。

圖2 插裝閥簡(jiǎn)單換向回路Fig.2 Simple cartridge valve commutation circuit

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

設(shè)系統(tǒng)泵源流量為q0，插裝閥閥口流量為q1，插裝閥閥芯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致控制腔體積變化引起的流量為q2，二位三通球閥的流量方程為q3。進(jìn)油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的壓力分別以Pa，Pb，Pc表示，進(jìn)油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的液壓作用面積分別以Aa，Ab，Ac表示。

插裝閥閥口的壓力-流量方程為

(1)

先導(dǎo)閥二位三通球閥的壓力-流量方程為

(2)

其中：C為流量系數(shù)，約為0.62～0.75[13]；d為先導(dǎo)電磁閥過(guò)流孔徑。

插裝閥控制腔體積變化引起的流量為

(3)

其中：Vc為C腔的體積；E為油液體積彈性模量。

插裝閥控制腔的流量連續(xù)方程為

(4)

插裝閥閥口的流量連續(xù)性方程為

(5)

假定基礎(chǔ)處于簡(jiǎn)諧振動(dòng)環(huán)境，X1=Asinωt，取向上的位移為正。忽略閥芯與閥套間的動(dòng)摩擦力與閥芯重力的影響，當(dāng)閥芯開啟時(shí)，根據(jù)外部激勵(lì)作用下的強(qiáng)迫振動(dòng)理論[14]，插裝閥閥芯運(yùn)動(dòng)微分方程為

(6)

插裝閥所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與其過(guò)流面積、閥口壓差有關(guān)，總是使插裝閥閥芯趨于關(guān)閉，其方程[15]為

Fw=-CwπDXΔPsin2α

(7)

其中：Cw為流量系數(shù)，約為0.77～0.82。

3 系統(tǒng)仿真及分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型方程，利用AMESim仿真軟件建立其仿真模型，如圖3所示。仿真系統(tǒng)中主要元件參數(shù)設(shè)置為：泵源排量為300ml/r，轉(zhuǎn)速為1 200r/min，溢流閥設(shè)定壓力為10MPa，其他模型參數(shù)如表1所示。插裝閥閥芯最大開啟高度為10mm，控制腔回油路阻尼孔徑為3mm，彈簧剛度為1.6×105N/m，插裝閥結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖3 振動(dòng)下的插裝閥仿真模型Fig.3 Cartridge valve simulation model under vibration

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值E/Pa800Cf20C0.7Cq0.72d/mm4Cw0.75ρ/(kg·m-3)850α/(°)45

表2 插裝閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

在振動(dòng)條件為振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz時(shí)，插裝閥閥口流量的仿真結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可以得出， 基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)插裝閥閥口流量的影響主要在于其達(dá)到平衡階段后會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)現(xiàn)象。由式(1)可知，在壓力不變的情況下，插裝閥開啟高度是決定閥口流量的重要因素。

圖4 插裝閥流量仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of cartridge valve flow

3.1 基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)閥芯開啟的影響規(guī)律

在插裝閥受到基礎(chǔ)振動(dòng)(振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz)與無(wú)振動(dòng)時(shí)，閥芯開啟高度X的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在閥芯開啟時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)其快速上升階段影響不大， 這是因?yàn)殚y芯快速上升時(shí)，由于控制腔C腔壓力迅速減小，進(jìn)油口A腔作用力遠(yuǎn)大于基礎(chǔ)振動(dòng)造成的閥芯慣性力，所以閥芯迅速打開。在閥芯處于動(dòng)態(tài)平衡階段時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)會(huì)導(dǎo)致閥芯出現(xiàn)波動(dòng)現(xiàn)象。這是當(dāng)閥芯在液

圖5 基礎(chǔ)振動(dòng)下的X仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of X under fundamental vibration

壓作用力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力作用下到達(dá)平衡狀態(tài)時(shí)，基礎(chǔ)振動(dòng)造成的閥芯慣性力周期性變化，打破了閥芯的受力平衡，閥芯開啟高度也出現(xiàn)周期性變化規(guī)律。設(shè)定閥芯周期波動(dòng)的幅值為δ，設(shè)定無(wú)振動(dòng)時(shí)閥芯的開啟高度為X0，可用δ/X0的比值來(lái)反映閥芯開啟高度受基礎(chǔ)振動(dòng)的影響程度。

3.1.1 基礎(chǔ)振動(dòng)幅值A(chǔ)的影響

為研究基礎(chǔ)振動(dòng)幅值A(chǔ)對(duì)閥芯開啟時(shí)的影響規(guī)律，設(shè)立3組仿真試驗(yàn)。由中國(guó)鐵建重工集團(tuán)在越南工地的測(cè)試報(bào)告顯示，TBM左側(cè)撐靴振動(dòng)頻率主要集中在100 Hz以內(nèi)，故仿真試驗(yàn)頻率分別取f為80，60和30 Hz。記錄閥芯周期波動(dòng)幅值δ與穩(wěn)態(tài)平衡值X0的仿真結(jié)果，δ/X0的比值如圖6所示?？梢?，閥芯在穩(wěn)態(tài)平衡時(shí)的波動(dòng)比值δ/X0隨基礎(chǔ)振動(dòng)幅值A(chǔ)的增加而線性增加。

