直动式水压溢流阀阀口压力特性研究.pdf

第 2 期 总第 l 5 3 期 2 0 0 9年 4月 机 械 工 程 与自 动 化 MECHANI CAL ENGI NEERI NG＆AUTOMATI ON No．2 Ap r ． 文章 编 号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 9 0 2 0 0 4 8 0 3 直动式水压溢流阀阀口压力特性研究 黄雪峰 ，刘桓龙 ，柯 坚 西南交通大学 先进驱动节能技术教育部X - 程研究中JL “ ，四川 成都 6 1 0 0 3 1 摘 要 建立了 4 种直动式水压溢流阀的数学模型 ． 运用 MAT L AB中的 S i mu l i n k对 阀口进行了仿 真分析对 比 研究 了阀结构各参数对溢流 阀动态性 能的影响 。 关键词 溢流 闯；阀 口；压力特性 中图分类号 TH1 3 7 ． 5 2 1 文献标识码 A 0 引 言 纯水作 为液压传 动介 质具有价 格低廉 、 环境 友好 、 阻燃性好、 清洁无毒、 传动效率高等优点，因此成为液 压技术发展的新方向之一。直动式溢流阀作为水压传 动 的关 键元件 ，因其结 构简单 ，工作 可靠 ，因而 在水 液压 系统 中有 广泛 的应用 。 溢 流 阀阀 口有 多种形式 ， 应 用 各 有 特 点 ，常 见 的 有 4种 阀 口形 式 ，本 文 应 用 MAT I AB中的 S i mu l i n k对 其进行 建模分 析 ，得 出各 参数对 各 阀 口特性 的影 响 。 1 4种 阀 口的动 态数学模 型 水 压溢 流阀常见 的 阀 口结构见 图 1 。为简化 分析 ， 作如下假设 ①阀芯 自重不计 ；②运动过程只考虑粘 性阻尼力 ；③ 不考虑 泄漏 。 1 ． 1阀 芯 运 动 微 分 方 程 阀芯运动微 分方程 为 A p d 2x B 等 十 K 十 K s x p。 ⋯ ⋯ ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯ 1 式中 阀芯底端受力面积，r n 。 ，A一7 c D ／ 4 ，其 中 ，D 为敏感腔 直径 ； P 敏感 腔压 力 ，P a ； m 阀芯质 量 1 ／ 3弹簧质 量 ，k g ； B 粘性 阻尼 系数 ，N s ／ m，Bt DL ／ ， 其 中 ， 为 阀芯与 阀套 的接 触长度 ， 为 水 的动力黏 度系数 ， 一 1 ． 3 1 1 0 m。 ／ S ， 为阀体与阀套的间隙； K调压弹簧刚度，N／ m； 调压弹簧预压缩量 ，m； 阀芯位 移 阀开 口度 ，m； 收稿 日期 2 0 0 8 0 7 一 l 6 ；修 回E t 期 2 0 0 8 1 2 一 l 1 作者简介 黄雪峰 1 9 8 2 一 ． 男 ． 河南安阳人 ． 在读硕士研究生 。 K广阀口液动力刚度， K5 2 C d Z Cd C O S ， 其中， C 为 阀 口流量 系数 ， 为阀 口射流角 ， 训 为阀口面积梯度， 锥阀叫一 Ds i n a ， 滑阀 叫一r r D， 球 阀 一7 r D矗 0 x ／ R， 平板 阀 “r O y 7 r D， 其 中 ， a为锥 阀半 锥角 ， h 。 为球 阀球 芯偏离 高度 ，尺 为球 阀的球半 径 ； 声 受控腔 压力 。 a 锥阀 A ，I ，c ， c 球阀 f d 平板阀 图 1 4种 阈 1 3 结 构 1 ． 2 溢流 阀 口流 量方程 溢 流 阀 V I 流量方 程 为 Q 一百Vo ． 警 c 训 √ 吾 △ p 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ c2 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 9年第 2 期 黄雪峰 ，等 直动 式水压溢流闽阀口压力特性研 究 4 9 式 中 Q 受控腔 流量 ，m。 ／ s ； 。受控腔 容积 ，m。 ； E 水 的体 积弹性模 量 ，P a ； b 水 的密 度 ，k g ／ m。 ； △ 受控腔 与 出 口压力差 ，P a 。 1 ． 3 敏 感腔连 续性 方程 敏感 腔连续性 方程为 Q 警 A 。⋯⋯⋯⋯⋯ 3 式 中Q 敏 感腔和 阻尼孔 流量 ，1T I 。 ／ s ； 敏 感腔容积 ，r ll 。 。 1 ． 4 阻尼 孔流量 方程 阻 尼孔流量方 程为 Q 一K P一 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 4 式中Kr 阻尼液导， Kr 一丽 7 1．a-，其中， d为阻尼 孔直径 ， 为阻 尼孔长度 。 1 ． 5 泵 源 流 量 方程 泵源 流量方程 为 QQ 十Q 。 ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ ⋯ 5 式 中Q 泵源 流量 ，m。 ／ s 。 对 式 1 ～式 5 在 阀最大开 口处进 行线性 化 ，然 后进行拉普 拉斯变换 ， 联合 变换后 的各公式可得流量一 压力传递 函数方框 图， 根据系统传递 函数方框图即可利 用 MATI AB中的 S i mu l i n k进行 压力特性 分析 。 1 ． 6 仿 真参数 溢 流阀仿真参 数初始值 设置 见表 1 。 表 l 溢流 阀仿真参数 参数 D m1“11 g B N s ／ m mm 数值 l 2 ． 4 3 6 ． 2 0 ． 0 2 1 O ． O l 5 参数 K N／ m l mm 口 。 C a 数值 l 5 4 2 7 O 1 0 6 9 0 ． 6 2 参数 V 0 c m V c m E MP a Q L ／ rai n 数值 l 1 0 0 1 ． 2 0 4 2 1 0 0 4 0 参数 锥阀射流角 0 滑阀射流角 0 球阀射流角 F - 板阀射流角 数值 4 2 。 6 9 。 7 0 7 6 。 2 仿真分析 2 ． 1 阻尼 孔 直 径 d 的 影 响 d的微 小 变化 对 阀的稳 定有很 大影 响 。各 阀在保 持其它参数 基本一致 的情况下 ，锥 阀较之其 它 3种 阀 对 d要求 最低 ， 平板 阀要 求最 高 。 图 2 、图 3为分别取 d 一0 ． 4 0 mm， 一0 ． 5 0 mm 和 一0 ． 6 0 ram 的平 板 阀和 锥 阀的动态响应 曲线 。从 图 中可 以看 出响应时 间基本 一 样 ， 只是 超调量 和振 荡次数 不同 。 d越 大 ， 系统越趋 于不稳定 ；当 d一0 ． 6 0 mm 时 ，平 板 阀已开 始不 能稳 定 。仿真 比较可 知 ，在一定 参数条件 下 ，各 阀 d可达 到 的最 大直 径 为 0 ． 7 1 ram 锥 阀 ， 0 ． 6 5 mm 滑 阀 ， 0 ． 6 3 ram 球 阀 ． 0 ． 6 0 mm 平板 阀 。 2 ． 2 阀受控腔 直径 D 的影响 D 主要影 响阀稳定 时 的压力和 阀芯最 大位移 ， 对 阀稳 定 性也有 很 大影 响 。各 阀将 D 分 别 减小 l mm， 各阀稳态值 户和 有明显上升， 响应时间变短， 压力 超 调量也 有所上升 。 锥阀变化度最 大 ， 见 图 4 。 而各 阀 在 D 减 小的情况下 ， 阀芯也有 明显震荡 ， 球 阀表 现最 为 明显 ，见图 5 。 2 ． 3 弹簧刚度 K 的影 响 图 6为各 阀 参 数一 致 的情 况 下 阀 的压 力 响应 曲 线 ，响应时间都一样 ，其中滑阀基本达到额定值。可 以得 出结论 ，其它参数相同的情况下，要达到额定压 力值 ， 锥阀所需的弹簧刚度最小， 其次依次为滑阀、 平 阀 、 球 阀 ；而此时锥 阀开 口度最 大 ， 球 阀超调量最 大。 t ／ l c ， 0 ． 4 0 ram ； 2 一 一 0 ． 5 0 ram ； 3 一 0 ． 6 0 mm 图 2 不 同 d时 平板 阀压 力 响 应 曲线 t ／ s 1 一 d 0 ． 4 0 ram ； 2 一 d 0 ． 5 0 m m ； 3 一 d 0 ． 6 0 mm 图 3不 同 d时 锥 阀 压 力 响应 曲线 l 一 1 1 1 2 3 m ； 2 1 1 1 m m ； 3 ～ Dl l 0 ． 5 mm 图 4 不同 D 时锥阀压力响应 曲线 2 ． 4 控 制 腔 容 积 的 影 响 将 。 变小 。其 它参数 保持 一致 ，得 到 。 对 各阀 口特 性 的影 响 曲线 ， 见图 7 。 由图 7可见 ， 。 变小 ， 将 使响应 时 间变短 ， 但各 阀将趋 于不稳定 ， 超 调量过大 ， 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 0 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 9年第 2 期 球阀尤其强烈 ， 其次是平板阀和滑阀； 但过大的 o 使 阀的响应时间变长 ，增加了管路的长度。 1 一 D l l 2 ． 5 ram ； 2 一 D1 一 l 1 ． 5 ram ； 3 - - DI 一 1 0 ． 5 ram 图 5 不 同 D 时球 阀压 力 响 应 曲线 图 6 相 同 弹 簧 刚 度 K 下 各 阀 压 力 响 应 曲 线 2 ． 5 阀芯质 量 的 影响 由于各种新 的工 程材料 的应 用 ，可 以对 阀芯采用 不同材 料 。 分 析可知 ， 变小 ， 将使 各 阀超 调量减 小 ， 响应时 间变短 ， 振 动次数 减少 ， 平 板 阀表 现最 明显 ， 如 图 8所示 ， 变化前后 的响应 时 间基本一 致 。