基于AMESim的先导式溢流阀仿真优化分析

冯喆 谢红梅 梁策

摘 要：为了提高一种用于液压缸过载保护的先导式溢流阀的响应速度，本文在研究先导式溢流阀工作原理的基础上，运用液压仿真软件AMESim对溢流阀进行了仿真分析，分析了影响溢流阀响应速度的因素，并提出了提高先导式溢流阀响应速度的措施。通过优化，使先导式溢流阀的开启时间由0.0545 s降低至0.0135 s，效果明显，对于先导式溢流阀的设计有一定的理论指导作用。

关键词：响应速度 先导式溢流阀 AMESim 仿真优化

中图分类号：TH137 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2014）04（a）-0064-04

先导式溢流阀是液压系统中的一个重要的部件，其响应速度直接影响液压系统的性能。先导式溢流阀阀组参数的选取与匹配是溢流阀设计的关键内容，直接影响到先导式溢流阀的响应速度。本文通过分析先导式溢流阀的工作原理，通过AMESim仿真分析的方法对先导式溢流阀进行优化分析，得出了一系列可供参考的数据，为先导式溢流阀的优化提供了一定的理论参考。

1 先导式溢流阀的工作原理

本文介绍的为一种用于大型液压机的溢流阀，在液压机工作过程中，难免会产生超载现象，当一旦超载，需要高灵敏性溢流阀对其液压回路实现快速卸荷，以免对设备产生重大的破坏。

大型液压机的卸荷系统具有高压、大流量的特点，因此，一般采用的是插装阀，图1所示为插装阀主阀结构图。阀芯的运动是由油口A、油口B液压压强所产生的力，控制腔X的液压力，弹簧的弹力以及摩擦阻尼等合力所决定，通过控制控制腔X，可以对先导式溢流阀实现方向、压力、流量等控制。

图2为此溢流阀的先导阀的部分结构。1处是此先导阀的控制腔，由于此溢流阀的高压特点，因此在1处还接有远程控制口，为先导阀提供背压；2处接主阀的控制腔X；3处为先导阀的卸荷油口；4处为高压油路接入端；5处为先导阀的一个通孔，目的是防止过高的压力使先导阀阀芯产生过大的径向力。

图3即为此先导式溢流阀的液压原理图，A为主供油口，为液压油路提供主要供应，B处为保压油路，即通过小流量泵为先导阀提供一定的背部压力，C为阻尼孔，D为高压油路，E为液压缸。当液压缸内部压力急剧增大，先导阀高压油接入端产生的力便会增大，当此力大于先导阀远控油与弹簧力以及阻尼力的合力时，先导阀处于要开启状态，移动一个小的位移，此时液压系统会发出电信号使保压油路换向，先导阀的控制腔压力迅速降至零，从而使先导阀迅速开启，此时，由于阻尼孔C的阻尼作用，主阀控制腔的压力小于主阀阀芯口处的压力，主阀开启，实现液压系统的卸荷。

2 AMESim仿真理论公式

近些年计算机仿真技术已经发展成为设计开发产品的重要工具，在液压系统设计或者液压元件的设计开发方面计算机的应用也越来越广泛[1]。

AMESim可以通过模型库的概念来研究系统的动态或者稳态性能[2]，而模型库可通过客户化不断升级和改进[3]。AMESim软件采用基于物理模型的图形化建模方式，和功率键组合图法类似，但比功率键组合图更为先进[4～5]。

在AMESim运行过程中，每一个物理模型图对应着一定的数学模型，因此它与系统动态数学模型即状态方程之间存在逻辑上的一致性[6～7]。本次仿真主要的数学模型有液体压缩模型、阀口流量计算模型、阻尼孔流量计算模型等等。

