先導(dǎo)式油控水閥的建模與分析

李光輝，吳來友，吳培龍，肖德琳

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

先導(dǎo)式油控水閥的建模與分析

李光輝，吳來友，吳培龍，肖德琳

（山東勝利鋼管有限公司，山東 淄博 255082）

為了確保大直徑鋼管水壓試驗中高低壓切斷、放氣、卸載等功能的準(zhǔn)確控制，進(jìn)一步降低油控水閥的故障率，使用Solidworks和AMEsim平臺建立了一種先導(dǎo)式油控水閥模型，研究了閥芯質(zhì)量、閥芯夾角、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數(shù)對先導(dǎo)式油控水閥的性能影響。研究結(jié)果顯示，減小主閥芯的質(zhì)量、盡量減小閥芯夾角、采用彈性柱銷體替代彈簧、減小阻尼孔的孔徑等手段可有效提高油控水閥的使用壽命。仿真及驗證表明，先導(dǎo)式水閥的受力情況、響應(yīng)速度、使用壽命等性能指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的油控水閥，并可顯著降低加工、維修成本。

油控水閥；AMEsim；水壓試驗

1 鋼管水壓試驗中油水系統(tǒng)的現(xiàn)狀

在對鋼管進(jìn)行水壓試驗時，打壓的過程為先對鋼管管體充低壓水，同時打開放氣閥進(jìn)行排氣，排氣結(jié)束后，放氣閥關(guān)閉，同時壓力切斷，低壓水轉(zhuǎn)換為高壓水，開始打壓試驗。打壓試驗結(jié)束后，卸荷閥打開，泄壓幾秒后松開鋼管，打壓結(jié)束。上述的放氣、壓力切斷及卸載過程均需要特殊元件來完成動作，一種是梭閥，這種結(jié)構(gòu)適用于高壓小直徑無縫鋼管打壓，因其打壓介質(zhì)為乳化液，對于大直徑焊管來說，使用梭閥的故障率偏高，基本不予以采用。另一種是油控水閥，通過油控水閥來完成打壓試驗中的壓力切斷、放氣及卸載動作。

油控水閥的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示，通過一個液壓缸帶動一套水閥閥桿，閥桿頂下時封死進(jìn)水口，從而達(dá)到切斷水源的目的。這種結(jié)構(gòu)的油控水閥目前大量應(yīng)用在不同規(guī)格的水壓機(jī)上。

圖1 油控水閥結(jié)構(gòu)示意圖

2 先導(dǎo)式油控水閥的結(jié)構(gòu)模型建立

所謂先導(dǎo)控制，是指控制系統(tǒng)中有兩個不同大小的閥芯，小閥芯為先導(dǎo)閥芯，大閥芯為主閥芯，并可以形成先導(dǎo)級和主級兩個調(diào)節(jié)回路。圖2為一種先導(dǎo)式油控水閥的裝配圖，圖3為這種油控水閥的爆炸裝配圖。其中，水閥與液壓缸通過閥桿的上端進(jìn)行連接。當(dāng)需要對水源切斷時，液壓缸伸出帶動閥桿頂住先導(dǎo)閥芯，同時先導(dǎo)閥芯和穩(wěn)壓彈簧同時施力于主閥芯上，達(dá)到切斷的效果。當(dāng)需要將水閥打開時，液壓缸退回帶動先導(dǎo)閥芯上移，經(jīng)過一段時間后至閥桿固定套處，同時壓力從主閥芯上的小孔卸載，從而在低載狀態(tài)下帶動先導(dǎo)閥芯上提，達(dá)到開啟放水的效果。

圖2 先導(dǎo)式油控水閥裝配圖

圖3 先導(dǎo)式油控水閥爆炸裝配圖

傳統(tǒng)油控水閥雖然結(jié)構(gòu)簡單，操作容易，但自身存在一些缺點，例如，由于水壓通常在十幾兆帕甚至二十幾兆帕，通常施加在閥桿上的力很大，容易造成機(jī)構(gòu)的疲勞磨損。另外，油缸為了能夠克服這十幾兆帕或者二十幾兆帕的力做功，通常需要施加更大的壓力作為保證，這樣使系統(tǒng)壓力不可避免地升高，系統(tǒng)密封件也就承受了非常高的力，所以這種水閥的閥芯和閥體極易損壞，且加工維修的成本較高。先導(dǎo)式油控水閥正好可以很好地優(yōu)化這些不足。

設(shè)傳統(tǒng)油控水閥的閥芯直徑為D1，閥桿直徑為d1，閥芯長度為l，水壓壓力為p1，驅(qū)動油缸的缸徑為D2，驅(qū)動油缸的桿徑為d2，驅(qū)動油缸壓力為p2，先導(dǎo)式水閥的二級閥芯直徑也是D1，閥芯長度為l，一級閥芯的直徑為D0，閥桿直徑為d0，驅(qū)動油缸的缸徑為D2，驅(qū)動油缸的桿徑為d2，驅(qū)動油缸壓力為p0，D1閥芯的質(zhì)量為G，則有

將式（1）和式（2）相減可得

其中，（D21-d21）-（D20-d20）為正，可得 p2>p0，可知這種先導(dǎo)式兩級油控水閥所需要的啟動壓力要遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)的油控水閥，且主閥芯和先導(dǎo)閥芯的面積比相差越大，啟動壓力越小。

