基于 AMESim 的螺纹插装式平衡阀动态特性的分析

0302 某型飞机转弯作动筒是飞机液压系统中将液压能 收稿日期： 2011作者简介： 禹新鹏（ 1980 —） ， 女， 陕西兴平人， 工程师， 本科， 其 工 作 压 力 不 大 于 15 转化为 机 械 能 的 执 行 元 件， 主要从事飞机起落架设计与研究工作 。 MPa， 转弯作动筒在使用过程中， 其活塞杆频繁被与之 櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘櫘
2011 年第 10 期
81 液压与气动 当液流从 ① 至 ② 时， 单向阀截止， 阀口关闭， 油口 ， 1 2 ①的压力达到一定值时 阀杆 和阀芯 一起克服调 使得阀杆 2 的上端面顶住 压弹簧的预紧力向上运动， 弹簧座 5 的下端面； 当控制油口 ③ 的压力达到调压弹 簧 6 的弹簧力和阀芯 2 的环形面积所确定的控制压力 时， 阀芯 2 克服调压弹簧力向上运动， 阀口开启， 实现 了从①至②的节流流动。平衡阀阀口开启所需的控制 压力完全由调压弹簧 6 的弹簧力和阀芯 2 环形面积所 决定。 此平衡阀还具有安全阀的功能。 当无控制压力， 而油口①的压力超过设定压力时 （ 如热膨胀、 外力等 原因造成） ， 由于阀芯 2 的下端面具有很小的承压面 因此阀芯 2 在油压作用下可以克服调压弹簧力的 积， 开启阀口而溢流 （ ① → ② ） ， 以避免液压执行器 作用， ［3 ］ 由于过压损坏 。
2011 年第 10 期
83 液压与气动
某型飞机转弯作动筒外部密封结构的改进设计
禹新鹏
Improvement design of the outer seal structure for steering actuator of a certain aircraft
2011 年第 10 期 82 液压与气动
预紧力时（ 弹簧刚度取为 10 N / mm ） ， 活塞杆下降时速 ， 30 N、 50 N、 70 N。 度响应曲线 其中弹簧预紧力分别为
图5
不同负重时的活塞杆速度曲线 图8 不同弹簧刚度时的活塞杆下降速度曲线
压力差作用下， 阀杆即处于最下端位置， 阀口大开， 为 。 单向阀的正向自由流动工况
0225 收稿日期： 2011A5200210 ） 基金项目： 甘肃省科技攻关计划（ 2GS066作者简介： 冀宏（ 1972 —） ， 男， 陕西省宁陕县人， 教授， 博士， 主要从事流体传动与控制技术的科研和教学工作 。
2． 阀芯 3． 阀套 4． 复位弹簧 5． 弹簧座 6． 调压弹簧 7． 调压螺母 8． 阀套阻尼孔 9． 阀芯阻尼孔
图1
螺纹插装式平衡阀
1、 阀芯 2 、 阀套 3 、 复位弹簧 4 、 调压弹簧 6 和密封等组 成， 阀杆 1 的锥面与阀芯 2 的端部之间形成锥形的阀 口。平衡阀上有主油口①、 ②和控制油口③， 在平衡回 路中分别连接液压缸、 换向阀和控制油路， 油路连接如 图 1b 所示。 当液流从②至①时， 由于复位弹簧力很小， 在较小
［4 ］
3 3． 1
仿真结果分析 液压缸负重的影响 图 5 为在不同的负重情况下， 液压缸活塞杆上升
和下降的速度响应曲线， 图中给出了液压缸负重分别 5000 kg、 6000 kg 时的响应曲线。由图 5 可 取 4000 kg、 见， 在液压缸上行时， 活塞杆速度响应曲线有 0． 04s 的 滞后， 这主要是由液容引起的响应滞后， 随着负重增 加， 活塞杆响应速度的超调量有所增大 ； 在液压缸下行 ， 时 负重大小对活塞杆的运动速度有很大的影响 ， 当负 重较小时（ 如 4000 kg） ， 液压缸运动速度非常平稳， 随 着负重的增加， 速度出现波动， 且随着负重的进一步增 加， 波动明显增大。
