先導(dǎo)式油水溢流閥仿真與試驗(yàn)研究

先導(dǎo)式油水溢流閥仿真與試驗(yàn)研究

0先導(dǎo)式純水溢流閥的設(shè)計(jì)該柴油技術(shù)以過(guò)濾后的天然水為工作介質(zhì)實(shí)現(xiàn)動(dòng)力傳輸，不含任何添加劑。它具有來(lái)源廣泛、環(huán)境友好、清潔安全等特點(diǎn)。這是國(guó)際能源運(yùn)動(dòng)和控制領(lǐng)域最新的發(fā)展方向之一。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(diǎn)。先導(dǎo)式純水溢流閥為準(zhǔn)確地控制純水液壓系統(tǒng)中的壓力,必須具有足夠的控制精度和動(dòng)態(tài)品質(zhì)。與礦物油相比,水具有腐蝕性強(qiáng)、粘度低、汽化壓力高等特點(diǎn),因此研制先導(dǎo)式純水溢流閥時(shí)要克服氣蝕、腐蝕、磨損和泄漏等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。為解決上述問(wèn)題,設(shè)計(jì)出了具有高壓引流和二級(jí)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(wú)法用單個(gè)元件表示,須通過(guò)多個(gè)元件的組合來(lái)表示。本文對(duì)先導(dǎo)式純水溢流閥的靜動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真,并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)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,文中分析了主要影響參數(shù)引起變化的原因。1先水開(kāi)采閥的結(jié)構(gòu)與數(shù)學(xué)模型之間的關(guān)系1.1普通日壓閥先導(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)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(diǎn)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(jìn)行二級(jí)節(jié)流。為減少泄漏,本閥采用O形圈密封。1.2高壓引流孔流量在建立數(shù)學(xué)模型時(shí),只考慮閥自身的結(jié)構(gòu)參數(shù),而忽略閥測(cè)試系統(tǒng)中管路與其他零件對(duì)其動(dòng)態(tài)特性的影響,同時(shí)假定溢流閥的出口壓力為零,則溢流閥的動(dòng)態(tài)特性如下所述。主閥口錐閥形式的流量方程式中q3——流經(jīng)主閥的錐閥閥口流量Ad——主閥口打開(kāi)后流通面積L——遮蔽量Ds——錐閥端直徑δ——主閥錐閥與閥套的配合間隙x1——閥芯移動(dòng)位移p3——主閥一級(jí)節(jié)流后的壓力ρ——流體密度主閥高壓引流孔的流量方程式中q4——流經(jīng)主閥的高壓引流孔流量Ch——高壓引流孔流量系數(shù)Dh——高壓引流孔直徑主閥二級(jí)節(jié)流口的流量方程式中q5——流過(guò)主閥二級(jí)節(jié)流口的流量Cb——球閥流量系數(shù)Db——球閥直徑主閥二級(jí)節(jié)流口的流量連續(xù)性方程主閥液阻的流量方程式中q2——流過(guò)液阻7的流量Cq——液阻流量系數(shù)DO1——液阻直徑p2——敏感腔壓力主閥芯的流量連續(xù)性方程式中,q1為主閥入口流量。主閥芯的力平衡方程式中Fpp1——主閥液動(dòng)力A11——主閥入口面積A12——主閥一級(jí)節(jié)流后壓力的有效作用面積A13——敏感腔面積FK10——主閥彈簧的彈簧預(yù)緊力Fm1——主閥閥芯受到的摩擦力Bp——粘滯阻力系數(shù)k1——主閥彈簧彈性系數(shù)考慮靜摩擦力與庫(kù)侖摩擦力,按Stribeck’s模型有式中β——速度模型系數(shù)Fst——主閥芯的靜摩擦力Fco——主閥芯的庫(kù)侖摩擦力先導(dǎo)閥的流量連續(xù)性方程式中q6——流經(jīng)先導(dǎo)閥右端間隙的流量q7——先導(dǎo)閥流出流量A2——敏感腔面積A6——先導(dǎo)閥右端面積x2——先導(dǎo)閥閥芯的位移式中D——先導(dǎo)閥導(dǎo)向端的直徑δ′——先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙L′——先導(dǎo)閥導(dǎo)向端的長(zhǎng)度p6——先導(dǎo)閥腔的壓力p7——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式中Dt——先導(dǎo)閥左端錐閥閥套直徑θ——先導(dǎo)閥左端錐閥錐度x2——先導(dǎo)閥閥芯運(yùn)動(dòng)位移先導(dǎo)閥的力平衡方程式中Fpp2——先導(dǎo)閥閥芯所受液壓力A21——先導(dǎo)閥導(dǎo)向端后的面積Bm1——粘滯阻力系數(shù)2amesim仿真模型在上述模型中忽略了水的壓縮性,同時(shí)沒(méi)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(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置就得到充分的考慮,可以減少這些因素帶來(lái)的誤差。圖2所示為AMESim中建立的先導(dǎo)式純水溢流閥仿真模型。主閥閥芯為橢球閥口,在結(jié)構(gòu)上可認(rèn)為由多個(gè)不同形式閥口經(jīng)過(guò)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。3模擬結(jié)果與分析3.1不同導(dǎo)向間隙時(shí)的壓力分布溢流閥的先導(dǎo)閥部分設(shè)有阻尼腔,以提高先導(dǎo)閥的工作穩(wěn)定性。先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙δ′是影響阻尼腔效果的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。在仿真時(shí)先導(dǎo)閥導(dǎo)向間隙分別設(shè)為δ′=0.10mm,δ′=0.08mm和δ′=0.01mm。圖3為主閥閥口壓力p在不同導(dǎo)向間隙下的仿真結(jié)果,通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論。δ′=0.10mm時(shí),入口穩(wěn)定壓力為δ′=0.08mm時(shí)入口穩(wěn)定壓力的1.89倍。這是因?yàn)?δ′=0.10mm時(shí),進(jìn)入阻尼腔的流體所受的液阻作用小,阻尼腔內(nèi)壓力就會(huì)直接跟隨先導(dǎo)閥入口壓力變化而變化,同時(shí)δ′=0.10mm時(shí),先導(dǎo)閥兩端的受力面積與δ′=0.08mm相比小46%,在相同的入口壓力時(shí),先導(dǎo)閥所受的力小,先導(dǎo)閥的開(kāi)啟壓力會(huì)增大,使得主閥入口壓力隨之增大。δ′=0.01mm超調(diào)量比δ′=0.08mm時(shí)增大了83.5%,穩(wěn)定壓力降低了0.2MPa。這是由于當(dāng)導(dǎo)向間隙減小時(shí),液阻的作用增強(qiáng),水流過(guò)的速度減小,使得閥的開(kāi)啟壓力升高,但是開(kāi)啟后;δ′=0.08mm時(shí),先導(dǎo)閥兩端的受力面積與δ′=0.01mm相比小3%,面積的影響不明顯,作用在先導(dǎo)閥上的作用力相差不大,造成兩者的入口壓力基本相同。3.2仿真結(jié)果分析主閥口與主閥敏感腔連接部分以及敏感腔與先導(dǎo)閥入口連接部分分別設(shè)有液阻。兩液阻的節(jié)流作用分別產(chǎn)生一定的壓差。使用兩個(gè)液阻的目的是降低對(duì)水質(zhì)的要求,提高抗污染的能力。在仿真時(shí),液阻直徑分別設(shè)為1.0mm、1.5mm、2.0mm。圖4為主閥閥口壓力p隨在不同液阻直徑下的仿真結(jié)果,通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論。(1)兩液阻直徑大小相同或相差不大時(shí),可改善閥的控制特性。從圖4a可以看出主閥液阻直徑比先導(dǎo)閥液阻直徑越大,閥入口壓力的震蕩越劇烈,從圖4b中可以看出主閥液阻直徑比先導(dǎo)閥液阻直徑越小。閥入口壓力越高。兩液阻直徑的差異越小,得到的仿真結(jié)果越理想。這是因?yàn)?主閥的直徑越小,主閥液阻的背壓作用越大,進(jìn)入先導(dǎo)閥部分的壓力越低,先導(dǎo)閥開(kāi)啟越困難,最終使得閥入口壓力越高。