先導(dǎo)式純水溢流閥仿真與試驗研究

1、機 械 工 程 學(xué) 報JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 46卷第 24期 2010年 12月Vol.46 No.24 Dec. 2010先導(dǎo)式純水溢流閥仿真與試驗研究 *弓永軍 1 王祖溫 1 徐 杰 1 張增猛 1, 2(1. 大連海事大學(xué)船舶機電裝備研究所 大連 116026; 2. 浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室 杭州 310027摘要 :針對具有高壓引流和二級節(jié)流新型結(jié)構(gòu)閥口的先導(dǎo)式純水溢流閥進行仿真和試驗研究,建立閥的 AMESim 仿真模型, 分析先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙、阻尼孔直徑、敏感腔體積、閥芯質(zhì)量以及彈簧剛度等不同參數(shù)對先導(dǎo)式純水溢流閥特性

2、的影響,在純 水液壓綜合性能試驗臺上進行先導(dǎo)式純水溢流閥的靜動態(tài)試驗,并對仿真和試驗結(jié)果進行對比分析。仿真與試驗結(jié)果表明, 液阻直徑是先導(dǎo)式純水溢流閥最主要的影響參數(shù), 而閥芯質(zhì)量變化的影響則基本可以忽略; 在小于 20 L/min的小流量工況下 的定壓精度較低,而大于 20 L/min的大流量工況下的定壓精度較高;閥的動態(tài)響應(yīng)試驗表明,入口壓力超調(diào)量小于 30%,并 且壓力上升時間小于 80 ms。關(guān)鍵詞 :先導(dǎo)式純水溢流閥 影響參數(shù) 靜動態(tài)仿真 靜動態(tài)試驗 中圖分類號 :TH137.52Simulation and Experiments Study on Water Hydraulic

3、PressureRelief Valve with Pilot StageGONG Yongjun1 WANG Zuwen 1XU Jie 1 ZHANG Zengmeng 1, 2(1. Institute of Shipping Electro Mechanics Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026;2. The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027Abstrac

4、t : The simulation and experiments on pilot-operated water hydraulic relief valve are carried out in our lab. The structure of the main valve port is characterized with high-pressure induct and two-step restrictor. The AMESim model of the valve is built. The influence parameters, such as guide clear

5、ance of pilot valve, diameter of damping orifice, volume of sensitive cavity, mass of valve core, and spring stiffness, are investigated through simulation. The static and dynamic experiments are carried out on the water hydraulic comprehensive test-rig to test the valve performance. The simulation

6、and test results are compared and analyzed, which shows that the effect of spool mass can be neglected, but the diameter of damping orifice has great effect. The setting-pressure accuracy is low at small flow rate below 20 L/min, but the high accuracy is achieved over 20 L/min. The experiments about

7、 valve dynamic response show that the overshoot of inlet pressure is no more than 30% and the pressure rise time is less than 80 ms. Key words:Pilot-operated water hydraulic relief valve Influence parameter Static and dynamic simulationStatic and dynamic experiments0 前言純水液壓技術(shù)以過濾后的自然水為工作介質(zhì) 實現(xiàn)動力傳遞,不含任

8、何添加劑,具有來源廣泛、 環(huán)境友好、清潔安全的獨特優(yōu)勢,是國際上流體傳 動與控制領(lǐng)域最新的發(fā)展方向之一 1。其中先導(dǎo)式 溢流閥作為純水液壓系統(tǒng)壓力調(diào)節(jié)的關(guān)鍵元件,亦 成為了研究重點。先導(dǎo)式純水溢流閥為準確地控制純水液壓系 國 家 自 然 科 學(xué) 基 金 (50805011和 中 央 高 校 基 本 科 研 業(yè) 務(wù) 費 專 項(2009QN051資助項目。 20091222收到初稿, 20100620收到修改稿統(tǒng)中的壓力,必須具有足夠的控制精度和動態(tài)品 質(zhì) 2。與礦物油相比,水具有腐蝕性強、粘度低、 汽化壓力高等特點,因此研制先導(dǎo)式純水溢流閥時 要克服氣蝕、 腐蝕、 磨損和泄漏等關(guān)鍵技術(shù)問題 3