流体也是会被压缩的，通常状态下，我们所说的液体体积弹性模量是指在0 bar下的弹性模量。在液压仿真过程中，随着压强的变化，液体的体积弹性模量并不是一个常数，这可以用AMESim中的可变容积模块。流体的密度是压力、温度和流体种类的函数。如果变化很小的话，可以采用泰勒级数的前三项来近似表达：

（1）

由质量守恒定律：

（2）

由（1）与（2）可得 （3）

式中：为液体体积弹性模量；为液体密度；为液体压强；为液体体积；为液体质量；为液体温度。

先导式溢流阀阀口流量按下式计算：

（4）

式中：为卸荷口流量；为基准流量；为流速变化；为阀口开口变化；为阀芯直径；为阀口直径；为流速；为压强为下液体密度；为压强为下液体密度。

先导式溢流阀阻尼孔流量按照下式计算：

（5）

式中：Q为阻尼孔流量；为流量系数；A为阻尼孔面积；为压降；为常压下液体密度。

3 基于AMESim的先导式溢流阀建模（见图4）

由于本文中的先导式溢流阀用于一种受力液压缸的过载保护，对卸载灵敏性要求较高，液压缸工作时承受一定的外界载荷，当液压缸内的液压油承受的压力超过额定压强时，先导式溢流阀便会开启实现卸荷作用，因此通过HCD库建立了如图3所示的液压系统模型。

此模型在初始阶段（1～4 s）通过液压泵6给液压缸1供油，在从4 s开始，给予液压缸施加力信号，此力信号的施加模拟真实状况下液压缸的受力情况。由于单向阀5的作用，此时液压缸内部的最大压强取决于先导式溢流阀的卸荷压力，当液压缸所受到的外界压力大于先导式溢流阀的开启压力时，先导阀4迅速开启，并且在阻尼孔3的作用下，主阀2随之打开，实现液压卸荷，其中阻尼孔8的作用是控制先导阀的流量。

先导式溢流阀的响应速度是考量液压系统性能的重要指标，为保证液压系统安全可靠，先导式溢流阀应当足够灵敏。

4 液压系统参数设置

根据现有设备的工作状况，开始阶段0～4 s通过液压泵对液压缸充入一定量的液压油，第四秒开始对液压缸施加力信号，在2 s内升到160000 N，然后在4 s内降为零。液压缸直径为400 mm，长度为500 mm。主阀阀芯的质量为2.5 kg，直径为53 mm，主阀控制腔直径为58 mm，阀芯的开启高度为19 mm，主阀阀芯的预压力为200 N，弹簧刚度为10 N/mm；先导阀阀芯质量为0.1 kg，直径为14 mm，先导阀液体进口处阀孔直径为10 mm，控制腔直径为15 mm，控制腔的保压压强为10 bar，先导阀开启高度为8 mm，先导阀阀芯的预压力为20 N，弹簧刚度为5 N/mm。阻尼孔3的直径为3 mm，阻尼孔8直径为4 mm。

5 仿真结果分析与优化措施

设置仿真的时间间隔为0.0005 s，仿真时间为20 s，对模型进行仿真分析。得到的主阀流量曲线如图5所示。

从流量曲线图中读出，主阀在5.2155 s到5.269 s阶段完全打开，开启的时间为0.0545 s，响应速度较慢。

由前面的对溢流阀卸荷原理分析可知，溢流阀的响应特性由溢流阀本身的尺寸参数决定，下面我们通过对主阀行程、阻尼孔3、阻尼孔8、主阀阀芯与主阀控制腔直径匹配五个方面对溢流阀进行优化。

5.1 主阀行程

将先导阀主阀的行程分别设置为 0.006 m，0.009 m，0.012 m，分别处理仿真模型，其他的参数保持不变，开启时间均为 5.27-5.2155=0.0545s，仿真结果如图6所示。因此，主阀的行程对先导阀的响应特性几乎没有影响。

