變壓差自動恒流閥的仿真研究

□ 張為榮 □ 章 良

中核蘇閥科技實業(yè)股份有限公司 江蘇蘇州 215000

1 研究背景

對于大推力且需要快速關(guān)閉的閥門,一般采用氣液聯(lián)動驅(qū)動裝置控制閥門的啟閉。在這類驅(qū)動裝置中，快關(guān)通道的液壓油流量非常大。為了保持不同的蓄能壓力下快關(guān)的時間接近恒定,需要在快關(guān)通道中串聯(lián)恒流閥。其中，變壓差自動恒流閥較為常用。這一恒流閥具有流量大、出口壓力基本恒定、可自動調(diào)節(jié)開度控制流量等特點,結(jié)構(gòu)較為簡單,功能可靠。

筆者應用AMESim多學科領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真軟件,基于推導和計算得到的數(shù)學模型,分析變壓差自動恒流閥不同的數(shù)值參數(shù)對自身動態(tài)特性的影響,為變壓差自動恒流閥的設(shè)計提供參考。

2 結(jié)構(gòu)與工作原理

變壓差自動恒流閥是一個閉環(huán)自動控制元件,通過對彈簧預緊力與出口壓力的反饋進行比較,自動調(diào)節(jié)槽口的節(jié)流面積,使出口壓力基本恒定，通過的流量也基本恒定。

變壓差自動恒流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，閥上有三個油口:進油口、出油口和卸油口。來自上游的高壓油從進油口進入,經(jīng)閥體腔室從出油口流出,同時通過反饋流道反饋在閥芯左側(cè)的受控腔，對閥芯產(chǎn)生一個向右的液壓推動力,該力與彈簧的預緊力相平衡。當出油口壓力未達到閥的設(shè)定壓力時,閥芯處于最左端,槽口開度最大。當出油口壓力達到閥的設(shè)定壓力時,閥芯動密封的彈簧右移,槽口開度減小,從而實現(xiàn)出油口的穩(wěn)壓和節(jié)流,使出油口的壓力和流量不因進油口壓力的改變而發(fā)生明顯變化。另一方面,閥芯動密封在長期使用后必然有一定的泄漏量,因此卸油口應接至油箱。

▲圖1 變壓差自動恒流閥結(jié)構(gòu)

變壓差自動恒流閥穩(wěn)定工作時,閥芯上的受力是平衡的,力平衡方程式為:

p2Ar=kr(x0+x)

(1)

式中:p2為受控腔壓力;Ar為閥芯端面積;kr為彈簧彈性系數(shù);x0為彈簧預壓縮量;x為閥芯位移。

因為彈簧的預壓縮量x0遠遠大于閥芯位移x,所以式(1)可以簡寫成p2≈krx0/Ar為常數(shù)。

可見,當變壓差自動恒流閥進口壓力大于閥的設(shè)定壓力時,變壓差自動恒流閥閥芯會隨進油口壓力的變化而自動調(diào)整槽口開度,使出油口壓力穩(wěn)定于調(diào)定值,并且通過槽口節(jié)流,使出油口流量穩(wěn)定于定值。

3 數(shù)學模型

為便于建立模型,必須對變壓差自動恒流閥進行適當簡化。進行如下假設(shè):各腔體內(nèi)的溫度和壓力為均勻分布,各腔溫度與環(huán)境溫度近似相等，閥芯運動時不考慮摩擦力。由變壓差自動恒流閥的基本結(jié)構(gòu),可以得到其工作原理，如圖2所示。

▲圖2 變壓差自動恒流閥工作原理

在上述假定條件下,可以得到變壓差自動恒流閥的動態(tài)特性方程。

(1) 變壓差自動恒流閥的滑閥運動方程為:

(2)

式中:mr為閥芯質(zhì)量;Br為阻尼系數(shù);Fs為穩(wěn)態(tài)液動力;t為時間。

Fs=2CdrCdvπDxr(p1-p2)cosαr

(3)

式中:Cdr為流量因子;Cdv為閥口速度因子;D為閥直徑;dr為槽口開度;αr為液流射角,αr=69°;p1為進油口壓力。

(2) 變壓差自動恒流閥的閥體腔室流量方程為：

(4)

式中:ρ為流體介質(zhì)密度;Q1為流經(jīng)閥體腔室的流量；p3為出油口壓力；dmr為槽口最大開度;Qmr為出油口最大流量。

(3) 變壓差自動恒流閥流量連續(xù)性方程為：

(5)

式中:Q0為進油口流量;Q2為受控腔流量；Q3為出油口流量；C1r為泄漏因子;Vr為閥體腔室體積;E為油液體積彈性模量。

(4) 受控腔流量連續(xù)性方程為：

(6)

式中:V2為受控腔體積。

設(shè)阻尼孔中的流動為層流,于是有：

(7)

式中:dc為阻尼孔直徑;Lc為阻尼孔長度;η為油液動力黏度。

4 仿真模型

AMESim軟件的優(yōu)勢在于圖形化建模,通過軟件的機械庫、信號控制庫、液壓庫和液壓元件設(shè)計庫構(gòu)建變壓差自動恒流閥仿真模型,如圖3所示。