在分析其他参数对动态特性的影响时 （ 图 6 ～ 图 11 ） ， 液压缸塞杆下降速度曲线
图9
不同弹簧预紧力时的活塞杆下降速度曲线
图7
不同阀套阻尼孔时的活塞杆下降速度曲线
图 10
不同阀口锥角时的活塞杆下降速度曲线
3． 2
阻尼孔的影响
图 6 为不同阀芯阻尼孔时， 活塞杆下降时速度响 0． 7 应曲线， 其 中 阀 芯 阻 尼 孔 直 径 分 别 为 0． 3 mm、 mm、 1． 1 mm， 阀套阻尼孔直径取为 0． 4 mm。图 7 为不 同阀套阻尼孔时， 活塞杆下降时速度响应曲线， 其中阀 0． 4 mm、 0． 6 mm， 套阻尼孔直径分别为 0． 2 mm、 阀芯 阻尼孔直径取为 0． 7 mm。 从图 6 、 图 7 可见， 当阻尼 孔直径很小时 （ 如阀芯阻尼孔 0． 3 mm， 或阀套阻尼孔 0． 2 mm） ， 液压缸下降的速度比较平稳， 随着阻尼孔直 ， 径增大 液压缸运动出现了明显的速度波动现象 。 在分析其他参数对动态特性的影响时 （ 图 5 ， 图8 ～ 图 11 ） ， 阀芯阻尼孔直径取 0． 7 mm， 阀套阻尼孔直 径取 0． 4 mm。 3． 3 调压弹簧刚度及预紧力的影响 图 8 为调压弹簧取不同刚度 （ 预紧力取为 50 N ） 时， 活塞杆下降时速度响应曲线， 其中弹簧刚度分别为 5 N / mm、 10 N / mm、 15N / mm； 图 9 为调压弹簧取不同
1． 电动机 2． 液压泵 3． 溢流阀 4． 电磁换向阀 5． 信号源 6、 14 ～ 17． 容腔 7． 阀套阻尼孔 8． 阀杆 9． 液压缸 10． 阀芯阻尼孔 11． 阀芯 12． 调压弹簧 13． 阀杆锥角
2
仿真模型的建立
图3
仿真模型
典型的平衡回路系统如图 2 所示， 包括液压泵、 换 向阀、 平衡阀及液压缸等。
1000 r / min。仿真模型中包含平衡阀内部及与之相连 液容参数由平衡阀结构及连接管道尺 的各液容模块， 寸计算确定， 与平衡阀连接的管道的动态效应予以忽 略。选择电磁换向阀的换向过程作为系统动态过程的 输入信号， 换向过程如图 4 所示， 换向阀从零位到大开 以及从大开至零位的过渡时间设为 0． 5 s。
角的角度较小时（ 如 80° ） ， 速度波动幅度明显较小， 随 着阀口锥角的角度增大， 波动幅度逐渐增大。 由锥形 锥角的角度越大， 阀口面积 阀口的面积计算公式可知， ， 梯度越大 即阀芯单位位移引起的阀口面积变化越大 ； 动态过程中， 阀口面积变化大， 则液压缸活塞杆运动速 度变化也大， 阀口面积梯度对液压缸下降时活塞杆速 度稳定性有很大影响。 图 11 为液压缸下降时， 平衡阀阀芯在不同阀口锥 角时的位移曲线， 其中阀 口 锥 角 的 角 度 分 别 为 80° 、 120° 、 140° 。由图 11 可见， 在液压缸下降过程中， 平衡 阀阀芯处于连续振动状态， 阀口锥角的角度较 小 时 （ 如 80° ） ， 阀芯振动幅度较小， 随着阀口锥角的角度增 大， 阀芯振幅逐渐增大。仿真结果表明， 液压缸下行时 的速度波动是由平衡阀阀芯的振动引起 。 4 结论 基于 AMESim 环境建立了带有螺纹插装式平衡阀
