基于AMESim的某型卸荷阀动态特性分析.pdf

2 0 1 5年 8月 第 4 3卷 第 1 6期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAULI CS Au g ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 6 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 6 ． 0 3 1 基于 A M E s i m的某型卸荷阀动态特性分析 曾文促 ，初 长祥 ，曾衡 ，周抚 平 1 ．广西科技大学机械工程学院，广西柳 州 5 4 5 0 0 4 ； 2 ． 广西柳工机械股份有限公司研究总院，广西柳州 5 4 5 0 0 7 摘要针对某一种装载机双泵合流液压系统中用到的合流卸荷阀，在分析其结构特点与工作原理的基础上，运用 A M E S i m软件搭建了仿真模型，对该合流卸荷阀进行仿真并进行试验验证 ，通过试验与仿真结果的比较验证了仿真模型的 正确性。并仿真分析主要参数对其动态特性的影响。该研究为该型卸荷阀的优化设计提供一定的参考作用。 关键词卸荷阀；A ME S i m仿真；动态特性 中图分类号T H1 3 7 文献标志码A 文章编号1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 6 0 9 8 4 S i mu l a t i o n St u d y O H a n Un l o a d i n g Va l v e Ba s e d o n AM ES i m Z E NG We n c a i ，C HU C h a n g x i a n g ，Z E NG He n g ，Z HO U F u p i n g 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Li uz ho u Gu a n g x i 5 4 5 0 0 4， Ch i n a； 2 ． R e s e a r c h I n s t i t u t e o f G u a n g x i L i u g o n g Ma c h i n e r y C o ． ，L t d ． ，L i u z h o u G u a n g x i 5 4 5 0 0 7 ，C h i n a Ab s t r a c t F o r a k i n d o f u n l o a d i n g v a l v e u s e d i n d o u b l e p u mp c o mb i n e d h y d r a u l i c s y s t e m o f l o a d e r ．o n t h e b a s i s o f a n a l y z i n g t h e s t r u c t u r e c h a r a c t e r i s t i c s a n d wo r k i n g p rin c i p l e ， AMES i m s o f t ware wa s u s e d t o b u i l d t h e s i mu l a t i o n mo d e l o f t h e u n l o a d i n g v alv e ． T h r o u g h t h e c o mp a r i s o n o f e x p e ri me n t a n d s i mu l a t i o n r e s u l t s ，t h e v a l i d i t y o f t h e s i mu l a t i o n mo d e l wa s v e r i fi e d ． T h e i n f l u e n c e s o f ma i n p ara me t e r s o n i t s d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s we r e a n a l y z e d ． T h e s t u d y p r o v i d e s c e r t a i n r e f e r e n c e f o r o p t i mi z a t i o n d e s i g n o f u nlo a d i n g v alv e ． Ke y wo r d s Un l o a d i n g v a l v e A ME S i m s i mu l a t i o nDy n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s 双泵合流转向优先液压系统是目前装载机常用的 液压系统之一 ，而卸荷阀的功能是在装 载机转 向时将 多余 的流量供给工作液压 系统 ，在装载机不转 向时将 转向泵的流量全部合流到工作液压系统中．