主動控制的直動式溢流閥壓力特性分析

劉桓龍，季曉偉，柯 堅，吳文海

（西南交通大學 機械工程學院，四川 成都 610031）

1 引言

直動式溢流閥既可單獨使用，也可作為先導式溢流閥的先導閥使用，主要采用溢流閥結構，利用彈簧直接對閥芯加載，調(diào)定其工作壓力。作為一種重要的壓力閥，溢流閥幾乎應用在每個液壓系統(tǒng)中。普通溢流閥閥芯系統(tǒng)的低阻尼特點讓閥芯不容易穩(wěn)定，造成溢流閥的動態(tài)壓力特性較差甚至使得系統(tǒng)不能正常工作。因此，針對溢流閥的不穩(wěn)定現(xiàn)象，眾多學者和工程技術人員進行了大量的研究[1-4]，主要都是探討孔道結構參數(shù)、固定阻尼、閥芯結構和油液含氣量等對溢流閥其振動特性的影響，并提出一些改善振動特性的閥芯結構，未涉及到采用主動控制的方法。

借鑒主動控制的思路，提出采用主動控制提高溢流閥閥芯穩(wěn)定性的方法。在溢流閥前腔增加一個活塞腔，通過主動控制活塞的往復運動，動態(tài)改變溢流閥前腔的容積大小，從而快速平衡壓力波動，使溢流閥具有較強的閥芯穩(wěn)定能力和一定的適應參數(shù)變化的能力。

2 溢流閥主動減振控制的工作原理

溢流閥主動減振控制技術的關鍵內(nèi)容是在溢流閥前腔增加一套可變?nèi)莘e裝置，包括活塞、活塞彈簧、作動器、壓力傳感器、控制器等?？勺?nèi)莘e裝置通過活塞的往復運動，動態(tài)改變溢流閥前腔的容積，來平衡由于外部激勵以及閥芯振蕩帶來的壓力波動，加速閥芯的平衡。主動減振溢流閥的原理結構，如圖1所示。

圖1中，調(diào)壓螺母用于給調(diào)壓彈簧施加預緊力來調(diào)定閥的額定壓力。力傳感器用于檢測調(diào)壓彈簧的預緊力，預緊力與壓力閥的額定壓力成線性關系，可以通過檢測預緊力值得知壓力閥的額定壓力。油壓傳感器用于檢測溢流閥入口的實時油液壓力值。減振過程分成兩個階段。第一階段，入口壓力上升期間，壓力值在控制器閾值以下時，活塞被動運動，由活塞彈簧承擔一級減振；第二階段，壓力上升到控制器閾值以上時，活塞在作動器的驅(qū)動下主動運動，實現(xiàn)溢流閥的主動減振?？刂破鏖撝档脑O定是為了避免溢流閥在壓力上升期間過早觸發(fā)主動減振裝置，只有在入口實時壓力達到閥值后才會觸發(fā)主動減振裝置。依據(jù)溢流閥入口壓力波動范圍設定閾值為額定壓力的0.85倍。

控制器采集力傳感器的數(shù)據(jù)與油壓傳感器的數(shù)據(jù)，并將力傳感器采集到的調(diào)壓彈簧預緊力值轉化為壓力閥工作的額定壓力，作為參考壓力。入口壓力上升到控制器閾值以上時，控制器通過入口實時壓力值與參考壓力值的偏差來控制作動器動作。當入口壓力低于參考壓力時，作動器推動活塞向左運動，通過壓縮前腔容積的方式來提高入口壓力；當入口壓力高于參考壓力時，活塞向右運動，通過增大前腔容積的方式來降低入口壓力。通過改變前腔容積的方式來平衡溢流閥入口壓力，此過程在削弱入口壓力波動的同時，也加快了閥芯的穩(wěn)定。

3 壓力特性仿真分析

以小流量中壓直動式溢流閥為例，利用AMESim軟件初步仿真計算了其壓力動態(tài)特性，分析了主要參數(shù)對其性能的影響，仿真計算模型，如圖2所示。仿真計算的基本參數(shù)，如表1所示。

表1 基本參數(shù)Tab.1 Basic Parameters

利用圖2的模型，設定好相關參數(shù)后，在AMESim中對閥的壓力動態(tài)響應特性進行了仿真計算，為了提高仿真精度，觀察詳細的壓力變化，仿真步長取為0.00001s。對于該結構類型的主動減振溢流閥，減小閥芯的粘性阻尼系數(shù)進行了多次計算，發(fā)現(xiàn)粘性系數(shù)大于1時均能穩(wěn)定，表明該結構具有較強的閥芯穩(wěn)定能力。在相同的參數(shù)條件下，對普通溢流閥也進行了計算，當粘性系數(shù)小于7N/（m·s-1）時，普通溢流閥無法穩(wěn)定，振動很大。為方便比較分析，選擇在普通溢流閥能夠穩(wěn)定的情況下進行對比，取閥芯的粘性系數(shù)為10N/（m·s-1）。計算主動減振溢流閥的壓力響應曲線，并把普通溢流閥的曲線繪制在一起，如圖3所示。由圖3中可以看出，普通溢流閥由于閥芯的低阻尼特性，在初始激勵下不易穩(wěn)定，壓力波動的幅值也較大，而主動減振溢流閥壓力波動幅值小，穩(wěn)定速度快。并且主動減振裝置的存在不影響溢流閥的額定工作壓力。由于活塞彈簧一級減振的存在，使得壓力上升時間略微增加。

