基于amesim的液壓節(jié)流閥口仿真分析

基于amesim的液壓節(jié)流閥口仿真分析

在液壓表系統(tǒng)中，液壓表單元的運(yùn)動(dòng)速度、穩(wěn)定性和響應(yīng)時(shí)間通常由液壓源決定。其次，液壓源的性能取決于滑斗界面的形狀和工作性能。不同的開(kāi)口可以獲得不同的流量控制曲線，并且系統(tǒng)具有不同的工作特點(diǎn)。對(duì)于液壓表滑動(dòng)框架的開(kāi)口，有很多形式。根據(jù)開(kāi)口的形狀，可分為全周開(kāi)口和非全周開(kāi)口。傳統(tǒng)的滑動(dòng)儀表通常采用全周開(kāi)口的形式。其優(yōu)點(diǎn)是可以準(zhǔn)確地表達(dá)閥口流量調(diào)節(jié)范圍內(nèi)閥芯位移的函數(shù)關(guān)系，這有助于預(yù)測(cè)和設(shè)計(jì)液壓表的性能。然而，在液壓機(jī)械儀表控制單元中，非全周開(kāi)口的形狀被廣泛使用。這種類型的流量控制器具有較大的流量調(diào)節(jié)范圍和良好的小流量穩(wěn)定性。閥口的水力半徑大，阻力低，可靠性好，閥口面積位移簡(jiǎn)單，流量誘導(dǎo)性能好，不敏感于油流量和粘度變化。目前針對(duì)非全周開(kāi)口滑閥節(jié)流閥口過(guò)流面積的計(jì)算原則及等效方法的相關(guān)研究還不多,已有的公式因相關(guān)計(jì)算參數(shù)難以確定,使其在應(yīng)用于液壓閥芯的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí),閥口通流性能存在不確定性.本文針對(duì)幾種典型節(jié)流閥口結(jié)構(gòu)特征開(kāi)展研究,推導(dǎo)出具有普遍適用性的過(guò)流面積計(jì)算通式,并利用仿真模型,進(jìn)一步闡述不同類型閥口在不同負(fù)載、外形尺寸下,對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響,為液壓控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、合理選用節(jié)流閥口提供一定的參考.1角槽形節(jié)流閥口對(duì)于非全周開(kāi)口形式的節(jié)流閥口,因閥口復(fù)雜的結(jié)構(gòu)形式,其過(guò)流面積與閥芯位移多為非線性關(guān)系,一般以近似函數(shù)代替準(zhǔn)確的函數(shù)表達(dá)式.目前應(yīng)用較多的閥口形狀為三角槽形(trianglegroove)、U形(U-shaped)、梯形(trapezoidal)、半圓槽形(semicirclegroove)、L形(L-shaped)等,圖1為這幾類節(jié)流閥口三維CATIA(computeraidedtridimensionalinterfaceapplication)示意圖.三角槽形節(jié)流閥口一般以閥芯軸線為中心,在閥芯端部對(duì)稱均布2~4個(gè)節(jié)流槽,與閥體內(nèi)腔形成過(guò)流面積,通過(guò)軸向移動(dòng)閥芯,改變?nèi)遣圻^(guò)流面積從而達(dá)到調(diào)節(jié)流量的目的.該類閥口過(guò)流流體狀態(tài)變化平穩(wěn),閥芯徑向力平衡,易于調(diào)節(jié)流量控制液壓系統(tǒng)執(zhí)行端速度穩(wěn)定.U形節(jié)流閥口前端為半圓槽式,后端為矩形式等截面通道.該類節(jié)流槽在一定流量范圍內(nèi),液壓執(zhí)行元件流量增益較為平緩,線性度好,可減少滑閥換向時(shí)的液壓沖擊與振動(dòng).梯形節(jié)流閥口加工工藝較復(fù)雜,但其過(guò)流面積變化率較為恒定,有利于提高流量特性的剛性,且對(duì)油溫和黏度的變化不敏感,具備良好的調(diào)節(jié)性能.半圓槽形節(jié)流閥口相比于前兩者,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,加工工藝優(yōu)良;流量調(diào)節(jié)范圍寬,在開(kāi)口度較大時(shí),過(guò)流面積變化率小,有利于提高流量穩(wěn)定性;并且其水力半徑大,節(jié)流口不容易堵塞.L形節(jié)流閥口由小圓柱橫向銑切閥芯凸肩形成,閥口過(guò)流面積是圓柱相貫線和閥座邊在閥芯圓柱面所圍成的部分圓柱面積.