基于AMESim的某型卸荷阀动态特性分析

曾文偲，初长祥，曾衡，周抚平

(1.广西科技大学机械工程学院，广西柳州 545004；2.广西柳工机械股份有限公司研究总院，广西柳州 545007)

双泵合流转向优先液压系统是目前装载机常用的液压系统之一，而卸荷阀的功能是在装载机转向时将多余的流量供给工作液压系统，在装载机不转向时将转向泵的流量全部合流到工作液压系统中，以加快工作装置速度，减少工作时间，提高工作效率及燃油效率;当工作液压系统处于高压小流量工况时，工作液压系统的压力升高到卸荷阀调定的卸荷压力时，转向泵通过卸荷阀实现低压卸荷，节省能源，是实现该系统合流与卸荷的重要压力控制元件。

1 卸荷阀的结构及工作原理

目前装载机双泵合流液压系统较多采用卸荷阀，该卸荷阀主要由单向阀、先导阀、主阀、弹簧和密封等组成。通过单向阀实现其合流作用，主阀实现卸荷作用。单向阀包括单向阀座、单向阀芯和单向阀弹簧;主阀采用锥阀，结构类似液控单向阀，其结构包括主阀套、主阀芯、复位弹簧;导阀采用滑阀的形式，可以消除先导溢流阀产生的啸叫。其具体结构包括导阀盖和导阀套，在导阀盖内设调压弹簧腔，调压弹簧腔内设调压弹簧，在导阀套内设导阀芯孔，导阀芯孔内设导阀芯。

该卸荷阀阀体设有3个油口，其中第1油口连接装载机的工作液压系统供油油路，第2油口连接转向液压系统，第3油口连接油箱回路。由液压原理图1可看出，当装载机轻载工作时，其工作液压系统中的压力低于转向液压系统的压力，此时，第1油口内的压力要低于第2油口内，主阀处于闭合状态，单向阀开启，第2油口与第1油口导通，转向泵油液经EF口通过单向阀至PW口与工作泵系统合流，以提高装载机液压系统中的流量;当装载机进行大负荷工作时，其工作液压系统中的压力高于转向液压系统中的压力，单向阀关闭，此时第1油口内的压力高于先导阀的调定压力，又由于先导阀与主阀开启控制油路连通，主阀开启压力控制腔中的油液通过主阀开启控制油路流到第3油口，造成主阀开启压力控制腔内的压力降低，主阀芯在内外压差的作用下移动，从而使得主阀开启，连通第2油口与第3油口，使转向液压系统油液回油箱。

图1 卸荷阀原理图

2 仿真模型的建立及参数设置

卸荷阀的性能实验在综合液压试验台上完成，试验系统原理图如图2所示。

图2 试验系统原理图

根据上述试验系统原理图并结合卸荷阀的工作原理及其液压元件的实际结构特点，借助液压仿真软件AMESim并在Sketch模式下调用系统提供的液压库、液压元件库、机械库和信号库建立了如图3所示的卸荷阀 AMESim 仿真模型［1－4］。

根据图3所示的卸荷阀仿真模型，设定其仿真条件及卸荷阀参数，模型中的主要参数设置如下:油液密度850 kg/m3，油液运动黏度40 mm2/s，油液体积弹性模量1 000 MPa;子模型BAP026-1的阀芯直径28 mm，阀座孔直径25 mm;子模型BAP016-1的弹簧刚度0.97 N/mm;子模型BAP026-2的阀芯直径25 mm，阀座孔直径20 mm;子模型BAP016-2的弹簧刚度0.88 N/mm;子模型BHO011的阻尼孔直径0.8 mm，阻尼孔流量系数0.7。仿真模型中包含卸荷阀内部及与之相连的各液容模块，液容参数由卸荷阀结构及连接管道尺寸计算确定，与卸荷阀连接的管道的动态效应予以忽略。

图3 卸荷阀的AMESim仿真模型

3 仿真结果与分析

3.1 仿真模型验证分析

仿真模型是否建立正确直接影响其仿真结果。通过将仿真模型的仿真结果与使用结果进行对比，可验证模型的正确性。

通过此仿真模型，得到该卸荷阀EF口与PW口的流量阶跃变化时的仿真结果曲线如图4所示。

图4 流量阶跃变化时的仿真结果

分析图4可知:在前5 s，定量泵系统压力高于变量泵系统压力，单向阀处于关闭状态，而此时系统压力6 MPa低于先导阀的调定开启压力，主阀上腔为密闭静止容腔，主阀阻尼孔无液流流过，主阀关闭，主阀口为零流量，所以主阀入口压力维持在5 MPa;到t=5.19 s时，系统压力上升到15.62 MPa时，因压差足够大使流经主阀阻尼孔的溢流量使主阀上下腔产生的液压力大于主阀复位弹簧力，主阀芯开启，油液经主阀芯回油箱，变量泵卸载，而主阀在压力达到16.5 MPa完全开启，此时主阀口的流量达到200 L/min的最大值，最高瞬时压力峰值达17.2 MPa，当主泵卸荷时，卸荷阀关闭，流量降为0。

在综合实验台上调节试验台主泵压力与变量泵的切断压力，使单向阀处于闭合状态，此时主阀口流量为0，然后升高主泵压力至调定压力，此时卸荷阀卸荷，变量泵压力快速降低。通过卸荷阀的流量由0阶跃变化至最大流量，维持一段时间后主泵卸荷，分别测得该过程中EF口及PW口处的压力，如图5所示。

图5 流量阶跃变化时的试验结果

分析图4与图5可以得出:卸荷阀的仿真结果与试验结果基本一致，其中实验曲线出现的液压脉动是由于液压泵的输油脉动所引起的，仿真时忽略其影响，所以仿真曲线无此波动。由上分析可知，此模型是正确的，所以这种仿真方法是合理可用的。