圖3 普通錐閥與主動減振錐閥的壓力響應對比Fig.3 General Cone Valve and Active Control Cone Valve Pressure Response Comparison

4 活塞結構參數(shù)對壓力特性的影響

4.1 活塞直徑的影響

考慮到溢流閥前腔的尺寸限制，活塞直徑不能太大，針對4mm、6mm、8mm的小直徑活塞進行仿真分析，得到壓力動態(tài)響應曲線，如圖4所示。由于壓力在未上升到控制器閾值時，不觸發(fā)作動器，活塞彈簧承擔了一級減振。因此活塞直徑越大，活塞彈簧的受力越大，壓縮量增大，壓力上升時間略微增加。但是，在增大活塞直徑的同時，也會帶來作動器產(chǎn)生單位位移時溢流閥前腔體積變化量的增大，能夠更有效地平衡入口壓力，穩(wěn)定閥芯。為彌補上升時間增加的不足，在選擇大的活塞直徑時可以匹配較大剛度的活塞彈簧。

圖4 活塞直徑對壓力響應的影響Fig.4 Effect of Piston Diameter on the Pressure Response

4.2 活塞彈簧的影響

活塞彈簧用于平衡作動器的受力，保證溢流閥壓力穩(wěn)定后作動器可以不輸出力。由于在未觸發(fā)作動器主動運動階段，活塞彈簧會產(chǎn)生一定的壓縮量，作動器被動運動。在選擇活塞彈簧的剛度時，要考慮作動器的位移限制，彈簧剛度過小則會超出作動器的位移范圍；剛度過大則會導致作動器主動運動階段所需要的輸出力過大，因此要選擇合適的活塞彈簧剛度。針對3MPa的工作壓力和6mm的活塞直徑，計算得出活塞彈簧的剛度在（10～20）N/mm的范圍內(nèi)比較合理。對10N/mm、15/mm、20/mm的活塞彈簧剛度進行仿真分析。圖5中可以看出，活塞彈簧的剛度對溢流閥入口的壓力動態(tài)特性影響不大，但是要做好與活塞直徑以及作動器輸出力范圍的合理匹配。

圖5 活塞彈簧的剛度對壓力響應的影響Fig.5 The Piston Spring Stiffness on the Influence of Pressure Response

5 不同工況下的適應能力分析

5.1 不同的額定工作壓力

在保證溢流閥其它參數(shù)相同的情況下，分析彈簧預緊力分別為300N、1000N、2200N時的壓力響應特性。普通溢流閥在中、高壓下由于較強的激勵與低阻尼，往往不能穩(wěn)定，或穩(wěn)定較慢。從圖6中可以看出主動減振溢流閥在低、中、高壓下都能很快穩(wěn)定，且壓力波動幅值小。但由于額定壓力的增大會帶來活塞彈簧受力的增加，因此在一級減振階段中，由于低的活塞彈簧剛度會導致壓力上升時間的增加，因此在高壓場合使用時可以考慮適當增加活塞彈簧的剛度。

圖6 不同工作壓力下的適應能力Fig.6 The Ability to Adapt to Different Working Pressure

5.2 不同工作流量

為考察主動減振溢流閥對不同工作流量的適應能力，針對10L/min、25L/min、40L/min三種不同工作流量進行了仿真分析。

圖7 不同工作流量下的適應能力Fig.7 The Ability to Adapt to Different Work Flow

溢流閥的結構參數(shù)限制了其工作的流量范圍，因此只能在一定流量范圍內(nèi)考察其工況適應能力。如圖7所示，主動減振溢流閥能夠在不同工作流量下快速穩(wěn)定閥芯，且壓力波動小。

5.3 不同油液體積彈性模量

在該主動減振系統(tǒng)中，體積彈性模量直接影響油液體積壓縮時的壓力上升特性，因此需要考察主動減振溢流閥對不同油液體積彈性模量的適應能力。針對800MPa、1100MPa、1700MPa三種油液體積彈性模量進行分析，結果如下。普通溢流閥在油液體積彈性模量過小時很難穩(wěn)定，如圖8所示。主動減振溢流閥在不同體積彈性模量下都能很快穩(wěn)定，表明主動減振效果對油液的體積彈性模量不敏感。

圖8 不同體積彈性模量下的適應能力Fig.8 The Ability to Adapt to Different Bulk Modulus

6 結論

（1）主動減振溢流閥具有較好的壓力動態(tài)穩(wěn)定特性，在閥芯粘性系數(shù)較小的情況下仍可以處于穩(wěn)定狀態(tài)。通過計算發(fā)現(xiàn)，活塞直徑是影響減振性能的關鍵參數(shù)，作動器的位移范圍與輸出力范圍限制了活塞彈簧的剛度，要做好三者之間的匹配關系。（2）設計的主動減振溢流閥能夠適用于低、中、高壓，不同的工作流量以及不同的油液體積彈性模量的場合，克服普通溢流閥在不同工況下適應能力差的缺點。

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