該類節(jié)流槽過(guò)流面積變化率較大,液壓元件執(zhí)行端速度變化靈敏、響應(yīng)時(shí)間短.此外,該類閥口水利半徑大,當(dāng)液體流動(dòng)方向改變時(shí)可有效減少閥芯移動(dòng)時(shí)的操縱力.2非線性函數(shù)擬合不同結(jié)構(gòu)形狀的節(jié)流閥口具備不同的流量控制特性、抗阻塞性和流量穩(wěn)定性,選用哪一類節(jié)流閥口外形需針對(duì)不同應(yīng)用工況.通過(guò)對(duì)典型液壓節(jié)流閥口面積的計(jì)算,可定性獲得閥口面積梯度與閥芯位移關(guān)系,有利于滑閥設(shè)計(jì)與功能預(yù)測(cè).文獻(xiàn)對(duì)L形、U形、V形節(jié)流閥口進(jìn)行了面積解析運(yùn)算,獲得非線性函數(shù)表達(dá)式,進(jìn)而利用曲線擬合得到面積近似表達(dá)式,但該類公式缺乏通用性;文獻(xiàn)則對(duì)幾種節(jié)流閥口面積公式進(jìn)行了詳細(xì)研究與理論推導(dǎo),并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其準(zhǔn)確性,但其表達(dá)過(guò)于繁瑣,難以滿足實(shí)際應(yīng)用需求.本文在此將各類節(jié)流閥口作等效簡(jiǎn)化,將通流截面圓弧端等效為平面,所忽略圓弧截面產(chǎn)生的實(shí)際誤差在3%以內(nèi),再基于立體幾何算法,提出較為簡(jiǎn)單且具有普遍應(yīng)用性的過(guò)流面積計(jì)算公式.根據(jù)節(jié)流閥口的形狀特征,節(jié)流閥口可以分為兩種結(jié)構(gòu):一種是等截面節(jié)流閥口,一種是漸擴(kuò)形節(jié)流閥口.其中U形節(jié)流閥口為等截面結(jié)構(gòu),其閥口壓差主要集中在軸向截面和徑向截面,具備二級(jí)節(jié)流的典型特征,即其等效過(guò)流面積為軸向與徑向過(guò)流面積的串聯(lián)有效值.而三角槽形、半圓槽形、梯形以及L形凸肩式節(jié)流閥口屬于漸擴(kuò)形結(jié)構(gòu),其等效過(guò)流面積為節(jié)流閥口最小通過(guò)面積.幾種節(jié)流閥口過(guò)流面積計(jì)算示意如圖2所示2.1等效閥口開(kāi)度三角槽形節(jié)流閥口采用60°角度銑刀,沿圓弧軌跡旋轉(zhuǎn)切割閥芯端面而形成,其軸向與徑向截面都為三角形.該類節(jié)流閥口最小通過(guò)面為垂直底邊棱線的截面,見(jiàn)圖2(e),其等效閥口過(guò)流面積Asj推導(dǎo)過(guò)程為:式中:x為各節(jié)流閥口開(kāi)口度;h為節(jié)流閥口特征深度;L為節(jié)流閥口特征長(zhǎng)度;n為閥芯端面節(jié)流口數(shù);dh節(jié)流閥口為水利直徑.2.2等效閥口過(guò)流面積的推導(dǎo)U形節(jié)流閥口是采用圓柱形銑刀,沿閥芯軸線方向旋轉(zhuǎn)切割閥芯端面而成,節(jié)流閥口前半段為半圓槽,后半段為矩形流道,其軸向截面為矩形,見(jiàn)圖2(b),其等效閥口過(guò)流面積A1、A2推導(dǎo)過(guò)程為:當(dāng)0<x<r時(shí),當(dāng)r≤x≤L時(shí),以上各式中:r為節(jié)流底面特征半徑;為閥體與節(jié)流閥口當(dāng)前開(kāi)口度相交線;Aax為軸向過(guò)流面積;Ara為徑向過(guò)流面積.2.3小角度銑刀的等效過(guò)流面積atx推導(dǎo)梯形節(jié)流閥口加工工藝比較復(fù)雜,一般采用小角度成形銑刀加工,其軸向截面為梯形,徑向截面為矩形,見(jiàn)圖2(a),其等效過(guò)流面積Atx推導(dǎo)過(guò)程為:2.4等效過(guò)流面積aby推導(dǎo)半圓槽形節(jié)流閥口加工形式類似于U形節(jié)流閥口,同樣采用圓柱形銑刀沿閥芯軸線旋轉(zhuǎn)切割端面而成.