▲圖3 變壓差自動恒流閥仿真模型

根據(jù)變壓差自動恒流閥的結(jié)構(gòu)、工作原理及所需研究參數(shù)等，構(gòu)建盡量簡化的仿真模型。仿真模型的主要參數(shù)見表1。

5 仿真分析

5.1 彈簧彈性系數(shù)

仿真中涉及的基本參數(shù)按表1設(shè)定,分別設(shè)定彈簧的彈性系數(shù)為1 100 N/mm、1 300 N/mm、1 500 N/mm、1 700 N/mm、1 900 N/mm。運行AMESim軟件的批處理仿真,得到不同彈簧彈性系數(shù)下變壓差自動恒流閥的流量進口壓力曲線和出口壓力進口壓力曲線,分別如圖4、圖5所示。

表1 變壓差自動恒流閥仿真模型參數(shù)

▲圖4 不同彈簧彈性系數(shù)下流量進口壓力曲線▲圖5 不同彈簧彈性系數(shù)下出口壓力進口壓力曲線

由圖4可以看出,在相同條件下,彈簧彈性系數(shù)越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的流量越大。由圖5可以看出,在相同條件下,彈簧彈性系數(shù)越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的出口壓力越大。彈簧彈性系數(shù)對變壓差自動恒流閥的流量和出口壓力影響較明顯,可以在設(shè)計中調(diào)整彈簧彈性系數(shù)，以滿足液壓系統(tǒng)對流量和壓力的需求。

5.2 彈簧預緊力

仿真中涉及的基本參數(shù)按表1設(shè)定,分別設(shè)定彈簧預緊力為400 N、1 200 N、2 000 N、2 800 N、3 600 N,運行AMESim軟件的批處理仿真,得到不同彈簧預緊力下變壓差自動恒流閥的流量進口壓力曲線和出口壓力進口壓力曲線,分別如圖6、圖7所示。

▲圖6 不同彈簧預緊力下流量進口壓力曲線▲圖7 不同彈簧預緊力下出口壓力進口壓力曲線

由圖6可以看出,在相同條件下,彈簧預緊力越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的流量越大。由圖7可以看出,在相同條件下,彈簧預緊力越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的出口壓力越大。盡管彈簧預緊力取值跨度非常大,但是對于流量和出口壓力的影響與圖4和圖5對應相似,同時表明在相同條件下，與彈簧彈性系數(shù)的改變相比，彈簧預緊力對變壓差自動恒流閥的流量和出口壓力的影響相對較小。因此，在變壓差自動恒流閥的應用過程中，可以通過調(diào)節(jié)彈簧預緊力對變壓差自動恒流閥的流量和壓力特性進行更精密的調(diào)節(jié)。

5.3 初始狀態(tài)槽口開度

仿真中涉及的基本參數(shù)按表1設(shè)定,分別設(shè)定初始狀態(tài)槽口開度為1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm,運行AMESim軟件的批處理仿真,得到不同初始狀態(tài)槽口開度下變壓差自動恒流閥的流量進口壓力曲線和出口壓力進口壓力曲線,分別如圖8、圖9所示。

▲圖8 不同初始狀態(tài)槽口開度下流量進口壓力曲線▲圖9 不同初始狀態(tài)槽口開度下出口壓力進口壓力曲線

由圖8可以看出,在相同條件下,初始狀態(tài)槽口開度越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的流量越大。由圖9可以看出,在相同條件下,初始狀態(tài)槽口開度越大,變壓差自動恒流閥在恒流區(qū)域中的出口壓力越大。初始狀態(tài)槽口開度對變壓差自動恒流閥流量和出口壓力的影響非常明顯,在變壓差自動恒流閥設(shè)計時，對槽口開度應進行精確的計算分析,以確保變壓差自動恒流閥的流量和壓力滿足使用要求。

6 結(jié)束語

經(jīng)過對變壓差自動恒流閥工作原理的分析,推導計算出數(shù)學模型,并基于AMESim多學科領(lǐng)域系統(tǒng)建模與仿真軟件建立變壓差自動恒流閥的仿真模型,對影響變壓差自動恒流閥流量和出口壓力的關(guān)鍵參數(shù)進行仿真分析。

仿真結(jié)果表明,變壓差自動恒流閥初始狀態(tài)槽口開度對變壓差自動恒流閥的流量和壓力特性存在非常大的影響,在設(shè)計中需進行精確的計算和分析,以確定槽口開度。

另外,為使變壓差自動恒流閥的流量和壓力特性滿足使用要求,在設(shè)計時對彈簧彈性系數(shù)也要進行詳細的分析計算。

彈簧預緊力對變壓差自動恒流閥流量和壓力特性的影響相對較小,可以通過調(diào)節(jié)彈簧預緊力對變壓差自動恒流閥的流量和壓力特性進行更精密的調(diào)節(jié)。

變壓差自動恒流閥初始狀態(tài)槽口開度、彈簧彈性系數(shù)、彈簧預緊力三個參數(shù)存在耦合,因此在進行變壓差自動恒流閥的具體設(shè)計時，均需綜合考慮以求得最優(yōu)方案。筆者的研究結(jié)論對變壓差自動恒流閥的設(shè)計具有參考價值。