螺纹插装先导溢流阀动态分析

1）先导阀未开启，即 ( pa - pb) A2 Kpl Dppl ，Dpl = 0
时有：
ppl = 0
（3）
Fopl = 0
（4）
( ) pa - pb A2 = Kpl Dppl + Fcpl
（5）
2）先导阀开启，即 Dpl > 0 ，Fcpl = 0 时有：
( ) ( ) pa - pb
A2 = -Fopl + Kpl
此阀的补油功能仿真模型如图 8 所示。补油口 压力为 0.5 MPa，系统压力基本为 0 时，补油流量如图 9 所示，在主油路和执行机构油路出现“真空”时起到 补油作用，防止吸空。
图 4 复位弹簧刚度 1 N/mm~55 N/mm 批处理
图 8 补油功能建模
图 5 主阀阻尼系数 5 N/(m/s)~2 560 N/(m/s) 图 6 阻尼孔 X 孔径 0.9 mm~1.8 mm 批处理 图 7 先导弹簧刚度系数 100 N/mm~105 N/mm 批处理
图 9 补油流量
4 结语
由图 4 可知，在一定范围内，随着复位弹簧刚度 增大，阀第一次到达峰值时间变长，但峰值变小，稳定 时间变短。由图 5 可知，在一定范围内，随主阀芯阻 尼系数增大，阀动态响应变慢，峰值几乎不变，稳定时 间变长。由图 6 可知，在一定范围内，随着主阀中心 阻尼孔 X 孔径变大，阀第一次达到峰值时间变长，峰 值变大，响应时间变长，稳定性变差，超过 1.5 mm，开 始振荡。由图 7 可知，在一定范围内，随着先导弹簧 刚度变大，阀第一次到达峰值时间几乎不变，峰值几 乎不变，但稳定时间变长。
当 P 口压力小于溢流阀设定值时，先导阀关闭，P 口压力与缓冲阀芯后腔压力相等，作用在后腔的面积 比 P 口前腔面积大，在此力以及复位弹簧的共同作用 下，缓冲阀芯始终紧靠主阀芯，而且主阀芯关闭。
当 P 口压力小于 T 口压力时，由于基座 3 左端受 力面积比右端大，在 T 口压力作用下，基座 3 克服弹簧 13 右移，T 口的油液流向 P 口，从而向系统实现补油。
中图分类号：TH137
文献标志码：A
文章编号：1672-8904-（2014）06-0005-004
螺纹插装先导溢流阀结构紧凑，密封性好，已经 被广泛用于工程机械领域。在复位弹簧的作用下，该 阀的缓冲阀芯和先导阀芯之间接触或分离，实现了阻 尼孔孔径的变化，减小了阀的冲击。
功率键合图法是一种系统动力学建模方法，它以 图形方法来表示、描述系统动态结构，是对系统进行 动态数字仿真时有效的建模工具。本文通过功率键 合图法，导出该阀的动态方程，从理论上得出影响阀 性能的参数；基于 AMESim 软件，用批处理方法分别 对这些参数进行仿真，得出阀的动态特性曲线，并找 出这些参数最佳值，为该阀的改进提供理论依据。
（上接第 4 页） 从图 7 和表 4 可知：力矩马达组件在随机振动下，
其反馈杆末端（图 7a）沿 X 轴产生 0.6 μm 的最大位 移；同一位置（图 7b）沿 Y 轴产生 0.1 μm 的最大位移； 如图 7c，沿 Z 轴产生 0.9 μm 的最大位移。其中最大位 移发生在反馈杆的末端（图 7a）。从图 8 可知：力矩马 达组件的最大应力值为 2.77 MPa，发生在弹簧片内环 圆角处，远小于弹簧片材料铍青铜（C17200-TD02）的 屈服强度 590 MPa。因此振动环境下材料能正常工 作。
4 结语
通过射流管伺服阀力矩马达组件的模态分析可 以得到各部件对应的固有频率。通过随机振动分析， 可以得出力矩马达各部位的位移值与应力值。力矩 马达组件在随机振动下最大位移发生在反馈杆的末 端，最大应力发生在弹簧片内环圆角处。分析结果对 射流管伺服阀的振动环境试验、产品设计与分析有一
流经阻尼孔流量 (x,y,p,z) 流量为：
V̇
=
C
a
∆p
1 2
-
j
经过主阀芯及先导阀芯流量为：
（16） （17） （18） （19） （20）
V̇ o = Cd πds Dsp
2(
p
ρ
p
a)
sin
θ
（21）
V̇ p = Cd πdp Dpl
2pa ρ
sin
θ
（22）
3 AMESim 仿真
根据阀的结构和参照功率键合图，在 AMESim 软 件中建立的仿真模型如图 3 所示。
-
Rsp
psp Msp
（9）
Fsp = Fosp + Fcsp
（10）
式中，Fosp 表示先导阀打开时的动态液动力；
Fcsp 表示先导阀关闭时基座作用在主阀芯的支