其軸向截面為圓弧面,徑向截面為矩形,見(jiàn)圖2(c),其等效過(guò)流面積Aby推導(dǎo)過(guò)程為:2.5等效過(guò)流面積al推導(dǎo)L形節(jié)流閥口由小圓柱橫向銑切閥芯端面形成,其最小過(guò)流面為徑向截面,見(jiàn)圖2(d),其等效過(guò)流面積AL推導(dǎo)過(guò)程為:基于上述獲得的過(guò)流面積表達(dá)式,應(yīng)用仿真軟件,可編制各節(jié)流閥口參數(shù)化的面積計(jì)算程序,從而滿足同一類閥口形狀,不同外形尺寸的應(yīng)用需求.3流量閥開(kāi)口的模擬分析3.1不同開(kāi)口度閥口對(duì)過(guò)流面積增益的影響為比較過(guò)流面積變化率對(duì)系統(tǒng)性能的影響,繪制不同閥口在相同外形尺寸下,閥芯位移與過(guò)流面積關(guān)系曲線如圖3和4所示,各節(jié)流閥口相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1.分析圖3、圖4仿真曲線:三角槽形節(jié)流閥口在開(kāi)口度較小時(shí),流量增益很小,有利于控制系統(tǒng)穩(wěn)定;隨著閥口開(kāi)口度增加,過(guò)流面積線性增大,流量增益亦隨之增加.L形節(jié)流閥口在小開(kāi)口度時(shí),過(guò)流面積增益較大,有利于系統(tǒng)快速響應(yīng),保證執(zhí)行端元件的靈敏性;在達(dá)到一定開(kāi)口度后,過(guò)流面積逐漸趨于恒值,此時(shí)可以保證執(zhí)行端流量穩(wěn)定性.在同樣大小外形尺寸下,L形與三角槽形節(jié)流閥口水利直徑最大,說(shuō)明該類閥口更易獲得最小穩(wěn)定流量.U形閥口在開(kāi)口度小于節(jié)流閥口頂端圓弧半徑時(shí),過(guò)流面積變化梯度較大,有利于快速建立系統(tǒng)壓力;當(dāng)閥口開(kāi)口度大于頂端圓弧半徑時(shí),過(guò)流面積增長(zhǎng)趨于平緩,可保證系統(tǒng)穩(wěn)定性.梯形閥口面積變化率較為恒定,且其流量調(diào)節(jié)范圍較寬.半圓槽形節(jié)流閥口隨著開(kāi)口度增加,過(guò)流面積變化率迅速增加,對(duì)系統(tǒng)啟動(dòng)靈敏性有一定幫助.3.2節(jié)流閥口的動(dòng)態(tài)特性由流量公式(其中,Q為計(jì)算流量,Cd為流量系數(shù),Ad為過(guò)流面積,ΔP為節(jié)流閥口兩端壓力差,ρ為油液密度)知,一旦節(jié)流閥口過(guò)流面積變化,閥口前后壓差與通過(guò)的流量都將產(chǎn)生一定變化,進(jìn)而影響執(zhí)行端元件的動(dòng)態(tài)性能.本小節(jié)將在上述閥口過(guò)流特性的基礎(chǔ)上,根據(jù)圖5所示的節(jié)流系統(tǒng)測(cè)試原理,構(gòu)建仿真模型(如圖6所示),探討節(jié)流閥口對(duì)液壓缸動(dòng)態(tài)性能的影響.圖6所示模型中,2號(hào)模塊等效于圖5所示的進(jìn)口油路節(jié)流閥口2,用于控制進(jìn)入執(zhí)行油缸的流量大小,進(jìn)而控制液壓油缸的運(yùn)動(dòng)速度;4號(hào)模塊等效于回油路上節(jié)流閥口3,提供背壓的同時(shí)可以保證多執(zhí)行油缸復(fù)合動(dòng)作的完成;3號(hào)模塊等效于旁油路節(jié)流閥口1,其主要作用在于建立工作壓力,推動(dòng)執(zhí)行油缸運(yùn)動(dòng).3.2.1不同節(jié)流閥口的壓力特性分析在仿真研究中,一般采用斜坡和階躍信號(hào)當(dāng)作控制信號(hào),用于分析閥芯上不同節(jié)流閥口對(duì)動(dòng)作油缸的性能影響.圖7為兩類控制信號(hào)曲線,實(shí)線表明閥芯在短時(shí)間內(nèi)完全打開(kāi),即為階躍信號(hào).虛線表明閥芯在一定時(shí)間內(nèi)逐漸打開(kāi),即斜坡信號(hào).應(yīng)用批處理功能得到仿真曲線如圖8~11所示.圖8和9分別為不同節(jié)流閥口在斜坡控制信號(hào)下,假設(shè)負(fù)載為16kN時(shí),油缸大腔壓力和活塞桿位移曲線.分析可知,斜坡信號(hào)控制閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí),在相同負(fù)載作用下,L形、半圓槽形、梯形以及U形節(jié)流閥口都在0.2s內(nèi)快速建立起工作所需壓力,推動(dòng)液壓油缸活塞桿動(dòng)作.其中L形節(jié)流閥口建壓速度最快,動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間最短,但同時(shí)其壓力超調(diào)量亦最大.而三角槽形節(jié)流閥口需要較長(zhǎng)時(shí)間建立工作壓力,使得系統(tǒng)響應(yīng)較慢,相比而言,其超調(diào)量最小,具有較好的穩(wěn)定性.