导阀参数对先导式溢流阀动态特性的影响*

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(武汉软件工程职业学院机械工程学院，湖北武汉430205)

0 引言

先导式溢流阀是利用先导阀调定压力来控制主阀导通的，研究不同导阀参数对先导式溢流阀动态特性的影响，对先导式溢流阀的选用、优化设计具有一定的参考价值。

1 先导式溢流阀结构及工作原理

如图1[1-2]，先导式溢流阀由先导阀和主阀两部分组成。在先导阀与主阀之间有密闭的稳压油腔A和平衡活塞腔B。当进油口P处压力小于锥阀4的调定压力时，先导阀阀口关闭，阻尼孔1中无液压油流动，平衡活塞8上下无压差，并在弹簧力的作用下处于最下端；反之，先导阀打开，进油口液压油经阻尼孔1、稳压油腔A、泄油口6、回油口T流回油箱，平衡活塞8上下形成压差，当压差大于平衡弹簧8的作用力时，活塞9上移，进出油口被打开，实现溢流，进油口P的压力也随之降低，直到平衡活塞9稳定在某一个平衡位置。

图1 先导式溢流阀工作原理图

2 建立仿真模型

使用Amesim软件建立先导式溢流阀的仿真模型，分析不同导阀参数对先导式溢流阀动态特性的影响。在Amesim软件中建立仿真模型主要有功能级建模和元件级建模两种形式。

2.1 功能级建模

功能级建模是指使用Amesim软件Hydraulic液压库中的标准液压元件进行建模，即采用HV001元件子模型建模。HV001元件模型有五个端口构成，其中端口2可采取多种方式与其它元件相配合，以实现多种液压阀模拟仿真。HV001子模型如图2。

由于先导式溢流阀由先导阀和主阀构成，因此建立仿真模型时需采用两个HV001元件模型，如图3。

图2 HV001模型

图3 先导式溢流阀仿真模型

2.2 元件级建模

元件级建模是指根据先导式溢流阀工作原理和结构图使用Amesim软件Hydraulic 、Compent Design和Mechanical机械元件库构建仿真模型，具体建模过程为：

1)根据先导式溢流阀的结构特征在(Sketch mode)模式下建立主阀、先导阀的Amesim仿真模型，如图4[3-5]。

图4 主阀、先导阀Amesim仿真模型

图5 先导式溢流阀仿真模型

2)根据先导式溢流阀的工作原理在(Sketch mode)模式下建立仿真模型，如图5。

3)按Submodel mode键进入子模型模式，按Premier submodel键对所有元件应用主子模型。

4)按Parameter mode键，分别设置主阀、导阀参数，如表1、表2。

表1主阀参数设置

表2导阀参数设置

相比功能级建模，元件级建模更能方便快捷地仿真先导式溢流阀各个参数对其动态特性的影响。对图5所示的仿真模型，使其主阀参数不变，分别改变导阀主要参数值，分析导阀参数对先导式溢流阀动态特性的影响。

3 仿真结果分析

将表1、表2设置的参数输入到图5的仿真模型中，并设置第一阶段开始时输出流量为80 L/min、结束时输出流量为80 L/min、仿真时间为1 s，仿真步长为0.01 s，其它参数设为默认值，得到先导式溢流阀动态特性曲线，如图6。由图6可知，主阀开启的过渡时间为0.25 s，稳定压力为13.5 MPa，溢流量为79 L/min；先导阀开启的过渡时间为0.17 s，压力为11.9 MPa，溢流量为0.89 L/min。

图6 先导式溢流阀进口压力特性曲线

3.1 导阀阻尼孔对先导式溢流阀动态特性影响分析

图7是导阀阻尼孔直径分别为0.0001 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm时先导式溢流阀压力、流量随时间变化特性曲线。

图7 导阀阻尼孔对先导式溢流阀动态特性影响

1)由图7(a)可知，当阻尼孔直径为0.0001 mm时，相当于阻尼孔直径堵塞，无液压油流经导阀，导阀的进口压力及溢流量均为0 bar(L/min)；对于主阀来说，此时溢流量为0 L/min，进口压力为2513.99 MPa，平衡活塞9上下压力相等，无压差，溢流阀不工作。