以加快工 作装置速度 ．减少工作时间 ，提 高工作效率及燃油效 率当工作液压系统处于高压小流量工况时，工作液 压系统的压力升高到卸荷阀调定的卸荷压力时，转向 泵通过卸荷阀实现低压卸荷，节省能源，是实现该系 统合流与卸荷的重要压力控制元件。 1 卸荷阀的结构及工作原理 目前装载机双泵合流液压系统较多采用卸荷阀， 该卸荷阀主要由单向阀、先导阀、主阀、弹簧和密封 等组成 。通过单 向阀实现其合流作用 ，主阀实现卸荷 作用。单向阀包括单 向阀座、单 向阀芯和单 向阀弹 簧 ；主阀采用锥阀，结构类似液控单向阀，其结构包 括主阀套 、主阀芯、复位弹簧；导 阀采用滑 阀的形 式 ，可 以消除先导溢流 阀产生 的啸 叫。其具体结构包 括导阀盖和导 阀套 ，在导 阀盖 内设调压弹簧腔 ，调压 弹簧腔 内设 调压弹簧 ，在导 阀套 内设导阀芯孑 L ，导阀 芯孔 内设导 阀芯。 该卸荷阀阀体设有 3 个油口，其中第 1 油口连接 装载机 的工作液压 系 统供油油路 ，第 2油 口连 接 转 向 液 压 系 统 ，第 3油口连接油 箱 回路 。由液压原 理 图 1 可看 出 ．当装 载 机轻 载工作 时 ，其 工 作液压 系统 中的压 力 低于转向液压 系统的 图 1 卸荷阀原理图 压力．此时，第 l 油 口内的压力要低于第 2油口内．主阀处于闭合状态． 单向阀开启 ，第 2油 口与第 1 油 口导通 ，转 向泵 油液 经 E F口通过单 向阀至 P W 口与工作泵 系统合 流 ．以 提高装载机 液压系统 中的流量 当装载机进行大负荷 工作时 。其 工作液压 系统 中的压力高于转 向液压系统 中的压力 ，单向阀关 闭 ，此时第 1 油 口内的压力高于 先导阀的调定压力 ，又由于先导 阀与主阀开启控制油 路连通，主阀开启压力控制腔中的油液通过主阀开启 控制油路流到第 3油 口，造成 主阀开启压力控制腔 内 的压力降低，主阀芯在内外压差的作用下移动，从而 使得主 阀开启 。连通第 2油 口与第 3油 口，使转 向液 收稿 日期 2 0 1 4 0 6 - 1 8 作者简介曾文但 1 9 8 7 一 ，男，硕士研究生，研究方向为液压元件与系统。E m a i l 2 4 7 1 8 2 5 9 1 q q ． c o m。 1 0 0 机床与液压 第 4 3卷 切断压力 ，使 单 向 阀处 于 闭合 状态 ，此 时主 阀 口流 量为 0 ，然后升高主泵压力至调定压力，此时卸荷阀 卸荷 ，变量泵压力快速 降低 。通过卸荷 阀的流量 由 0 阶跃变化至最大流量 ，维持一段 时间后 主泵卸荷 ，分 别测得该 过 程 中 E F口及 P W 口处 的 压 力 ，如 图 5 所示 。 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 时 间， 曩 图 5 流量阶跃变化时的试验结果 分析图4与图5可以得出卸荷阀的仿真结果与 试验结果基本一致 ，其中实验曲线出现的液压脉动是 由于液压泵 的输 油脉 动所 引起 的，仿 真 时忽 略其 影 响，所以仿真曲线无此波动。由上分析可知，此模型 是正确的．所以这种仿真方法是合理可用的。 3 ． 2 仿真模 型动态特性分析 在设计卸荷阀时，既要保证其能实现既定功能， 同时希望能达到性能的最优。图 6是在仿真时间为 2 0 s。步长为0 ． 0 1 s 的情况下得到的主阀人口压力与 流量随时间变化的仿真曲线。 ￡ 罨 ‘R 幽 时 间， 0 a 压 力 曲线 晨 茸 ● 面 0 5 1 O l 5 20 时间， | b 流 量Q曲线 图6 主阀入口压力与流量一 时间曲线 图中 P 、 为流经 主 阀 口的压 力 ，P ， 为 先导 阀 口的 压力 ，9为流经主阀口的流量。调定变量泵系统压力 到其切断压力 5 M P a ，其工作压力通 过调节变量泵模 型中的切断阀中的调压弹簧的预紧力来实现，定量泵 系统 压力 调至 6 M P a ．