持力。
根据主阀芯开闭状态，分以下两种情况：
1）主阀未开启，即 ( p - pa) A1 Ksp Dpsp ，Dsp = 0 时
有：
psp = 0
图 1 螺纹插装先导溢流阀结构简图
工作时，当 P 口压力大于先导阀设定压力时，先
收稿日期：2014-06-16 作者简介：赵晟（1983-），男，在读硕士研究生。研究方向为机械电子 工程。
导阀打开，油液流经缓冲阀芯 2 的中心阻尼孔 X，由于 其阻尼值不大，缓冲阀芯后腔压力值略小于 P 口压 力，缓冲阀芯 2 在此压差作用下克服复位弹簧 9 向右 移动，直至被先导阀芯 14 顶住，一方面先导阀芯受到 压力值进一步增大，先导阀芯进一步右移；另一方面 油液只能通过缓冲阀芯阻尼孔 Y，此阻尼值很大，压 降大大增大，主阀芯在此压差作用下打开，实现溢流。
位弹簧、先导弹簧的刚度系数。 V̇ s 、V̇ x 、V̇ p 分别为系 统流量、阻尼孔 x（或 y）流量和阻尼孔 z 流量。 Ḋ sp 、 Ḋ pL 分别为主阀芯速度、先导阀芯速度。
作用在先导阀芯上的力：
( ) ( ) ṗ pl =
pa - pb
A2 + Fpl - Kpl
Dpl + Dppl
-
R
pl
p pl M pl
（1）
Fpl = Fopl + Fcpl
（2）
式中，pa 表示缓冲阀芯后腔 A 的压力； pb 表示先导阀后腔 B 的压力；
第6页
K 表示弹簧刚度； Fopl 表示先导阀打开时的液动力； Fcpl 表示先导阀关闭时旋入套作用在先导阀芯 的支持力。
图 2 阀的功率键合图
根据先导阀阀芯开闭状态，分以下两种情况：
图 3 溢流阀 AMESim 仿真模型
阻尼孔变化通过换向阀来实现，在系统流量 6 L/ min 及设定压力 p = 22.5 MPa 下，得到参数见表 1。
表 1 溢Hale Waihona Puke Baidu阀 AMESim 参数
主阀阻尼系数 主阀质量 主阀半锥角 主阀孔径 复位弹簧刚度系数 复位弹簧预紧力 阻尼孔 X 孔径 阻尼孔 Y 孔径 回汨阻尼孔 Z 直径 先导阀阻尼系数 先导阀质量 先导阀半锥角 先导阀孔径 先导弹簧刚度系数 先导弹簧预紧力
（15）
2014 年第 6 期
Ḋ sp
=
psp Msp
p 腔流量为：
V̇ 1 = V̇ s - V̇ o - V̇ x - Ḋ sp A1
A 腔流量为：
V̇ a = V̇ x - V̇ p + Ḋ sp A1 - Ḋ p1 A2
B 腔流量为：
V̇ b = V̇ p + Ḋ p1 A2 - V̇ z
Zhao Sheng Leng Jinping Xin Keli
Abstract: The cartridge style pilot relief valve is widely used in construction machinery field owning to its compact structure. This valve's damping orifice is variable, which improves the stability and impact resistance. What’ more, the valve can realize filling oil. This paper tells the principle of the valve, and analyzes its dynamic performance by power bond graph method and AMESim software, which concludes how the parameters impact on its dynamic performance, such as the main valve spool damping coefficient, damping orifice diameter, the pilot spring stiffness and so on. Key words: cartridge pilot relief valve; power bond graph; AMESim
operated pressure relief valve. Simulation Modelling Practice and Theory. 2002,(10):35-49.
