基于amesim的液壓節(jié)流閥口仿真分析

基于amesim的液壓節(jié)流閥口仿真分析

在液壓表系統(tǒng)中，液壓表單元的運動速度、穩(wěn)定性和響應時間通常由液壓源決定。其次，液壓源的性能取決于滑斗界面的形狀和工作性能。不同的開口可以獲得不同的流量控制曲線，并且系統(tǒng)具有不同的工作特點。對于液壓表滑動框架的開口，有很多形式。根據(jù)開口的形狀，可分為全周開口和非全周開口。傳統(tǒng)的滑動儀表通常采用全周開口的形式。其優(yōu)點是可以準確地表達閥口流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)閥芯位移的函數(shù)關系，這有助于預測和設計液壓表的性能。然而，在液壓機械儀表控制單元中，非全周開口的形狀被廣泛使用。這種類型的流量控制器具有較大的流量調(diào)節(jié)范圍和良好的小流量穩(wěn)定性。閥口的水力半徑大，阻力低，可靠性好，閥口面積位移簡單，流量誘導性能好，不敏感于油流量和粘度變化。目前針對非全周開口滑閥節(jié)流閥口過流面積的計算原則及等效方法的相關研究還不多,已有的公式因相關計算參數(shù)難以確定,使其在應用于液壓閥芯的設計計算時,閥口通流性能存在不確定性.本文針對幾種典型節(jié)流閥口結構特征開展研究,推導出具有普遍適用性的過流面積計算通式,并利用仿真模型,進一步闡述不同類型閥口在不同負載、外形尺寸下,對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響,為液壓控制系統(tǒng)設計、合理選用節(jié)流閥口提供一定的參考.1角槽形節(jié)流閥口對于非全周開口形式的節(jié)流閥口,因閥口復雜的結構形式,其過流面積與閥芯位移多為非線性關系,一般以近似函數(shù)代替準確的函數(shù)表達式.目前應用較多的閥口形狀為三角槽形(trianglegroove)、U形(U-shaped)、梯形(trapezoidal)、半圓槽形(semicirclegroove)、L形(L-shaped)等,圖1為這幾類節(jié)流閥口三維CATIA(computeraidedtridimensionalinterfaceapplication)示意圖.三角槽形節(jié)流閥口一般以閥芯軸線為中心,在閥芯端部對稱均布2~4個節(jié)流槽,與閥體內(nèi)腔形成過流面積,通過軸向移動閥芯,改變?nèi)遣圻^流面積從而達到調(diào)節(jié)流量的目的.該類閥口過流流體狀態(tài)變化平穩(wěn),閥芯徑向力平衡,易于調(diào)節(jié)流量控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行端速度穩(wěn)定.U形節(jié)流閥口前端為半圓槽式,后端為矩形式等截面通道.該類節(jié)流槽在一定流量范圍內(nèi),液壓執(zhí)行元件流量增益較為平緩,線性度好,可減少滑閥換向時的液壓沖擊與振動.梯形節(jié)流閥口加工工藝較復雜,但其過流面積變化率較為恒定,有利于提高流量特性的剛性,且對油溫和黏度的變化不敏感,具備良好的調(diào)節(jié)性能.半圓槽形節(jié)流閥口相比于前兩者,其結構簡單,加工工藝優(yōu)良;流量調(diào)節(jié)范圍寬,在開口度較大時,過流面積變化率小,有利于提高流量穩(wěn)定性;并且其水力半徑大,節(jié)流口不容易堵塞.L形節(jié)流閥口由小圓柱橫向銑切閥芯凸肩形成,閥口過流面積是圓柱相貫線和閥座邊在閥芯圓柱面所圍成的部分圓柱面積.該類節(jié)流槽過流面積變化率較大,液壓元件執(zhí)行端速度變化靈敏、響應時間短.此外,該類閥口水利半徑大,當液體流動方向改變時可有效減少閥芯移動時的操縱力.2非線性函數(shù)擬合不同結構形狀的節(jié)流閥口具備不同的流量控制特性、抗阻塞性和流量穩(wěn)定性,選用哪一類節(jié)流閥口外形需針對不同應用工況.通過對典型液壓節(jié)流閥口面積的計算,可定性獲得閥口面積梯度與閥芯位移關系,有利于滑閥設計與功能預測.文獻對L形、U形、V形節(jié)流閥口進行了面積解析運算,獲得非線性函數(shù)表達式,進而利用曲線擬合得到面積近似表達式,但該類公式缺乏通用性;文獻則對幾種節(jié)流閥口面積公式進行了詳細研究與理論推導,并通過實驗驗證其準確性,但其表達過于繁瑣,難以滿足實際應用需求.