基于AMESim的先导式精密减压阀的建模与仿真研究

基于AMESim的先导式精密减压阀的建模与仿真研究
祝新军;李明;李杨
【摘要】针对减压阀的实用性和特殊性问题,首先对国内外液压研究现状进行了总结,并以三通先导精密减压阀为研究对象,通过绘制其CAD原理图,分析其实际工作原理并建立了静态特性分析数学模型.同时,借助AMESim模型进行仿真验证,利用仿真模型对大流量精密减压阀的结构参数和特性进行较全面的仿真研究,优化了常泄气口直径.仿真结果表明,随着常泄气口增大,将会使进气先导阀的开口和进气流量也随之增加,从而使先导腔在更短时间内达到饱和状态,且AMESim具有建模简便、运算快捷等优点,能够更大程度上节约实验和设计成本.
【期刊名称】《制造业自动化》
【年(卷),期】2018(040)005
【总页数】4页(P82-84,122)
【关键词】减压阀;仿真模型;结构参数;先导腔
【作者】祝新军;李明;李杨
【作者单位】绍兴职业技术学院机电工程学院,绍兴 312000;西南林业大学机械与制造工程学院,昆明 650224;绍兴职业技术学院机电工程学院,绍兴 312000;西南林业大学机械与制造工程学院,昆明 650224
【正文语种】中文
【中图分类】TH137.51
0 引言
减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压力损失，使其出口压力低于进口压力的压力控制阀[1～3]。

按调节要求不同，减压阀可分为定压减压阀、定比减压阀和定差减压阀。

其中定压减压阀具有控制出口压力为定值，使液压系统中某一部分得到较供油压力低的稳定压力等优点，而广泛应用于工程机械、航空航天、水利水电等液压控制系统，且系统中的夹紧或定位装置能够得到低于主油路的恒定压力。

工程中将定压减压阀分为直动式和先导式两种结构形式，且先导式较直动式能够减少由于流量变动引起的出口压力波动、性价比高等特点而被广泛使用。

减压阀的实用性与特殊性吸引了大批国内外学者的注意，相应地开展了一系列研究工作。

Amini等[4]通过改变原有扁平的插头和对阀座的重新设计，大幅度地消除了气体减压阀中常出现的机械振动，且流量增加了约25%。

Zhi等[5]设计了一套新型附带节流孔板的减压阀，同时提出了减少能量损失对阀体和阀孔板结构的改进方法。

Jin等[6]提出了一种新型的高压多级减压阀，可用于加氢站氢稳定减压。

白晓瑞等[7]通过建立典型结构的先导式减压阀的数学和仿真模型，从而在仿真结果的基础上分析其输出压力、流量等动、静态特性。

周峰等[8]根据主阀芯受力平衡方程、压力流量方程和螺旋桨负载特性建立系统数学模型，并利用开环伯德图和闭环频响曲线分析特征参数对阀稳定性的影响。

综上所述，已有研究大多都只考虑减压阀的应用，缺乏对各类型减压阀的建模分析，且对先导式减压阀的研究更是屈指可数。

针对现有文献的不足，采用三通先导精密减压阀为研究对象，根据主阀流量方程、主阀阀芯受力平衡方程和先导阀阀芯受力方程建立了准确的数学模型，同时利用AMESim软件对数学模型和算法进行仿真验证。

1 减压阀的工作原理
图1所示为三通先导精密减压阀（IR412-04型）工作原理。

当顺时针旋转设定手轮8时，调压弹簧9被压缩，从而推动挡板12，并关闭喷嘴6，此时输入气压力通过固定节流孔16流入膜片B的上腔，气压力推动膜片C，使主阀芯11开启，则有压力输出。

此输出压力一方面作用在膜片C的下腔，与膜片B的上腔气压力相平衡；另一方面，通过右侧通路，进入膜片A下腔，与设定弹簧力相平衡以维持出口压力不变。

当出口压力增大时，膜片A上移，喷嘴与挡板开启，膜片B上腔压力下降，则膜片B、C组件上移，从而使得常泄式排气阀芯瞬时开启，出口压力下降又维持出口压力不变。

由于喷嘴挡板机构和常泄式排气阀的溢流作用对压力调节极为敏感，因此能实现精密稳压。

图1 减压阀工作原理图1.调零螺丝；2.锁紧螺母；3.垫片；4.阀盖；5.压垫；6.喷嘴；8.手轮；9.调压弹簧；11.主阀芯；12.挡板；13.排气座；14.内六角螺塞；15.铜套；16.固定节流孔
2 减压阀数学模型
根据三通先导精密减压阀的基本结构，其静态特性可根据平衡状态对动态方程进行简化得到。

忽略阀芯自重和摩擦力，主阀流量方程为：
式中，q为通过主阀阀口流量，Cd1为主阀阀口流量系数，D为主阀阀芯直径，y 为主阀阀口减压缝隙长度，p1为减压阀进油口压力，p2为减压阀出油口压力，ρ为油液密度。

主阀阀芯受力平衡方程为：
式中p3为主阀上腔压力，A为主阀阀芯油压作用面积，k1为主阀弹簧刚度，y0为主阀弹簧预压缩量，ymax为主阀阀口最大开口长度，α为阀口射流角，一般取α=69°。