受工作壓力以及流量大小的影響,L形節(jié)流閥口對(duì)應(yīng)油缸執(zhí)行速度較快,而三角槽形對(duì)應(yīng)油缸動(dòng)作則較為緩慢.圖10和11分別為不同節(jié)流閥口在階躍控制信號(hào)下,假設(shè)負(fù)載為16kN時(shí),液壓油缸大腔壓力曲線以及活塞桿位移曲線.分析可知,階躍信號(hào)控制閥芯運(yùn)動(dòng)時(shí),各類節(jié)流閥口對(duì)應(yīng)的油缸活塞桿位移基本相同,即此時(shí)節(jié)流閥口類型對(duì)執(zhí)行元件的響應(yīng)速度影響不大.但分析壓力曲線不難發(fā)現(xiàn),各閥口在油缸建壓初始階段,壓力超調(diào)量都很高,其中L形節(jié)流閥口對(duì)應(yīng)的壓力峰值最大,并且其穩(wěn)態(tài)響應(yīng)時(shí)間也較長(zhǎng).在達(dá)到穩(wěn)態(tài)工作壓力前,L形、梯形以及U形節(jié)流閥口壓力波動(dòng)較大,對(duì)工作油缸以及系統(tǒng)管路等都會(huì)造成一定影響,而此時(shí)三角槽形節(jié)流閥口在動(dòng)態(tài)響應(yīng)方面,性能較好,穩(wěn)定時(shí)間較短,對(duì)系統(tǒng)影響較小.在實(shí)際工作中,工作油缸所承受的負(fù)載變化較大,不同的節(jié)流閥口對(duì)系統(tǒng)整體的工作性能也不相同.根據(jù)前文分析,三角槽和L形節(jié)流閥口代表了不同閥口對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)的極限情況,兩者囊括了其余閥口的響應(yīng)特性,故選擇作為特征閥口開(kāi)展分析.假設(shè)負(fù)載為16、8和1kN時(shí),分析油缸的響應(yīng)情況.圖12為L(zhǎng)形與三角槽形節(jié)流閥口在不同工作負(fù)載下,油缸大腔的工作壓力曲線.綜合分析曲線,在斜坡控制信號(hào)下,不同大小負(fù)載對(duì)油缸的穩(wěn)定壓力建立有一定影響,負(fù)載越大,油缸工作響應(yīng)時(shí)間越長(zhǎng).L形節(jié)流閥口響應(yīng)較快,在16kN的重載下,能在0.04s內(nèi)建立油缸大腔所需壓力,說(shuō)明該類閥口適用于快速建壓的系統(tǒng)工況;而三角槽形節(jié)流閥口則需要近0.4s響應(yīng)時(shí)間,但其壓力波動(dòng)小,適合對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性要求較高工況.3.2.3節(jié)流閥口流量控制特性節(jié)流閥口外形尺寸的改變,使得過(guò)流面積也產(chǎn)生相應(yīng)變化,通常過(guò)流面積會(huì)隨著閥口尺寸增大而變大,而此時(shí)節(jié)流閥口兩端壓差以及通過(guò)的流量也將發(fā)生變化,進(jìn)而影響液壓油缸響應(yīng)特性.這里以L形節(jié)流閥口作為特征閥口,改變其深度h值———等效于改變長(zhǎng)度L和寬度b值,分析油缸相應(yīng)情況,如圖13所示.改變L形節(jié)流閥口的h值,使其取值為3.0、2.8、2.5和2.0mm,得到圖13響應(yīng)曲線.分析流量變化曲線可知,控制流量隨著節(jié)流閥口深度的增加而呈比例增加;分析壓力曲線,L形節(jié)流閥口深度的增加,使得動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間變短,但穩(wěn)定時(shí)間和超調(diào)都有所增大.故在滿足動(dòng)態(tài)響應(yīng)指標(biāo)的前提下,適當(dāng)加大閥口外形尺寸可以提升系統(tǒng)性能.4不同節(jié)流閥口的仿真結(jié)果本文通過(guò)對(duì)幾種典型節(jié)流閥口的特性分析,得到以下結(jié)論:(1)通過(guò)對(duì)典型節(jié)流閥口等效處理,計(jì)算得到各個(gè)閥口過(guò)流面積通式,適用于同一類閥口不同外形尺寸的快速計(jì)算.并構(gòu)建了節(jié)流閥口AMESim仿真模型,獲得不同節(jié)流閥口外形尺寸相同時(shí)的過(guò)流面積與閥芯位移之間的關(guān)系曲線,分析明確了各類節(jié)流閥口在