9、-4。 為解決上述問題,設(shè)計出了具有高壓引流和二級節(jié) 流的結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式純水溢流閥。在 AMESim 軟件中, 該閥的上述結(jié)構(gòu)無法用單 個元件表示,須通過多個元件的組合來表示。本文 對先導(dǎo)式純水溢流閥的靜動態(tài)特性進行了仿真,并 將仿真結(jié)果與試驗結(jié)果進行對比分析。仿真中,發(fā) 現(xiàn)閥內(nèi)部參數(shù)改變,引起閥入口壓力的改變,但不 同的參數(shù)引起變化的程度不同,文中分析了主要影2010年 12月 弓永軍等:先導(dǎo)式純水溢流閥仿真與試驗研究137響參數(shù)引起變化的原因。 1 先導(dǎo)式純水溢流閥結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型 1.1 先導(dǎo)式純水溢流閥的結(jié)構(gòu)分析 先導(dǎo)式純水溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖 1所示。本閥包 括橢球閥口的主閥和錐形閥口的先導(dǎo)

10、閥,以及先導(dǎo) 閥液阻 5和主閥液阻 10。 該閥的結(jié)構(gòu)特點是為減輕 氣蝕,在主閥閥芯設(shè)有高壓引流孔,以及依靠閥芯 和閥套的共同作用進行二級節(jié)流。為減少泄漏,本 閥采用 O 形圈密封。 圖 1 先導(dǎo)式純水溢流閥結(jié)構(gòu)簡圖 1. 調(diào)壓螺栓 2. 先導(dǎo)閥彈簧 3. 先導(dǎo)閥閥芯 4. 先導(dǎo)閥閥套 5. 先導(dǎo)閥液阻 6. 主閥彈簧 7. O 形密封圈 8. 主閥閥套 9. 主閥閥芯 10. 主閥液阻 11. 高壓引流孔 12. 閥體1.2 先導(dǎo)式純水溢流閥的數(shù)學(xué)模型在建立數(shù)學(xué)模型時,只考慮閥自身的結(jié)構(gòu)參 數(shù),而忽略閥測試系統(tǒng)中管路與其他零件對其動態(tài) 特性的影響,同時假定溢流閥的出口壓力為零,則 溢流閥的動

11、態(tài)特性如下所述 5。主閥口錐閥形式的流量方程3 33 q = 110x L x L <<> (1 22s d s 1(3sin cos 2cos D A D x = 式中 q 3 流 經(jīng)主閥的錐閥閥口流量A d 主 閥口打開后流通面積 L 遮 蔽量 D s 錐 閥端直徑 主 閥錐閥與閥套的配合間隙 動 力粘滯 x 1 閥 芯移動位移 C d 錐 閥的流量系數(shù) p 1 入 口處的壓力 p 3 主 閥一級節(jié)流后的壓力 流 體密度 錐 閥的錐度主閥高壓引流孔的流量方程4h 08x q C =式中 q 4 流 經(jīng)主閥的高壓引流孔流量C h 高 壓引流孔流量系數(shù) D h 高 壓引流孔直

12、徑主閥二級節(jié)流口的流量方程25bq C = (3式中 q 5 流 過主閥二級節(jié)流口的流量 C b 球 閥流量系數(shù) D b 球 閥直徑主閥二級節(jié)流口的流量連續(xù)性方程534q q q =+ (4 主閥液阻的流量方程2qq C = (5式中 q 2 流 過液阻 7的流量C q 液 阻流量系數(shù) D O1 液 阻直徑 p 2 敏 感腔壓力主閥芯的流量連續(xù)性方程1234q q q q =+ (6 式中, q 1為主閥入口流量。主閥芯的力平衡方程pp1K10W1m111p 111F F F F m x B xk x =+ (7pp1311112213=F p A p A p A 式中 F pp1 主閥液動力