圖6 δ/X0比值隨振幅變化曲線Fig.6 Curves of δ/X0 ratio changing with amplitude

3.1.2 基礎(chǔ)振動(dòng)頻率f的影響

為研究基礎(chǔ)振動(dòng)頻率f對(duì)閥芯開啟時(shí)的影響規(guī)律，同樣設(shè)立3組仿真試驗(yàn)，振動(dòng)幅值分別為A=0.01 m，A=0.007 5 m，A=0.005 m，δ/X0的比值如圖7所示。由圖7可知，當(dāng)基礎(chǔ)振動(dòng)頻率增加時(shí)，閥芯在穩(wěn)態(tài)波動(dòng)時(shí)的比值首先會(huì)緩慢增加，這是因?yàn)檎駝?dòng)頻率較小時(shí)閥芯所受慣性力數(shù)值不大，對(duì)閥芯平衡影響不大；當(dāng)振動(dòng)頻率超過(guò)20 Hz時(shí)，閥芯波動(dòng)比值才急劇增加。

圖7 δ/X0比值隨頻率變化曲線Fig.7 Curves of δ/X0 ratio changing with frequency

3.2 閥體結(jié)構(gòu)對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律

3.2.1 阻尼孔徑的影響

為研究控制腔C腔與先導(dǎo)閥之間的阻尼塞孔徑對(duì)插裝閥動(dòng)態(tài)特性的影響規(guī)律，在阻尼塞孔徑可選規(guī)格中分別選擇Φ為1.5，2和3 mm 3組進(jìn)行仿真試驗(yàn)，修改圖3所示模型中的阻尼孔直徑，插裝閥流量仿真結(jié)果如圖8所示?？刂魄籆腔的壓力變化如圖9所示。由圖8可知，當(dāng)阻尼孔徑變大時(shí)，插裝閥閥口流量達(dá)到最大值所需時(shí)間減小且流量波動(dòng)幅度增加。這是由于阻尼孔徑增加后，阻尼孔的流通能力增加，控制腔C腔的壓力下降時(shí)間減??；同時(shí)控制腔的體積變化率加大，導(dǎo)致插裝閥閥芯波動(dòng)值變大，進(jìn)一步引起流量波動(dòng)值變大。

圖8 插裝閥閥口流量Fig.8 The outlet flow of cartridge valve

圖9 控制腔壓力變化曲線Fig.9 Pressure variation curves of controlled chamber

3.2.2 閥芯質(zhì)量對(duì)閥芯穩(wěn)態(tài)平衡的影響

設(shè)閥芯質(zhì)量分別為m=0.125 kg，m=0.1 kg和m=0.075 kg的3組仿真試驗(yàn)，閥芯開啟高度X在穩(wěn)態(tài)平衡后的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，插裝閥閥芯在穩(wěn)態(tài)平衡階段的波動(dòng)值與插裝閥的質(zhì)量呈正相關(guān)性，質(zhì)量越大，其波動(dòng)值亦越大。

圖10 不同閥芯質(zhì)量下的X仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of X under different spool mass

3.2.3 面積比的影響

插裝閥進(jìn)油口A腔面積與控制腔C腔面積比值A(chǔ)a/Ac稱為其面積比，常見的面積比有1∶1.07，1∶1.5，1∶2.0幾種，根據(jù)上述3種面積比進(jìn)行仿真試驗(yàn)，插裝閥閥口流量仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，插裝閥流量值隨面積比的減小而顯著減小，而到達(dá)流量最大值的時(shí)間及波動(dòng)幅值并無(wú)太大差異，這是因?yàn)槊娣eAa的減小造成插裝閥閥口的過(guò)流面積減小，閥口流量必然隨之減小。

圖11 不同面積比的流量仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of flow under different area ratio

3.2.4 彈簧剛度的影響

取彈簧剛度分別為1.2×105，1.6×105和2.0×105N/m進(jìn)行仿真試驗(yàn)，閥芯達(dá)到穩(wěn)態(tài)平衡后的仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，隨著彈簧剛度的增加，插裝閥閥芯波動(dòng)值會(huì)減小，其開啟高度也減小，因此增加彈簧剛度能減弱閥芯波動(dòng)程度，但同時(shí)會(huì)使通過(guò)其閥口的流量減小。

圖12 不同彈簧剛度下的X仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of X under different spring stiffness

4 結(jié) 論

1) 基礎(chǔ)振動(dòng)對(duì)插裝閥開啟時(shí)的影響主要體現(xiàn)是：閥芯在平衡階段會(huì)出現(xiàn)周期性波動(dòng)現(xiàn)象，閥口流量值不穩(wěn)定。

2) 閥芯在穩(wěn)態(tài)時(shí)的波動(dòng)比值δ/X0隨基礎(chǔ)振動(dòng)幅值A(chǔ)線性增加；只有振動(dòng)頻率超過(guò)20Hz，閥芯波動(dòng)比值δ/X0才隨振動(dòng)頻率的增加而急劇增加。

3) 在振動(dòng)環(huán)境下，選擇較小的阻尼孔徑和較小的閥芯質(zhì)量可以改善閥口流量波動(dòng)現(xiàn)象；在保證流量足夠的前提下應(yīng)盡量選擇剛度較大的彈簧。

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10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.01.003

??研究發(fā)展計(jì)劃(“九七三”計(jì)劃)資助項(xiàng)目(2013CB035404)

2013-12-27；修回日期：2014-03-07

TH137.5; TP391.9

楊忠炯，男，1964年7月生，教授。主要研究方向?yàn)檐囕v傳動(dòng)及液壓元件性能分析。曾發(fā)表《Dynamic characteristics of hydraulic power steering system with accumulator in load-haul-dump vehicle》(《Journal of Central South University of Technology》2004，Vol.11，No.4)等論文。 E-mail：yzj7072@126．com 通信作者簡(jiǎn)介：周振峰，男，1989年11月生，碩士。主要研究方向?yàn)橐簤涸阅芊治觥?E-mail：corpse1114@163.com