5.2 阻尼孔3

将阻尼孔的尺寸改成分别改成4 mm与2 mm，分析仿真曲线如图7与图8所示。

图7与图8分别为改变阻尼孔3直径所产生的仿真曲线。当阻尼孔减小至2 mm时，先导阀的开启速度由原来的0.0545升至5.2595-5.2155=0.044 s，响应速度明显增强，分析原因为，当达到卸荷压力，先导阀打开时，由于阻尼孔变小，因此图1中主阀阀芯端的压力与主阀控制腔压力之差变的更大，从而产生更大的力的作用推动主阀打开，因此响应速度会变快；相反，当阻尼孔3变大时，溢流阀的开启速度变为5.2945-5.2165=0.078 s，响应速度明显变慢，因此阻尼孔3变小时有利于提高先导式溢流阀的响应速度。但阻尼孔也不易过于小，会对先导阀的开启稳定性带来一定的影响。

5.3 阻尼孔8

将阻尼孔8的直径分别改为5 mm与7 mm，其余参数不变，主阀流量如图9、图10所示。

由仿真曲线可以得出，当阻尼孔8为5 mm时，先导式溢流阀响应速度为0.0325 s，当阻尼孔8为7 mm时，先导式溢流阀的响应速度为0.0275 s。因此，随着阻尼孔8的增大，溢流阀的响应速度变快。由理论公式（5）可知，阻尼孔的压降的平方根与阻尼孔的流量成正比，因此，当阻尼孔8的直径增大时，阻尼孔3的流量便会增大，从而导致阻尼孔3的压降越大，所以溢流阀响应速度变快，但是受先导式溢流阀尺寸影响，阻尼孔8不易过大。

5.4 主阀阀芯与主阀控制腔面积匹配

将主阀控制腔面积由58 mm减小至55 mm，进行仿真，得到如图11所示曲线。

由图7可以看出，当减小控制腔面积时，响应速度为0.0365，速度变快。分析原因为：当减小控制腔面积时，当先导阀开启产生压降时，由于控制腔面积减小，控制腔内部产生的力便会减小，主阀阀芯与控制腔产生的压力差便会增大，从而使响应速度变快，但是适当增大控制腔的面积有利于提高主阀的密封压力从而提高主阀的密封性，因此控制腔的面积也不易过度减小。

5.5 综合优化

下面我们将控制腔面积改为55 mm，阻尼孔3直径改为2 mm，阻尼孔8直径改为7 mm对先导式溢流阀进行优化，得到如图12所示曲线。

经过以上参数的优化，溢流阀的卸荷时间由之前的0.0545 s变为5.2295- 5.216=0.0135 s，响应速度得到了大幅提高。对先导式溢流阀的性能优化起到了很大的参考意义。

6 结论

通过对先导式溢流阀原理以及响应特性进行分析，并通过建立液压模型进行仿真计算，明确了先导阀的工作原理以及对先导式溢流阀灵敏性具有影响的参数，经过对参数的优化，提高了先导式溢流阀的开启速度并得到以下结论。

（1）主阀阀芯行程对先导式溢流阀的开启速度影响不大。

（2）阻尼孔3与阻尼孔8对先导式溢流阀的开启速度影响较大，适当减小阻尼孔3直径与增大阻尼孔8直径可以加快先导式溢流阀的开启速度，但过度减小阻尼孔3对溢流阀开启稳定性会带来一定的影响。

（3）适当减小主阀阀芯控制腔直径可以加快先导式溢流阀的开启。

通过对先导式溢流阀进行优化，使先导式溢流阀的开启速度由原先的0.0545s提升至0.0135s，大幅度的提高了先导式溢流阀的响应速度，为先导式溢流阀的设计以及优化提供了一定的理论参考。

参考文献

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[7] Marquis-Favre W，Bideaux E，Scavarda S.A planar mechanical library in the AMESim simulation software.Part II：Library composition and illustrative example[J].Simulation Modelling Practice and Theory，2006，14（2）：95-111.