13、A 11 主閥入口面積 A 12 主閥一級節(jié)流后壓力的有效作用 面積 A 13 敏感腔面積 F K10 主閥彈簧的彈簧預(yù)緊力 F W1 主閥閥芯液動力 F m1 主閥閥芯受到的摩擦力 m 1 主閥閥芯質(zhì)量 B p 粘滯阻力系數(shù) k 1 主閥彈簧彈性系數(shù)2W1d12F C p =機 械 工 程 學(xué) 報 第 46卷第 24期138 考慮靜摩擦力與庫侖摩擦力,按 Stribecks 模 型 6有(m11co st co 1r 1sgn( (exp F x F F F x F x=+ 式中 速度模型系數(shù)F st 主閥芯的靜摩擦力 F co 主閥芯的庫侖摩擦力先導(dǎo)閥的流量連續(xù)性方程267q q q =+

14、(8 式中 q 6 流 經(jīng)先導(dǎo)閥右端間隙的流量q 7 先 導(dǎo)閥流出流量 A 2 敏 感腔面積A 6 先 導(dǎo)閥右端面積 x 2 先 導(dǎo)閥閥芯的位移先導(dǎo)閥導(dǎo)向端的流量方程2667( 12D q p p L = (9式中 D 先 導(dǎo)閥導(dǎo)向端的直徑 先 導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙 L 先 導(dǎo)閥導(dǎo)向端的長度 p 6 先 導(dǎo)閥腔的壓力 p 7 流 經(jīng)先導(dǎo)閥導(dǎo)向端后的壓力先導(dǎo)閥錐形閥口的流量方程 7d q C = (10式中 D t 先 導(dǎo)閥左端錐閥閥套直徑 先 導(dǎo)閥左端錐閥錐度x 2 先 導(dǎo)閥閥芯運動位移先導(dǎo)閥的力平衡方程pp2K20W2m222m1222F F F F m x B xk x =pp2721622623

15、F p A p A p A =+ (11式中 F pp2 先導(dǎo)閥閥芯所受液壓力 A 21 先導(dǎo)閥導(dǎo)向端后的面積 A 22 先導(dǎo)閥導(dǎo)向端前的面積 A 23 先導(dǎo)閥腔左端的面積 F W2 先導(dǎo)閥閥芯穩(wěn)態(tài)液動力 F K20 先導(dǎo)閥彈簧的彈簧預(yù)緊力 F m2 先導(dǎo)閥閥芯受到的摩擦力 m 2 先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量 B m1 粘滯阻力系數(shù)2 AMEsim模型在上述模型中忽略了水的壓縮性,同時沒有考 慮閥內(nèi)流道的流阻、壓力容腔的體積以及某些小容腔由于體積變化而產(chǎn)生的流量變化。但是上述忽略內(nèi)容在 AMESim 中通過簡單設(shè)置就得到充分的考 慮,可以減少這些因素帶來的誤差。圖 2所示為 AMESim 中建立的先導(dǎo)式純

16、水溢流閥仿真模型。主 閥閥芯為橢球閥口,在結(jié)構(gòu)上可認為由多個不同形 式閥口經(jīng)過并聯(lián)與串聯(lián)構(gòu)成,因此模型中可用圓錐 面節(jié)流閥口、滑閥遮孔和球閥閥口組合代替。圖 2 先導(dǎo)式純水溢流閥的 AMESim 仿真模型3 仿真結(jié)果與分析3.1 先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙 的影響溢流閥的先導(dǎo)閥部分設(shè)有阻尼腔,以提高先導(dǎo)如果你只能記住一條可用性原則,那么就記住這一條。它意味著,設(shè)計者應(yīng)該盡量做到,當(dāng)我看一個頁面時,它應(yīng)該是 不言而喻、一目了然、自我解釋 的。網(wǎng)頁上每項內(nèi)容都有可能迫使我們停下來,進行不必要的思考。另一個不必要的問號來源是那些 看起來不太明顯的鏈接和按鈕。 作為一個用戶, 永遠不該讓我花上幾微秒去思考某個東西