本文在此將各類節(jié)流閥口作等效簡化,將通流截面圓弧端等效為平面,所忽略圓弧截面產(chǎn)生的實際誤差在3%以內(nèi),再基于立體幾何算法,提出較為簡單且具有普遍應用性的過流面積計算公式.根據(jù)節(jié)流閥口的形狀特征,節(jié)流閥口可以分為兩種結構:一種是等截面節(jié)流閥口,一種是漸擴形節(jié)流閥口.其中U形節(jié)流閥口為等截面結構,其閥口壓差主要集中在軸向截面和徑向截面,具備二級節(jié)流的典型特征,即其等效過流面積為軸向與徑向過流面積的串聯(lián)有效值.而三角槽形、半圓槽形、梯形以及L形凸肩式節(jié)流閥口屬于漸擴形結構,其等效過流面積為節(jié)流閥口最小通過面積.幾種節(jié)流閥口過流面積計算示意如圖2所示2.1等效閥口開度三角槽形節(jié)流閥口采用60°角度銑刀,沿圓弧軌跡旋轉切割閥芯端面而形成,其軸向與徑向截面都為三角形.該類節(jié)流閥口最小通過面為垂直底邊棱線的截面,見圖2(e),其等效閥口過流面積Asj推導過程為:式中:x為各節(jié)流閥口開口度;h為節(jié)流閥口特征深度;L為節(jié)流閥口特征長度;n為閥芯端面節(jié)流口數(shù);dh節(jié)流閥口為水利直徑.2.2等效閥口過流面積的推導U形節(jié)流閥口是采用圓柱形銑刀,沿閥芯軸線方向旋轉切割閥芯端面而成,節(jié)流閥口前半段為半圓槽,后半段為矩形流道,其軸向截面為矩形,見圖2(b),其等效閥口過流面積A1、A2推導過程為:當0<x<r時,當r≤x≤L時,以上各式中:r為節(jié)流底面特征半徑;為閥體與節(jié)流閥口當前開口度相交線;Aax為軸向過流面積;Ara為徑向過流面積.2.3小角度銑刀的等效過流面積atx推導梯形節(jié)流閥口加工工藝比較復雜,一般采用小角度成形銑刀加工,其軸向截面為梯形,徑向截面為矩形,見圖2(a),其等效過流面積Atx推導過程為:2.4等效過流面積aby推導半圓槽形節(jié)流閥口加工形式類似于U形節(jié)流閥口,同樣采用圓柱形銑刀沿閥芯軸線旋轉切割端面而成.其軸向截面為圓弧面,徑向截面為矩形,見圖2(c),其等效過流面積Aby推導過程為:2.5等效過流面積al推導L形節(jié)流閥口由小圓柱橫向銑切閥芯端面形成,其最小過流面為徑向截面,見圖2(d),其等效過流面積AL推導過程為:基于上述獲得的過流面積表達式,應用仿真軟件,可編制各節(jié)流閥口參數(shù)化的面積計算程序,從而滿足同一類閥口形狀,不同外形尺寸的應用需求.3流量閥開口的模擬分析3.1不同開口度閥口對過流面積增益的影響為比較過流面積變化率對系統(tǒng)性能的影響,繪制不同閥口在相同外形尺寸下,閥芯位移與過流面積關系曲線如圖3和4所示,各節(jié)流閥口相關參數(shù)見表1.分析圖3、圖4仿真曲線:三角槽形節(jié)流閥口在開口度較小時,流量增益很小,有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定;隨著閥口開口度增加,過流面積線性增大,流量增益亦隨之增加.L形節(jié)流閥口在小開口度時,過流面積增益較大,有利于系統(tǒng)快速響應,保證執(zhí)行端元件的靈敏性;在達到一定開口度后,過流面積逐漸趨于恒值,此時可以保證執(zhí)行端流量穩(wěn)定性.在同樣大小外形尺寸下,L形與三角槽形節(jié)流閥口水利直徑最大,說明該類閥口更易獲得最小穩(wěn)定流量.U形閥口在開口度小于節(jié)流閥口頂端圓弧半徑時,過流面積變化梯度較大,有利于快速建立系統(tǒng)壓力;當閥口開口度大于頂端圓弧半徑時,過流面積增長趨于平緩,可保證系統(tǒng)穩(wěn)定性.梯形閥口面積變化率較為恒定,且其流量調(diào)節(jié)范圍較寬.半圓槽形節(jié)流閥口隨著開口度增加,過流面積變化率迅速增加,對系統(tǒng)啟動靈敏性有一定幫助.3.2節(jié)流閥口的動態(tài)特性由流量公式(其中,Q為計算流量,Cd為流量系數(shù),Ad為過流面積,ΔP為節(jié)流閥口兩端壓力差,ρ為油液密度)知,一旦節(jié)流閥口過流面積變化,閥口前后壓差與通過的流量都將產(chǎn)生一定變化,進而影響執(zhí)行端元件的動態(tài)性能.本小節(jié)將在上述閥口過流特性的基礎上,根據(jù)圖5所示的節(jié)流系統(tǒng)測試原理,構建仿真模型(如圖6所示),探討節(jié)流閥口對液壓缸動態(tài)性能的影響.