3.2 仿真模型动态特性分析

在设计卸荷阀时，既要保证其能实现既定功能，同时希望能达到性能的最优，图6是在仿真时间为20 s，步长为0.01 s的情况下得到的主阀入口压力与流量随时间变化的仿真曲线。

图6 主阀入口压力与流量－时间曲线

图中p1为流经主阀口的压力，p2为先导阀口的压力，Q为流经主阀口的流量。调定变量泵系统压力到其切断压力5 MPa，其工作压力通过调节变量泵模型中的切断阀中的调压弹簧的预紧力来实现，定量泵系统压力调至6 MPa，通过比例溢流阀调节负载压力，模拟外负载的变化，从而实现定量泵系统压力的需求。

由图6可知，建压时间为0.27 s，最高瞬时压力峰值达到172.8 MPa，计算得8%的压力超调量，当主泵卸荷时，卸荷阀关闭，变量泵压力升高至切断压力5 MPa，流量降为0。

3.3 结构参数对卸荷阀动态特性及性能的影响

卸荷阀的结构参数对其性能有很大的影响，在进行卸荷阀结构设计时，有些参数的取值主要依靠设计者的经验和水平，有时并不一定是最优参数，所以选择卸荷阀中影响因素较大的参数进行仿真研究，对其优化具有很大的参考价值。

3.3.1 导阀弹簧刚度不同的批处理仿真

在AMESim模型下，保持其他参数不变，对先导阀弹簧刚度取不同值进行批处理运算，得到如图7所示的仿真结果。

图7 先导阀入口压力－时间曲线

分析图7可以得出:当K3从39.6 N/mm变化到59.6 N/mm时，先导阀的入口最高瞬时压力峰值上升，压力超调率相应减小，且响应时间缩短，说明阀芯开启到达稳态的过程较快，卸荷时较平稳，提高了卸荷阀的动态稳定性;当K3＜39.6 N/mm时，卸荷阀的压力超调率大于15.8%;当K3＞59.6 N/mm时，卸荷阀的压力超调率小于10.3%;当K3=49.6 N/mm时，卸荷阀的压力超调率为14.3%，满足压力超调率小于30%的设计要求。

3.3.2 导阀阀座孔直径不同的批处理仿真

在AMESim模型下，保持其他结构参数不变，对先导阀阀座孔直径取不同值进行批处理运算，得到如图8所示的仿真结果。

分析图8可以得出:当d1增大时，导阀的入口压力随之增大，且响应时间相应缩短，卸荷时较平稳，但导阀座孔直径不能取得太大，因为阀座孔截面会随着d1的增大而增大，这样会增加先导阀弹簧设计的难度，若取值偏小会使其压力稳定性变差。

3.3.3 主阀弹簧刚度不同的批处理仿真

对主阀弹簧刚度取不同值进行批处理运算，得到主阀口压力－时间曲线，如图9所示。

图8 导阀入中压力－时间曲线

图9 主阀入口压力－时间曲线

分析图9可以得出:在先导阀调定压力一定的条件下，当主阀弹簧刚度K=10 N/mm时，主阀在t=5.11 s开启，t=5.32 s完全开启，达到最小卸荷压力为0.477 MPa;当主阀弹簧刚度K=5 N/mm时，主阀在t=5.09 s开启，t=5.28 s完全开启，达到最小卸荷压力为0.32 MPa;当主阀弹簧刚度K=0.88 N/mm时，主阀在t=5.07 s开启，t=5.25 s完全开启，达到最小卸荷压力为0.296 MPa。

由以上分析可知:不同弹簧刚度下的压力超调量和压力上升时间不同，弹簧刚度大则超调量小，压力上升时间短，反之则超调量小，压力上升时间相对较长;增大主阀弹簧刚度会导致调压偏差增大，使得压力控制精度降低，所以主阀弹簧刚度的选取应综合考虑静态特性。

3.3.4 主阀阻尼孔直径不同的批处理仿真

对主阀阻尼孔直径进行批处理运算，得到主阀入口压力－时间曲线，如图10所示。

图10 主阀入口压力－时间曲线

分析图10可以得出:在先导阀调定压力一定的条件下，当主阀阻尼孔直径为0.5 mm时，主阀在t=5.12 s开启，t=5.46 s完全开启，达到最小卸荷压力为1.485 MPa;当主阀阻尼孔直径为0.8 mm时，主阀在t=5.08 s开启，t=5.26 s完全开启，达到最小卸荷压力为0.522 MPa;当主阀阻尼孔直径为2 mm时，主阀在t=5.02 s开启，t=5.16 s完全开启，达到最小卸荷压力为0.286 MPa。

由以上分析可知:随着主阀阻尼孔直径的增大，卸荷建压时间随之减少，因而可以提高卸荷速度，但同时主阀阻尼孔直径过大，会使得阀在卸荷时出现严重的压力冲击，产生振动、噪声，这对阀的寿命和安全可靠性都会产生不利影响。而主阀阻尼孔直径越小，节流与阻尼作用越显著，阀的启闭特性好，动态稳定性好，但阀芯动作滞后，灵敏度降低，增加了动态超调量，且容易堵塞，工艺性也不好。

4 结论

基于AMESim环境建立了某卸荷阀仿真模型，为其动态特性提供了一种分析手段。分析仿真结果可知:卸荷阀在工作中，常常出现压力超调量大与卸荷压力大的现象，而其主阀芯阻尼孔直径、弹簧刚度、阀座孔直径对卸荷阀的动态特性影响较大，采用适当的阻尼孔、弹簧刚度、阀座孔直径可以减小其压力超调量与卸荷压力，使其压力超调量小与卸荷压力小。

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