17、是否能點擊。 當(dāng)我們訪問 Web 時, 每個問號都會加重我們的認知和負擔(dān), 把我們的注意力從要完成的任務(wù)上拉 開。這種干擾或許很輕微但它們會積累起來。有時候,在進行一些嶄新的,開拓性的或者非常復(fù)雜的頁面設(shè)計時,也許只能做到“自我解釋” 。 在一個自我解釋的頁面中,用戶需要花一點點時間去了解 但只需要一點點時間。頁面元素的外觀、 精心選擇的名稱、頁面布局以及少量仔細斟酌過的文字,它們綜合在一起將創(chuàng)造出一種接近瞬間的識 別效果。第二章 我們實際上是如何使用 W EB 的 掃描,滿意即可,勉強應(yīng)付第一個事實:我們不是閱讀,而是掃描我們?yōu)槭裁磼呙?1. 我們總是處于忙碌之中2. 我們知道自己不必閱讀所

18、有的內(nèi)容3. 我們善于掃描第二個事實:我們不作最佳選擇,而是滿意即可為什么 Web 用戶不尋找最佳選擇呢?1. 我們總是處于忙碌之中2. 如果猜錯了,也不會產(chǎn)生什么嚴重后果在網(wǎng)站上做了一次錯誤選擇的后果通常只是點擊幾次后退按鈕,這樣也使得滿意策略成 為一項有效的策略。3. 對選擇進行權(quán)衡并不會改善我們的機會4. 猜測更有意思第三個事實:我們不是追根究底,而是勉強應(yīng)付為什么呢?1. 這對我們來說并不重要。 圖 4 不同液阻直徑仿真結(jié)果 圖 5 不同敏感腔體積仿真結(jié)果3. 把頁面劃分成明確定義的區(qū)域4. 明顯標識可以點擊的地方5. 最大限度降低干擾第四章 動物、植物、無機物 為什么用戶喜歡無需思考

19、的選擇 點擊多少次都沒關(guān)系,只要每次點擊都是無需思考、明確無誤的選擇 Krug 可用性第二定律經(jīng)驗準則:三次無需思考、明確無誤的惦記相當(dāng)于一次需要思考的點擊。第五章 省略不必要的文字 不要再 W EB 上寫作的藝術(shù)在仿真時,閥芯質(zhì)量分別設(shè)為:其一,先導(dǎo)閥 閥芯質(zhì)量 m 2=0.006 2 kg、主閥閥芯質(zhì)量 m 1=0.062 kg ;其二,先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量 m 2=0.01 kg、主閥閥芯 質(zhì)量 m 1=0.1 kg。 圖 6為主閥閥口壓力 p 在不同閥芯 質(zhì)量下的仿真結(jié)果,通過分析可知:不同的閥芯質(zhì) 量對于閥入口的壓力幾乎沒有影響。去掉沒有人會看的文字有幾個好處:1. 可以降低頁面的噪聲2.

20、 讓有用的內(nèi)容更加突出3. 讓頁面更簡短,讓用戶在每個頁面上一眼就能看見更多的內(nèi)容,而不必滾動屏幕第六章 街頭指示牌和面包屑 設(shè)計導(dǎo)航記住下面的事實:如果在網(wǎng)站上找不到方向,人們不會使用你的網(wǎng)站。網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)航 101法則1. 你通常是為了尋找某個目標2. 你會決定先詢問還是先瀏覽(Web 上等價的詢問服務(wù)是搜索3. 如果選擇瀏覽,你將通過標志的引導(dǎo)在層次結(jié)構(gòu)中穿行。4. 最后,如果找不到想要的東西,你會離開被忽視了的導(dǎo)航用途 :1. 它給了我們一些固定的感覺2. 它告訴我們當(dāng)前的位置3. 它告訴我們?nèi)绾问褂镁W(wǎng)站4. 它給了我們對網(wǎng)站建造者的信心關(guān)于搜索 : 圖 8 先導(dǎo)式純水溢流閥壓力流量特性曲線