通 过 比例溢 流 阀调 节负 载 压 力 ，模 拟外 负载的变化 ，从而实现定量泵系统压力的 需求。 由图 6 可知 ．建压时间为 0 。 2 7 s ，最高 瞬时压力 峰值达到 1 7 2 ． 8 MP a ，计算得 8 ％的压力超调量，当 主泵 卸荷时 。卸荷 阀关 闭 ，变量泵压力升高至切断压 力 5 MP a ，流量降为O 。 3 ． 3 结构参数对卸荷阀动态特性及性能的影响 卸荷阀的结构参数对其性能有很大的影响，在进 行卸荷 阀结构设计时 ，有些参数的取值 主要依靠设计 者 的经验 和水平 ，有时并不一定是最优参数 ，所 以选 择卸荷 阀中影响 因素较大的参数进行仿 真研究 。对其 优化具有很大的参考价值。 3 ． 3 ． 1 导阀弹簧刚度 不同的批处理仿真 先导阀的入口最高瞬时压力峰值上升 ，压力超调率相 应减小，且响应时间缩短 ，说明阀芯开启到达稳态的 过程较快 ，卸荷 时较平稳 ，提高 了卸荷阀的动态稳定 性 ；当 K 5 9 ． 6 N ／ m m时 ，卸荷 阀的压力 超调率 小于 1 0 ． 3 ％；当 K 4 9 ． 6 N ／ ra m时，卸荷阀的压力 超 调率为 1 4 ． 3 ％，满足压 力超 调率 小 于 3 0 ％的设计 要求 。 3 ． 3 ． 2 导 阀阀座孔直径不 同的批处理仿真 在 A M E S i m模型下 ，保持其他结构参数不变 ，对 先导阀阀座孔直径取不同值进行批处理运算 ．得到如 图 8 所示的仿真结果。 分析 图 8 可 以得 出 当 d 增大时 ，导阀的人 口压 力随之增 大 ，且 响应时 间相应缩 短 ，卸荷 时较平 稳 ， 但 导阀座孑 L 直径不能取得太大 ，因为 阀座孔截面会 随 着 d 的增大而增大，这样会增加先导阀弹簧设计的 难度，若取值偏小会使其压力稳定性变差。 3 ． 3 ． 3 主 阀弹簧刚度不同的批处理仿 真 对主阀弹簧刚度取不同值进行批处理运算 。得到 主 阀口压力一 时间曲线 ，如图 9所示 。 图 8 导阀人中压力 一 图 9 主阀入 口压力 一 时间曲线 时间曲线 分析图 9 可 以得 出在先导 阀调定压力一定的条 件下 ，当主阀弹簧刚度 K 1 0 N ／ m m时，主阀在 t 0 8 6 4 2 0 8 6 4 2 O ，‘i l l - 善 R旧 O 0 0 O O 0 0 4 8 2 6 3 2 1 l l -Ⅱ 目． 1 、 嘲撩 第 1 6期 曾文但 等 基于 A ME S i m的某型卸荷 阀动 态特性分析 1 0 1 5 ． 1 1 s 开启 ．t 5 ． 3 2 s 完全 开启 ，达 到最小 卸 荷 压 力 为 0 ． 4 7 7 M P a 当 主 阀弹 簧 刚 度 K5 N ／ m m 时 ， 主 阀在 t 5 ． 0 9 S 开启 ．t 5 ． 2 8 S 完 全开启 ，达到 最 小卸荷压力为 0 ． 3 2 MP a 当主阀弹簧刚度 K 0 ． 8 8 N ／ m m 时 ．主 阀在 t 5 ． 0 7 S 开启 ，t 5 ． 2 5 s 完全 开 启 ．达 到最小卸 荷压力 为 0 ． 2 9 6 M P a 。 由以上分析可知 不 同弹簧 刚度下 的压力超调 量 和压力上升时间不 同，弹簧刚度大则超调量 小 ，压力 上升时间短 ．反之则超调量小 ，压力上升 时间相对 较 长；增大主阀弹簧刚度会导致调压偏差增大，使得压 力控制精度降低 ，所以主阀弹簧刚度的选取应综合考 虑静态特性 。 3 ． 3 ． 4 主阀阻尼孔直径不 同的批处理仿真 对主阀阻尼孑 L 直径进行批处理运算，得到主阀人 口压力 一 时间曲线 ．如图 1 0所示 。 分 析 图 l 0可 以 得 出 在 先 导 阀调 定 压力 一 定 的 条 件 下 ， 当主阀 阻尼孔 直径为 0 ． 5 m m 时 ．主 阀 在 t 5 ． 1 2 S开 启 ．t 5 ． 4 6 S 完 全 开启 。达 到 最 小 卸 荷 压 力 为 1 ． 4 8 5 MP a 当 主 阀 图 l 0主阀入 口压力一 时间曲线 阻尼孔直径 为 0 ． 8 m m时 ，主阀在 t 5 ． 0 8 s 开启 ．t 5 ． 2 6 S 完全开启。达到最小卸荷压力为 0 ． 5 2 2 M P a ； 当主 阀 阻尼孔 直径 为 2 m m 时 ，主 阀在 ￡ 5 ． 0 2 s 开 启，t 5 ． 1 6 s 完全开启．达到最小卸荷压力为 0 ． 2 8 6 MPa 。 由以上 分析可 知 随着 主阀阻尼 孔直径 的增 大 。 