螺纹插装先导溢流阀动态分析

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。
-
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
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。
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
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
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
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 溢流阀 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
-
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；
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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 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。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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。
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
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
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
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。
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
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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。
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
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
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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
（11）
Fosp = 0
（12）
( ) p - pa A1 = Kspl Dpsp + Fcsp