但 阀材 料 的选 择还要考 虑到 阀芯 与阀套 的配 合 和加工 的难 易 程度 ，实际成 品生产还 要考 虑到材 料的成 本 问题 。 2 ． 6 配合 间隙 和敏 感腔 的影 响 在保证尽可能小的内部泄漏 的情况下 ， 仿真发现 ， 和 对 各 阀的动 态 品质 和稳态 品质 影响不 大 。由于 篇幅所 限 ，图形 就省略 了 。不过 间 隙 对 实际材 料特 性和加工工 艺有很 高要求 。 3结束 语 本 文建立 了直 动式纯 水溢流 阀 的 4种 阀 口的数 学 模型，并进行了比较仿真分析，得出了各结构参数对 各阀动态性能的影响的大小 。仿真都是在忽略了实际 制 造和误差 的情况 下进行 的 比较 ，实 际应 用 中还要 考 虑各阀的结构对于加工工艺的难易程度、接合处密封 性、材料的实际质量等因素对阀特性的影响，这些将 在后 续的 实验 中作 比较 。 曼 ＼ 出 ＼ 1 一 0 一 1 ． 2 L； 2 ～ o 0 ． 9 3 6 L ； 3 Vo 一 0 ． 7 5 5 1 图 7 不 同 。时球 阀压 力 响 应 曲 线 1 一 m 4 5 g； Z m 一 3 0 g； 3 一 g 图 8不同阀芯质量 时平板阀压力响应 曲线 参 考 文 献 [ 1 ] 何存兴． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 9 8 2 ． [ 2 3 林建亚． 液压元件[ M] ． 北京 机械工业出版社 ， 1 9 8 8 ． [ 3 ] 陈杰． MAT L AB宝典[ M] ． 北京 电子工业出版社 ， 2 0 0 7 ． [ 4 3 袁桂锋， 直动式 纯水溢流 阀的动 态特性 仿真[ J ] ． 机床 与 液 压 ， 2 0 0 6 6 8 8 9 0 ． [ s l 刘银水． 几 种油 压阀 的结 构型式对 水 的适 应性[ J ] ． 液 压 气动与密封， 2 0 0 2 6 1 6 1 7 ． [ 6 ] 贺小峰． 直动式海 、 淡水 溢流阀的研究 [ J ] ． 液压气 动与密 封 ， 2 0 0 0 1 2 1 2 - 1 4 ． Co m p a r i s o n a n d An a l y s i s o n t h e Po r t s 0 f Di r e c t a c t u a t e d Re l i e f Va i v e s HUANG Xu e f e n g． LI U Hu a n l o n g ． KE J i a n En g i n e e r i n g Re s e a r c h Ce n t e r o f Ad v a n c e d Dr i v i n g En e r g y s a v i n g Te c hn o l o g y Mi nis t r y o f Ed u c a t i o n， SWJ TU， Ch e n g d u 6 1 0 0 3 1 ， Ch i n a Ab s t r ac tTh e ma t he ma t i c mo de l s o f f o ur t ype s o f di r e c t a c t u a t e d r e l i e f v a l v e s a r e e s t ah l i s he d．Appl y i n g s i mul a t i on s o f t wa r e M ATLAB， t h e di f f e r e nc es o f t he dy na mi c c h a r a c t e r i s t i c s i n t he f o ur t y pe s of wa t e r hyd r au l i c r e l i e f v a l v e s a r e p r e s e n t e d b y s i mu l a t i o n a n a l y s i s a n d t h e i n f l u e n c e s o f t h e v a l v e s s t r u c t u r a l p a r a me t e r s o n t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s a r e r e s e a r c h e d． Ke y wo r ds r e l i e f v a l v e； v a l v e po r t ； pr e s s ur e c ha r a c t e r i s t i c 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m