圖6所示模型中,2號模塊等效于圖5所示的進口油路節(jié)流閥口2,用于控制進入執(zhí)行油缸的流量大小,進而控制液壓油缸的運動速度;4號模塊等效于回油路上節(jié)流閥口3,提供背壓的同時可以保證多執(zhí)行油缸復合動作的完成;3號模塊等效于旁油路節(jié)流閥口1,其主要作用在于建立工作壓力,推動執(zhí)行油缸運動.3.2.1不同節(jié)流閥口的壓力特性分析在仿真研究中,一般采用斜坡和階躍信號當作控制信號,用于分析閥芯上不同節(jié)流閥口對動作油缸的性能影響.圖7為兩類控制信號曲線,實線表明閥芯在短時間內(nèi)完全打開,即為階躍信號.虛線表明閥芯在一定時間內(nèi)逐漸打開,即斜坡信號.應用批處理功能得到仿真曲線如圖8~11所示.圖8和9分別為不同節(jié)流閥口在斜坡控制信號下,假設負載為16kN時,油缸大腔壓力和活塞桿位移曲線.分析可知,斜坡信號控制閥芯運動時,在相同負載作用下,L形、半圓槽形、梯形以及U形節(jié)流閥口都在0.2s內(nèi)快速建立起工作所需壓力,推動液壓油缸活塞桿動作.其中L形節(jié)流閥口建壓速度最快,動態(tài)響應時間最短,但同時其壓力超調(diào)量亦最大.而三角槽形節(jié)流閥口需要較長時間建立工作壓力,使得系統(tǒng)響應較慢,相比而言,其超調(diào)量最小,具有較好的穩(wěn)定性.受工作壓力以及流量大小的影響,L形節(jié)流閥口對應油缸執(zhí)行速度較快,而三角槽形對應油缸動作則較為緩慢.圖10和11分別為不同節(jié)流閥口在階躍控制信號下,假設負載為16kN時,液壓油缸大腔壓力曲線以及活塞桿位移曲線.分析可知,階躍信號控制閥芯運動時,各類節(jié)流閥口對應的油缸活塞桿位移基本相同,即此時節(jié)流閥口類型對執(zhí)行元件的響應速度影響不大.但分析壓力曲線不難發(fā)現(xiàn),各閥口在油缸建壓初始階段,壓力超調(diào)量都很高,其中L形節(jié)流閥口對應的壓力峰值最大,并且其穩(wěn)態(tài)響應時間也較長.在達到穩(wěn)態(tài)工作壓力前,L形、梯形以及U形節(jié)流閥口壓力波動較大,對工作油缸以及系統(tǒng)管路等都會造成一定影響,而此時三角槽形節(jié)流閥口在動態(tài)響應方面,性能較好,穩(wěn)定時間較短,對系統(tǒng)影響較小.在實際工作中,工作油缸所承受的負載變化較大,不同的節(jié)流閥口對系統(tǒng)整體的工作性能也不相同.根據(jù)前文分析,三角槽和L形節(jié)流閥口代表了不同閥口對系統(tǒng)響應的極限情況,兩者囊括了其余閥口的響應特性,故選擇作為特征閥口開展分析.假設負載為16、8和1kN時,分析油缸的響應情況.圖12為L形與三角槽形節(jié)流閥口在不同工作負載下,油缸大腔的工作壓力曲線.綜合分析曲線,在斜坡控制信號下,不同大小負載對油缸的穩(wěn)定壓力建立有一定影響,負載越大,油缸工作響應時間越長.L形節(jié)流閥口響應較快,在16kN的重載下,能在0.04s內(nèi)建立油缸大腔所需壓力,說明該類閥口適用于快速建壓的系統(tǒng)工況;而三角槽形節(jié)流閥口則需要近0.4s響應時間,但其壓力波動小,適合對系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高工況.3.2.3節(jié)流閥口流量控制特性節(jié)流閥口外形尺寸的改變,使得過流面積也產(chǎn)生相應變化,通常過流面積會隨著閥口尺寸增大而變大,而此時節(jié)流閥口兩端壓差以及通過的流量也將發(fā)生變化,進而影響液壓油缸響應特性.這里以L形節(jié)流閥口作為特征閥口,改變其深度h值———等效于改變長度L和寬度b值,分析油缸相應情況,如圖13所示.改變L形節(jié)流閥口的h值,使其取值為3.0、2.8、2.5和2.0mm,得到圖13響應曲線.分析流量變化曲線可知,控制流量隨著節(jié)流閥口深度的增加而呈比例增加;分析壓力曲線,L形節(jié)流閥口深度的增加,使得動態(tài)響應時間變短,但穩(wěn)定時間和超調(diào)都有所增大.故在滿足動態(tài)響應指標的前提下,適當加大閥口外形尺寸可以提升系統(tǒng)性能.4不同節(jié)流閥口的仿真結果本文通過對幾種典型節(jié)流閥口的特性分析,得到以下結論:(1)通過對典型節(jié)流閥口等效處理,計算得到各個閥口過流面積通式,適用于同一類閥口不同外形尺寸的快速計算.并構建了節(jié)流閥口AMESim仿真模型,獲得不同節(jié)流閥口外形尺寸相同時的過流面積與閥芯位移之間的關系曲線,分析明確了各類節(jié)流閥口在