2011 年第 10 期 80 液压与气动
基于 AMESim 的螺纹插装式平衡阀 动态特性的分析
冀
1 1 2 宏 ，梁宏喜 ，胡启辉
Dynamic analysis of hydraulic screw-in counterbalance valve based on AMESim
1． 液压泵 2． 换向阀 3． 溢流阀 4． 液压缸 5． 平衡阀
图2
平衡回路系统图
图4
换向阀的换向过程
根据螺纹插装式平衡阀的结构图和平衡回路系统 HCD 图， 通过 AMESim 中的机械、 控制、 液压应用库、 中等液压元件模型块作为构建的基础 ， 建立了带有 螺纹插装式平衡阀的平衡回路的 AMESim 仿真模型， 如图 3 所示。基于本仿真模型， 分析和研究平衡阀主 要结构参数和系统参数对平衡阀及系统的动态特性的 影响。 仿真模型中的主要参数设置如下： 油液密度 890 2 kg / m3 ， 油液运 动 粘 度 40 mm / s， 油液体积弹性模量 1000 MPa； 液压缸活塞直径 100 mm、 液压缸活塞杆直 液压缸行程 1 m、 活塞杆初始位移为 0 m； 泵 径 70 mm、 排量 100 mL / r， 溢流阀开启压力 25 MPa ， 电动机转速
YU Xinpeng
（ 中航飞机起落架有限公司，陕西 汉中 723200 ）
要： 该文为了解决某型飞机转弯作动筒的活塞杆被与之配合并安装有密封装置的轴套划伤而致使 其密封装置功能失效的问题， 对转弯作动筒外部密封的结构进行了改进设计， 并结合试验和实际应用的情 摘 况， 反映了改进结构的优点。 关键词： 转弯作动筒； 外部密封； 改进设计 中图分类号： TH137 引言 密封装置是保证液压附件以及整个液压系统可靠 工作的重要组成部分， 密封装置设计和选择的是否合 理， 将直接影响整个液压系统的功能及使用寿命 。 因 此， 密封装置的设计是液压附件设计中最基本而又十 分重要的问题。
JI Hong1 ，LIANG Hongxi1 ，HU Qihui2
（ 1． 兰州理工大学 能源与动力工程学院，甘肃 兰州 730050 ； 2． 伊顿流体动力（ 上海） 有限公司，上海 200131 ）
要： 建立了带有螺纹插装式平衡阀的液压平衡回路的 AMESim 仿真模型，仿真分析了液压缸负重 和平衡阀内阻尼孔、 阀口锥角、 弹簧刚度等主要参数对平衡阀及其回路动态特性的影响 。结果表明液压缸负 摘 重、 平衡阀内阻尼孔和阀口锥角等对液压缸下行运动的速度平稳性产生重要影响 ， 该研究为螺纹插装式平衡 。 阀的设计及平衡回路参数匹配提供了指导 关键词： 螺纹插装式平衡阀； 平衡回路； 动态特性； AMESim 中图分类号： TH137 前言 液压平衡回路应用广泛， 其性能直接影响着液压 起重机、 液压举升设备等的工作性能和安全可靠性 。 平衡回路工作过程中均有三种运动状态 ， 即举重上升、 承载静止、 负重下行， 在负重下行时系统易出现“低频 抖动” 等振动现象， 严重影响工程机械的工作性能以 ［1 ］ 及安全性 。平衡阀是平衡回路中的核心控制元件， 其性能直接决定了平衡回路的动态性能 ， 因此揭示平 衡阀的结构及其参数对液压平衡回路的影响 ， 对于平 衡阀及平衡回路设计具有重要的意义。 近年来， 螺纹 、 插装 式 平 衡 阀 以 其 结 构 紧 凑 安 装 连 接 方 便 等 优 点 ， 逐渐被广泛应用于工程机械液压平衡回路中 。 本文基于 AMEsim 仿真环境， 建立了螺纹插装式平衡