21、月 2010 年 12 月 弓永軍等：先導(dǎo)式純水溢流閥仿真與試驗研究 141 O 形密封圈在運動時與閥套產(chǎn)生摩擦引起的，尤其 說明在小流量時， 當(dāng)流量低于 20 L/min 時誤差更大， 摩擦力對于靜態(tài)特性的影響更大。 4.2 先導(dǎo)式純水溢流閥的動態(tài)仿真與試驗比較 分析 在先導(dǎo)式純水溢流閥試驗系統(tǒng)中，將被試閥壓 力調(diào)定在 10 MPa、14 MPa 下，調(diào)定被試閥的入口 利用開關(guān)閥的通斷產(chǎn)生流量的階 流量為 120 L/min， 躍， 測量被試閥的入口壓力可得壓力響應(yīng)特性曲線； 在先導(dǎo)式純水溢流閥系統(tǒng)仿真模型中， 同樣設(shè)定入口 壓力為 10 MPa、14 MPa，入口流量為 120 L/min

22、，輸 入流量階躍脈沖，可得到壓力響應(yīng)特性的仿真曲線 (圖 9。 定流量脈沖時，溢流閥的入口壓力迅速提升至最大 峰值，然后振蕩衰減至調(diào)定壓力，這是由于溢流閥 本身屬于典型的質(zhì)量阻尼彈簧系統(tǒng)，其先導(dǎo)級 和功率放大級的傳遞函數(shù)均含有二階的阻尼振蕩環(huán) 節(jié)，因而其動態(tài)特性也具有二階振動衰減的特點。 與試驗結(jié)果相比，仿真結(jié)果在壓力上升階段的響應(yīng) 更快，且仿真結(jié)果比試驗結(jié)果的壓力超調(diào)量更大， 這是由于仿真模型中的摩擦力所致。溢流閥基本上 是一個二階系統(tǒng)，當(dāng)考慮流體壓縮性后，系統(tǒng)阻尼 系數(shù)將明顯減少，但超調(diào)會增大，這點也可以從試 驗曲線中看出。 圖 9b 所示為 14 MPa 下壓力響應(yīng)特性的仿真與 試驗結(jié)果

23、比較，同樣可以看出：當(dāng)先導(dǎo)式純水溢流 閥給定脈沖時，被試溢流閥的入口壓力迅速提升至 最大峰值，然后振蕩衰減至調(diào)定壓力，具有二階振 動衰減的特點， 但由于壓力的升高， 仿真結(jié)果與試 驗結(jié)果在壓力上升階段的誤差更大，說明壓力越高 閥芯摩擦力對于動態(tài)特性的影響越大。同樣由仿真 結(jié)果可以看出： 在相同壓力等級下， 隨著流量增大， 被試閥的壓力響應(yīng)時間減少，壓力超調(diào)量也減少。 5 結(jié)論 (1 通過對先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙、液阻直徑、敏感 腔體積、 閥芯質(zhì)量以及彈簧剛度等不同參數(shù)的仿真， 可以得知，影響最大的參數(shù)為液阻直徑，其次為導(dǎo) 向間隙，閥芯質(zhì)量幾乎無影響。 (2 閥在小于 20 L/min 的小流量工況下的定壓 精度較低，而在大于 20 L/min 的大流量工況下的定 壓精度較高。 (3 先導(dǎo)式純水溢流閥在調(diào)整壓力 10 MPa 和 14 MPa 下， 壓力超調(diào)量低于 30%， 壓力上升時間低