3 先導(dǎo)式油控水閥AMEsim建模及分析

3.1 模型的建立

AMEsim是一種工程系統(tǒng)高級建模和仿真平臺軟件，它是基于直觀圖形界面的平臺。因為水壓試驗系統(tǒng)壓力和流量變化非常強(qiáng)烈，且期望模型能夠有更好地擴(kuò)展，所以使用AMEsim來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的Matlab建模是一種值得探索的方法。

圖4 先導(dǎo)式油控水閥的AMEsim模型

表1 先導(dǎo)式油控水閥各元件的參數(shù)設(shè)定

圖4為采用AMEsim建立的先導(dǎo)式油控水閥的HCD庫模型，各元件設(shè)定的基本參數(shù)見表1。圖4中1、2號元件作為系統(tǒng)負(fù)載，3、4號元件為系統(tǒng)內(nèi)阻尼孔（對應(yīng)阻尼孔開閥芯3上），5、6、7號元件為主閥芯元件，8、9號元件為先導(dǎo)閥芯元件，10、11、12、13、14號元件為油控系統(tǒng)，15號元件為水介質(zhì)參數(shù)，16號元件為油介質(zhì)參數(shù)。

3.2 不同質(zhì)量主閥芯動態(tài)特性分析

圖5為主閥芯質(zhì)量分別為2 kg、5 kg、10 kg時閥芯受力動態(tài)分析。從圖5中可以看出，質(zhì)量對閥芯的受力沖擊基本不存在影響，所以在設(shè)計加工時，可以將主閥芯的質(zhì)量盡量降低，從而降低整個閥體的質(zhì)量。

圖5 不同質(zhì)量主閥芯的受力曲線

3.3 不同閥芯夾角動態(tài)特性分析

圖6為主閥芯及先導(dǎo)閥閥芯夾角分別為30°、45°、60°情況下的受力曲線。因本系統(tǒng)在0.5 s后進(jìn)行換向動作使閥芯開啟，可以看出，在0.5 s后，當(dāng)閥芯夾角為30°時，受力變化量相對較小，這時的沖擊較小，可以有效延長水閥的壽命。所以在工藝允許的情況下，可以通過盡量減小閥芯夾角來增加此設(shè)備的可靠度。

圖6 不同閥芯夾角下的主閥芯和先導(dǎo)閥芯受力曲線

3.4 彈簧剛度不同時的動態(tài)特性分析

圖7為彈簧剛度不同時主閥閥口的壓降曲線，彈簧剛度分別設(shè)定為10 N/mm、100 N/mm、1 000 N/mm。從圖7可以看出，當(dāng)彈簧剛度越大時，開啟后的曲線約平穩(wěn)，壓降越小，所造成的沖擊也越小，同樣可以延長設(shè)備的使用壽命。但是彈性系數(shù)較高的彈簧通常都是鋼質(zhì)，不耐流動水的沖刷腐蝕。在設(shè)計中可以考慮近年來應(yīng)用較多的彈性柱銷體作為彈簧的替代品，從而優(yōu)化水閥的動態(tài)特性，延長水閥的使用壽命。

圖7 彈簧剛度不同情況下主閥芯壓降曲線

3.5 不同阻尼孔直徑下的先導(dǎo)閥流量曲線

圖8為阻尼孔直徑分別為1.5 mm、2 mm、2.5 mm情況下的先導(dǎo)閥流量曲線。從圖8中可以看出當(dāng)阻尼孔孔徑越大時，先導(dǎo)閥開啟時的流量突變越大，對閥芯所造成的沖擊也越大，影響水閥的壽命。所以，如果工藝允許，需要將阻尼孔的孔徑盡量減小，有助于提高水閥的壽命。

圖8 阻尼孔直徑不同情況下的先導(dǎo)閥流量曲線

4 結(jié)束語

通過Solidworks建立油控水閥的結(jié)構(gòu)模型，用AMEsim建立了系統(tǒng)的動態(tài)模型，得出了閥芯質(zhì)量、閥芯夾角、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數(shù)對這種水閥的性能影響。研究及實踐表明，這種先導(dǎo)式水閥的受力、響應(yīng)速度、使用壽命等指標(biāo)均優(yōu)于傳統(tǒng)的油控水閥。本研究的相關(guān)分析結(jié)果對今后油控水閥的選型、設(shè)計及其優(yōu)化提供了參考。

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Modeling and Analysis of Pilot-operated Type Oil Control Water Valve

LI Guanghui,WU Laiyou,WU Peilong,XIAO Delin
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

In order to ensure accurate control some functions of large diameter steel pipe in hydrostatic test,such as cutting off high and low pressure,deflating,unloading,and so on,further reduce the failure rate of oil control water valve,a kind of pilot-operated type oil control water valve model was established by using Solidworks and AMEsim platforms,and the influence of some parameters on the performance of oil control water valve was studied,incluing valve core quality,the included angle of valve core,spring stiffness,damping hole diameter etc.The results indicated that reducing the quantity of main valve core,decreasing the included angle of valve core,adopting elastic dowel pin instead of spring,reducing the damping hole diameter and other measures can effectively improve the service life of oil control water valve.Simulation and validation showed that the force situation,response speed and the service life of the pilot-operated valve are superior to the traditional oil control water valve,and can significantly reduce the processing,maintenance cost.

oil control water valve;AMEsim;hydrostatic test

TH137

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.004

李光輝（1986— ），男，山東淄博人,工程師，主要從事螺旋焊管設(shè)備的技術(shù)管理工作。

2016-07-15

黃蔚莉