(2)兩液阻直徑在選取相同或相近尺寸時(shí),其大小也要合理的選取。從圖4c中可以看到兩直徑變大,入口壓力的超調(diào)量會(huì)降低,但是最終的穩(wěn)定壓力會(huì)升高。例如:與1.5mm直徑比,2mm直徑入口壓力的超調(diào)量降低9.9%,穩(wěn)定壓力升高23.5%;與1.5mm直徑比,1mm直徑入口壓力的超調(diào)量升高14.1%,穩(wěn)定壓力降低24.1%。這是因?yàn)?當(dāng)液阻直徑增大,液阻起的作用降低,使得主閥閥芯的壓差減小,造成主閥閥口開(kāi)啟困難,引起閥入口壓力升高。3.3仿真結(jié)果分析本溢流閥的主閥部分設(shè)有敏感腔,與液阻共同作用以在主閥閥芯兩端產(chǎn)生背壓。在仿真時(shí),體積(V)分別設(shè)為5cm3、15cm3、25cm3。圖5為主閥閥口壓力p在不同敏感腔體積下的仿真結(jié)果,通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論。不同的敏感腔體積對(duì)于閥入口的壓力影響很小,從圖5中可以看到敏感腔體積增大,閥入口的壓力會(huì)增大,但影響不大。與V=15mm3比,V=5mm3的入口壓力降低2.4%,超調(diào)量增大4.6%;V=25mm3的入口壓力升高1.1%,超調(diào)量減小2.3%。這是由于敏感腔體積的變化率很小,使得壓力的變化也小,當(dāng)敏感腔的體積減小時(shí),造成敏感腔的內(nèi)壓力升高,引起入口壓力升高。3.4g、主閥閥芯質(zhì)量在仿真時(shí),閥芯質(zhì)量分別設(shè)為:其一,先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量m2=0.0062kg、主閥閥芯質(zhì)量m1=0.062kg;其二,先導(dǎo)閥閥芯質(zhì)量m2=0.01kg、主閥閥芯質(zhì)量m1=0.1kg。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(guò)分析可知:不同的閥芯質(zhì)量對(duì)于閥入口的壓力幾乎沒(méi)有影響。3.5主閥彈簧k1的確定本溢流閥的先導(dǎo)閥和主閥部分都設(shè)有彈簧,為閥芯提供復(fù)位力。在仿真時(shí),彈簧剛度分別設(shè)如下:先導(dǎo)彈簧k2=10000N/m,主閥彈簧k1=1000N/m;先導(dǎo)彈簧k2=36000N/m,主閥彈簧k1=3760N/m;先導(dǎo)彈簧k2=10000N/m,主閥彈簧k1=1000N/m。圖7為主閥閥口壓力p在不同彈簧剛度下的仿真結(jié)果,通過(guò)分析可以得出以下結(jié)論。在不同彈簧系數(shù)下,入口壓力的穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)量無(wú)明顯差別,但入口穩(wěn)定壓力相差比較大。因此,不同的彈簧剛度下,閥入口的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線無(wú)明顯差別,對(duì)閥的動(dòng)態(tài)特性影響小。彈簧剛度應(yīng)根據(jù)靜態(tài)性能確定。4試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行的試驗(yàn)先導(dǎo)式純水溢流閥的測(cè)試試驗(yàn)是在純水液壓綜合性能試驗(yàn)臺(tái)上進(jìn)行的。本試驗(yàn)平臺(tái)主要包括純水液壓泵、集成式操作臺(tái)架和一臺(tái)配有數(shù)據(jù)采集卡及端子板的計(jì)算機(jī),并安裝有控制軟件和圖像處理軟件。4.1壓力-流量特性仿真結(jié)果在先導(dǎo)式純水溢流閥試驗(yàn)系統(tǒng)中,調(diào)定被試溢流閥在不同壓力等級(jí)下,測(cè)量20L/min、40L/min、60L/min、80L/min和100L/min時(shí)被試閥的入口壓力,可得壓力-流量特性的試驗(yàn)曲線;在先導(dǎo)式純水溢流閥流場(chǎng)仿真模型中,分別給定入口流量為20L/min、40L/min、60L/min、80L/min和100L/min時(shí),計(jì)算入口壓力可得壓力-流量特性的仿真曲線。