第8页
2014 年第 6 期
Dynamic Analysis of Cartridge Pilot Relief Valve
Dpl + Dppl
+ Rpl
p pl M pl
+ ṗ pl
（6）
( ) Fopl = -C Cv a πdpl pa - pb Dpl sin 2φ
D. pl
=
p pl M pl
（7） （8）
作用在主阀芯上的力为：
( ) ( ) ṗ sp =
p - pa
A1 + Fsp - Ksp
Dsp + Dpsp
2 功率键合图法分析
该阀的功率键合图如图 2 所示。C1、C2、C3 分别
为 P 腔、缓冲阀芯后腔 A 和先导阀后腔 B 的液容，R1、
R（x Ry）、Rp、Rz分别为流向系统、缓冲阀芯阻尼孔、先导
阀芯阻尼孔和先导阀流向油箱阻尼孔的液阻。Rsp、Rpl
分别为主阀芯、先导阀芯阻尼系数。C4、C5 分别为复
5 N/(m/s) 0.1 kg
45∘ 15 mm 1.42 N/mm 10 N 1.1 mm 0.25 mm 1.5 mm 500 N/(m/s) 0.02 kg
15∘ 4 mm 102.2 N/mm 190.76 N
2014 年 11 月
赵晟，等：螺纹插装先导溢流阀动态分析
第7页
在 AMESim 软件中，分别用批处理方法仿真复位 弹簧刚度，阻尼孔直径，先导弹簧刚度系数，得出这些 参数对阀特性的影响，分别如图 4~图 7 所示。
第 6 期（总期 67 期） 2014 年 11 月
Fluid Power Transmission and Control
No.6(Serial No.67) Nov., 2014
螺纹插装先导溢流阀动态分析
赵 晟 冷景平 邢科礼
（上海大学机电工程与自动化学院 上海 200072）
摘 要：螺纹插装先导溢流阀结构紧凑，已经被广泛用于工程机械领域。该阀阻尼孔可变，稳定性和抗冲击性较好， 而且具有补油功能。叙述了该阀的工作原理，并运用功率键合图法和 AMESim 软件，分析得出了主阀芯阻尼系数、阻 尼孔孔径、先导弹簧刚度等参数对该阀性能的影响。 关键词：螺纹插装先导溢流阀；功率键合图法；AMESim
1 工作原理
螺纹插装先导溢流阀结构如图 1 所示。
1-进油口；2-缓冲阀芯；3-基座；4-主阀芯；5-挡圈；6-O 型圈； 7-O 型圈；8-连接套；9-复位弹簧；10-O 型圈；11-挡圈；12-旋入套；
13-弹簧；14-先导阀芯；15-O 型圈；16-先导弹簧；17-调节螺钉； 18-O 型圈；19-调节螺钉；X-中心阻尼孔；Y-缓冲阀芯阻尼孔
（11）
Fosp = 0
（12）
( ) p - pa A1 = Kspl Dpsp + Fcsp
（13）
2）先导阀开启，即 Dsp > 0 ，Fcsp = 0 时有：
( ) ( ) p - pa
A1 = -Fosp + Ksp
Dsp + Dpsp
+
Rsp
psp Msp
+ ṗ sp
（14）
Fosp = -C Cv a πdsp( p - pa) Dsp sin 2θ
参考文献 [1] 王积伟，章宏甲，黄谊. 液压与气压传动[M]. 北京：机械
工业出版社，2005. [2] 高盼涛，程志红，崔永亮. 基于 AMESim 的安全阀动态仿
真研究[J]. 煤矿机械，2012,33(3):52-53. [3] 张双娟. 先导式溢流阀静态特性理论分析[J]. 机械研究与
应用，2010,(1):19-21. [4] K. Dasgupta, R. Karmakar. Dynamic analysis of pilot