主阀阻尼孔流量方程为：
式中d0为固定阻尼孔直径，l0为固定阻尼孔长度，µ为油液动力粘度。

先导阀流量方程为：
式中Cd2为先导阀阀口流量系数，d为先导阀阀座孔直径，x为先导阀开口长度，φ为先导阀半锥角。

先导阀阀芯受力平衡方程为：
式中x0为先导阀弹簧预压缩量，k2为先导阀弹簧刚度，A2为先导阀阀座孔截面积。

联立式(2)和式(4)，消除中间变量p3可得：
由式(6)可知，该减压阀的出油口压力p2由三项组成：1为克服主阀弹簧力所建立的油压值，其中y为变量；2为克服先导阀弹簧力所建立的油压值，其中x为变量；3为主阀阀口液动力所建立的油压值。

为了减少流量变化对出油口压力p2的影响，在选择阀的结构参数时，一般取x＜＜x0、y＜＜y0+ymax、A2＞＞
Cd2πdxsin2φ，并适当增大主阀阀芯直径D，故可p2近似为：
通过采取上述结构措施可以保证在流经减压阀的流量变化时，出口压力p2基本不变。

3 减压阀仿真分析
3.1 减压阀的AMEsim建模
采用Imagine. Lab的AMEsim进行减压阀建模分析，该平台能够更加专注于系
统本身的设计而非繁琐的数学建模[9～11]。

根据减压阀的工作原理，建立精密减压阀完整仿真模型如图2所示，同时参照阀的参数，设置仿真模型模型参数如表1所示。

图2 精密减压阀的AMEsim仿真模型
3.2 仿真结果分析
通过在仿真模型中设定上述参数，并设进气压为从0阶跃到5bar，调压旋钮初始位移为零（先导部分未参与调压），仿真时间设置为10s，仿真最小出气压随时间的变化（如图3所示）。

从图中容易看出，在0～2.5s之间，出气压呈不规则变化且均为负值；在2.5～10s之间，气压均为正且仍呈不规则变化，并在4s、6s、8s、10s达到瞬时稳定状态。

表1 减压阀仿真参数参数数值主阀口流量系数0.7主阀阀芯直径/mm 13主阀阀口减压缝隙长度/mm 30减压阀进油口压力/MPa 8减压阀出油口压力/MPa 5油液密度/kg·m-3 850主阀上腔压力/MPa 6主阀弹簧刚度/N·mm-1 30主阀弹簧预压缩量/mm 3.5主阀阀口最大开口长度/mm 5固定阻尼孔直径/mm 0.5为固定阻尼孔长度/mm 1.5油液动力粘度/mm2·s-1 32先导阀阀口流量系数0.8先导阀阀座孔直径/mm 10先导阀半锥角/°20先导阀开口长度/mm 10先导阀弹簧预压缩量/mm 15先导阀弹簧刚度/N·mm-1 20先导阀阀座孔截面积/mm2 78.5
图3 精密减压阀最小出气压仿真曲线
对于分析减压阀的反馈先导部分，除了考虑增益外还需要建立先导腔内部气压变化的仿真过程，该气压主要通过对控制膜片的作用，从而影响主阀口的开度大小。

本文通过查阅现有文献[12,13]，目前对减压阀常泄气口的分析侧重考察其直径和先导腔容积对气压建立过程的影响。

为了便于区分，本文将反馈气压设定为6bar，且在平衡状态下先导腔内的气压为3.5bar。

仿真结果如图4所示，对于不同的常泄气口直径，稳定气压与常泄气口直径呈反比例关系。

同时由于常泄气口增大时，
将会使进气先导阀的开口和进气流量也随之增大，因此先导腔将会在更短时间内达到饱和状态。

图4 不同常泄气口直径下的先导腔气压响应
图5所示为减压阀正向流量特性对应的主阀口开度，从图中可以看到随着用气流
量的逐渐增大，主阀口开度也随着增大，但由于出气口处存在节流孔，从而使主阀口开度无法达到临界状态（即主阀口开度由阀体上的限位特征来决定的状态），因此减压阀将保持在调压状态，并能得到较理想的流量特性。

由图5还可以看出，
随着气流量的逐渐增大，对于4.0bar和2.5bar的出气压，主阀口的开度大小与预期最大开度相差甚远，此表明应适当增大出气口处的节流口。

由此可见，在液压系统中选择减压阀时，应在考虑实际工况的基础上匹配下游元件的流通能力，以便充分发挥减压阀的优势性能。

图5 减压阀正向流量特性对应的主阀口开度
4 结束语
首先对减压阀的实用性和有效性进行了分析，并在国内外研究学者的基础上，以三通先导精密减压阀为例，研究其工作原理并建立数学模型。

同时，根据AMESim
软件建立精密减压阀的仿真模型，并在小流量精密减压阀的基础上对模型进行验证，然后利用仿真模型对大流量精密减压阀的结构参数和特性进行较全面的仿真研究，优化了常泄气口直径，最后利用减压阀正向
【】【】流量特性对应的主阀口开度，对减压阀的优势性能进行了概括。

本实验结果为指导样机的设计提供参考。

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