圖8為8MPa、10MPa、12MPa和14MPa下先導(dǎo)式純水溢流閥的壓力-流量仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較,可以看出:當(dāng)被試溢流閥從關(guān)閉狀態(tài)逐漸開(kāi)啟時(shí),隨著溢流量的增加,閥口增大而使彈簧的壓縮量增加,因此被控壓力隨流量增加而升高,當(dāng)流量小于20L/min時(shí),被試閥的調(diào)定壓力隨流量增加的變化較大,而當(dāng)流量大于20L/min時(shí),被試閥的調(diào)定壓力隨流量的增加變化較小,說(shuō)明該閥在小流量工況下的定壓精度較低,而在大流量工況下的定壓精度較高;仿真結(jié)果中的入口壓力比試驗(yàn)結(jié)果中的壓力高,這是由于在仿真模型中沒(méi)有考慮閥芯上的O形密封圈在運(yùn)動(dòng)時(shí)與閥套產(chǎn)生摩擦引起的,尤其當(dāng)流量低于20L/min時(shí)誤差更大,說(shuō)明在小流量時(shí),摩擦力對(duì)于靜態(tài)特性的影響更大。4.2壓力響應(yīng)特性仿真分析在先導(dǎo)式純水溢流閥試驗(yàn)系統(tǒng)中,將被試閥壓力調(diào)定在10MPa、14MPa下,調(diào)定被試閥的入口流量為120L/min,利用開(kāi)關(guān)閥的通斷產(chǎn)生流量的階躍,測(cè)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10MPa、14MPa,入口流量為120L/min,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)。從圖9的試驗(yàn)曲線可以看出:在調(diào)定壓力為10MPa下,被試溢流閥由卸荷壓力狀態(tài)升至調(diào)定壓力時(shí)所需時(shí)間為50ms,其穩(wěn)定時(shí)間需要26ms,其總的壓力回升時(shí)間為76ms,在這一過(guò)程中所形成的壓力超調(diào)量為14%;在調(diào)定壓力14MPa下,被試溢流閥的升壓時(shí)間為50ms,其穩(wěn)定時(shí)間需要25ms,總的壓力回升時(shí)間為65ms,壓力超調(diào)量為12.7%。圖9a所示為10MPa下壓力響應(yīng)特性的仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較,可以看出:當(dāng)先導(dǎo)式純水溢流閥給定流量脈沖時(shí),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(jí)和功率放大級(jí)的傳遞函數(shù)均含有二階的阻尼振蕩環(huán)節(jié),因而其動(dòng)態(tài)特性也具有二階振動(dòng)衰減的特點(diǎn)。與試驗(yàn)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(yàn)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(gè)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(huì)增大,這點(diǎn)也可以從試驗(yàn)曲線中看出。圖9b所示為14MPa下壓力響應(yīng)特性的仿真與試驗(yàn)結(jié)果比較,同樣可以看出:當(dāng)先導(dǎo)式純水溢流閥給定脈沖時(shí),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(dòng)衰減的特點(diǎn),但由于壓力的升高,仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果在壓力上升階段的誤差更大,說(shuō)明壓力越高閥芯摩擦力對(duì)于動(dòng)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(jí)下,隨著流量增大,被試閥的壓力響應(yīng)時(shí)間減少,壓力超調(diào)量也減少。5b壓力穩(wěn)定性(1)通過(guò)對(duì)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(wú)影響。(2)閥在小于20L/min的小流量工況下的定壓精度較