卸荷建压时间随之减少，因而可以提高卸荷速度 ，但 同时主阀阻尼孔直径过大。会使得阀在卸荷时出现严 重的压力冲击，产生振动、噪声，这对阀的寿命和安 全 可靠性 都 会 产生 不利 影 响。而 主 阀阻尼 孔 直径 越 小 ，节流 与阻尼作用越 显著 ，阀的启闭特性好 ，动态 稳定性好 ，但阀芯动作滞后，灵敏度降低，增加了动 态超调量 ，且容易堵塞 ，工艺性也不好 。 4结论 基 于 A ME S i m 环 境 建 立 了某 卸 荷 阀仿 真模 型 ， 为其 动态特 性提供 了一 种 分析 手段 。分 析仿 真结 果 可知 卸荷 阀在工 作 中 ，常常 出现 压力 超 调 量 大与 卸荷 压力 大的现象 ，而其 主 阀芯 阻 尼孔 直 径 、弹簧 刚度、阀座孔直径对卸荷 阀的动态特性影 响较大 ， 采用适当的阻尼孔、弹簧刚度、阀座孔直径可 以减 小 其压力 超调 量与卸 荷压 力 ，使其 压力 超 调量 小 与 卸荷压力 小 。 参考文献 [ 1 ]付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真一从入门到 精通[ M] ． 北京 北京航空航天大学出版社 ， 2 0 0 6 ． [ 2 ]MA R Q U I S F A V R E Wi ff fi d ， B I D E A U X E r i c ，S C A V A R D A S e r g e ．A P l a n a r Me c h a n i c a l L i b r a r y i n t h e AMES i m S i mu - l a t i o n S o f t wa r ePa r t I Fo r mu l a t i o n o f Dy n a mi c s Eq ua t i o ns [ J ] ． S i m u l a t i o n Mo d e l l i n g P r a c t i c e a n d T h e o r y ． 2 0 0 6 ， 1 4 1 2 5 4 6 ． [ 3 ]穆希辉 ， 郭浩亮 ， 杜峰坡， 等． 基于 A ME S i m的负载敏感 变量泵的故障仿真研究 [ J ] ． 现代制造工程， 2 0 1 2 9 1 08-l1 1 ． [ 4 ]弓永军， 王祖温， 徐杰 ， 等． 先导式纯水溢流阀仿真与试 验研究[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 1 0 ， 4 6 2 4 1 3 6 1 4 2 ． [ 5 ]贺小峰， 何海洋， 刘银水， 等． 先导式水压溢流阀动态特 性的仿真[ J ] ． 机械工程学报， 2 0 0 6 ， 4 2 1 7 5 8 0 ． [ 6 ]马昌训 ， 吴运新 ， 滑广军， 等． 基于 A M E S i m的叠加式溢 流阀故障仿真研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 2 2 5 2 9 ． [ 7 ]武宗才， 刘志奇 ， 王素燕， 等． 矿用卸载阀结构参数的优 化研究[ J ] ． 液压气动与密封 ， 2 0 1 1 1 0 4 1 - 4 4 ． [ 8 ]周抚平， 初长祥， 武宗才． 基于 C F D的某型卸荷阀内流 场研究[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 4 2 1 5 - 1 7 ． 上接第 7 3页 4结论 准确计算出压力机的风压值 ，不仅对冲裁、弯 曲 、成形 、浅拉深 、校 正 等 冷 冲 压工 序 有 着很 大 影 响 ，而且 能提高高档模具 的使用寿命 。文 中论述 的平 衡器风压计算方法，计算出的风压值能很好地满足生 产的需要，已在很多家冲压生产企业中应用 ，得到了 合作方 的认可 。 在计算压力机风压的过程中，应用了工程仿真软 件真软件 A D A MS 。在工程机械设计与研究中．虚拟 样机技术的应用是一种发展趋势，可大大提高设计计 算过程和准确性 ，是今后计算 的发展方 向[ 5 ] 。 参考文献 [ 1 ]夏春风， 钟康民， 杨丽琴． 基于同步齿形带与滚动螺旋一 铰杆增力机构的伺服压力机设计[ J ] ． 机械设计与研究， 2 0 1 2 4 3 1 - 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