2)由图7(b)、(d)可知，当阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之间变化时，主阀进口压力分别为15.39 MPa、14.25 MPa、13.54 MPa，响应时间分别为0.01 s、0.05 s、0.02 s，过渡时间为0.04 s、0.05 s、0.19 s，压力超调率分别15.6%、13.9%、3.4%；溢流量为79.53 L/min、79.08 L/min、79.02 L/min。得出结论：阻尼孔直径越小，主阀进口压力越大、溢流量越大(但变化很小)、响应越快、过渡时间越短、振荡次数越少、压力超调率越大。

3)由图7(c)、(e)可知，当阻尼孔在0.6 mm～0.8 mm之间变化时，导阀进口压力分11.63 MPa、11.86 MPa、11.87 MPa，响应时间分别为0.1 s、0.12 s、0.13 s，过渡时间为0.14 s、0.15 s、0.22 s，压力超调率约为45.4%、2.5%、1.8%；溢流量为0.4769 L/min、0.8894 L/min、0.9180 L/min。得出结论：阻尼孔直径越小，导阀进口压力及溢流量几乎无变化，压力超调率越小，响应越快，过渡时间越短。

综上所述，导阀阻尼孔变化对先导式溢流阀动态特性稳定性和响应灵敏性影响较大，而对其压力、流量大小影响较小。分析原因为：阻尼孔直径越小，液压油经过导阀阻尼孔的压力损失越大，主阀阀芯上下压差越大，主阀能快速开启实现溢流；但当阻尼孔过小，甚至堵塞时，溢流阀上下压差相等，溢流阀不工作，易引起电机及其他元件烧坏，甚至造成安全事故。

3.2 导阀阀芯质量对先导式溢流阀动态特性影响分析

图8为先导阀阀芯质量分别为0.04 kg、0.06 kg、0.1 kg时先导式溢流阀动态特性曲线。由图8(a)、图8(b)、图8(c)可知导阀阀芯质量对主阀进口压力、溢流量、导阀进口压力几乎没有影响，但对导阀溢流量动态稳定性影响较大。当m=0.1 kg时压力超调率为51%，过渡时间为0.4 s，振荡次数较多；当m=0.06 kg时压力超调率为26%，过渡时间为0.27，振荡次数相对质量为0.1 kg时有所减少；当m=0.04 kg时压力超调率为17%，过渡时间为0.2 s，振荡次数较少。得出结论：先导阀阀芯质量越大，先导阀进口压力超调量越大、响应缓慢、噪声较大，稳定性较差。

图8 导阀阀芯质量对先导式溢流阀动态特性影响

3.3 导阀弹簧刚度对先导式溢流阀动态特性影响分析

图9为导阀弹簧刚度分别为20 N/mm、40 N/mm、80 N/mm时先导式溢流阀动态特性曲线。由图9(a)、图9(b)可知导阀弹簧刚度决定先导式溢流阀开启压力，弹簧刚度越大，导阀进口压力、主阀进口压力越大(但变化不是很大)，压力超调量越小，响应越快，振荡次数越少，稳定性越好。由图9(c)、图9(d)可知，导阀弹簧刚度对主阀溢流量影响较小，而对导阀溢流量影响较大，导阀弹簧刚度越大其溢流量越大，压力超调量越大，响应越快，振荡次数越少。

图9 导阀阀芯弹簧刚度对先导式溢流阀动态特性影响

3.4 导阀预紧力的影响

图10为导阀弹簧预紧力分别为80 N、100 N、120 N时先导式溢流阀动态特性曲线。由图10(a)、图10(b)可知导阀弹簧预紧力决定先导式溢流阀开启压力，导阀弹簧预紧力越大，导阀进口压力、主阀进口压力越大。但导阀弹簧预紧力变化对压力超调量、响应时间、振荡次数几乎无影响。由图10(c)、图10(d)可知导阀弹簧预紧力对主阀溢流阀量影响较小，对导阀溢流量大小影响较大，导阀弹簧预紧力越大，导阀溢流量越大，而对稳定性影响较小。

图10 导阀预紧力对先导式溢流阀动态特性影响

4 结论

利用Amesim软件构建先导式溢流阀仿真模型，通过改变导阀的调压弹簧预紧力、弹簧刚度、阀芯质量、阻尼孔参数，模拟仿真在不同条件下先导式溢流阀动态特性变化情况，分析出不同导阀参数对先导式溢流阀动态特性的影响，为先导式溢流阀的选用及结构优化提供理论基础。