基于AMESim的防振液压安全阀设计与试验研究

(陕西理工大学机械工程学院， 陕西汉中 723000)

引言

液压安全阀属于一种特殊的溢流阀，是液压系统重要的组成元件[1]，用于保护液压系统安全。液压安全阀根据结构可分为直动式和先导式2种。直动式安全阀由于其结构简单、体积小、响应灵敏等特点，应用广泛[2]。但常规的直动式安全阀在阀芯开启、关闭时易产生压力波动，使系统产生振动，严重时造成接头松动、管路破裂。近年来不少文献对液压安全阀的动态特性、阀芯结构等进行了研究。李阁强等[3]通过建立阀芯瞬态液动力和静态液动力数学模型，并模拟实际工况进行了动态仿真，论证了液动力也是引起阀芯振动和导致安全阀稳态特性差的主要原因。韩伟等[4]从结构设计、关键零部件设计、压力冲击特性等方面细致地研究了安全阀的动态特性问题。杨帅鹏[5]利用AMESim建立了安全阀的HCD模型，得出了大流量安全阀的最佳动态特性参数值，同时还设计了3种不同溢流孔形状的阀芯结构，验证了大流量安全阀的抗冲击试验特性。冯喆等[6]、侯艳艳等[7]利用AMESim平台开展了溢流阀故障诊断及预测研究工作。

为消除安全阀开启、关闭时的压力波动，本研究设计了一种防振安全阀，并采用AMESim软件对安全阀动态特性进行仿真分析，最后通过安全阀样机试验数据，验证了计算和仿真结果的准确性。综上所述，本研究为防振液压安全阀的设计及液压系统的消振研究提供一定的参考依据。

1 液压安全阀技术要求

液压安全阀的技术要求见表1。

表1 液压安全阀技术要求

2 防振液压安全阀结构设计

根据液压安全阀技术要求，该安全阀的结构选用直动式，为减小泄漏量，采用锥阀密封结构。由于系统压力较高，为避免安全阀在高压下振动，在阀芯和阀座之间设置了一个环形阻尼结构，结构示意图见图1。

1.管接头 2.弹簧 3.阀芯 4.阀座 5.密封圈 6.壳体图1 安全阀结构原理图

当液压系统压力高于安全阀开启压力时，阀芯在液压力的作用下，克服弹簧力和摩擦力打开卸压，保护系统，在此过程中，阀芯运动使阻尼腔体积增大，油液需经环形节流口对其进行填充，此时阻尼力阻止阀芯开启，使开启过程变得平稳；当系统压力下降至安全阀关闭压力时，阀芯在弹簧力的作用下关闭，在此过程中，阀芯运动使阻尼腔体积减小，油液需经环形节流口排出，此时阻尼力阻止阀芯关闭，使关闭过程变得平稳。由于在安全阀的开启和关闭过程中，始终有一个阻尼力反作用于阀芯，因此有效减缓了系统的压力波动。

2.1 进口等效通径确定

安全阀的进口等效通径尺寸在一定程度上决定了阀的性能，等效通径计算公式为[8]：

(1)

式中，d—— 进口等效通径，mm

Q1—— 最大流量，L/min

v—— 流速，m/s

根据安全阀技术要求,Q1为5 L/min，流速v取7.8 m/s，则产品等效通径d为3.7 mm。

2.2 阀芯开度计算

根据安全阀实际使用情况，其进、出口压差较大，流量计算公式[8]：

(2)

式中，Q—— 安全阀全开流量，m3/s

C—— 流量系数(取0.6)

x—— 阀芯最小开度，m

θ—— 锥阀半角，°

Δp—— 锥阀前后压差，Pa

ρ—— 介质密度，kg/m3

15号航空液压油密度ρ为833.33 kg/m3，锥阀半角θ取30°，计算得出x≥0.08 mm，根据经验取x=0.4 mm。

2.3 阀芯开启时所需弹簧力的计算

当安全阀开启时，阀芯主要承受液压力、摩擦力、重力及阻尼腔的阻尼力。由于安全阀工作压力较高，故忽略摩擦力和阀芯重力；由于阻尼力为动态过程产生的力，故静态时取0，阀芯受力示意图见图2。

图2 阀芯受力示意图

阀芯受力平衡公式为：

Fx0=p开启A

(3)

式中，Fx0—— 阀芯开启时的弹簧弹力，N

p开启—— 阀芯开启时所受的液压力，MPa

A—— 液压力作用面积，mm2

根据安全阀开启压力、进口通径计算得到阀芯开启时的弹簧力Fx0=408.2 N。

同理可得全开时的弹簧力F全开=439.6 N。

2.4 弹簧刚度计算

由图2阀芯受力示意图可得：

p全开A=ks(x0+x)

(4)

p开启A=ksx0

(5)

ksx=(p全开-p开启)A

(6)

式中，p全开—— 安全阀的全开压力，MPa

ks—— 弹簧的刚度

x0—— 弹簧预压缩量，mm

x—— 阀芯开度，mm

将上述计算结果代入式(6)得出ks=78.5 N/mm。

3 AMESim液压性能仿真

传统的数学建模方法已无法计算出安全阀的压力流量特性，本研究采用AMESim软件建立该安全阀的系统模型并进行仿真[9]。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[10]。

3.1 AMESim仿真模型建立

根据安全阀的结构和工作原理建立仿真模型。图3为安全阀仿真模型，图4为动态特性仿真模型，图5为启闭特性仿真模型，具体参数见表2。

图3 安全阀AMESim仿真模型

图4 动态特性仿真模型

图5 启闭特性仿真模型

元件名称变量参数环形节流孔阻尼孔大径/mm2.83阻尼孔小径/mm2.8长度/mm6进口节流孔等效直径/mm3.7出口节流孔等效直径/mm6阻尼腔活塞最小处直径/mm1.8阀芯阀芯直径/mm6.8通径/mm3阀芯最小处杆径/mm1.8锥阀半角/(°)30阀芯节流口等效直径/mm3质量块质量/kg0.002弹簧活塞直径/mm6.8杆径/mm0弹簧刚度/N·mm-178.5初始位置弹簧力/N408.2恒流量源流量/L·min-15循环阶跃信号频率/Hz0.5占空比50换向阀流阻/MPa0.1通流能力/L·min-1100斜坡压力源第一阶段压力变化/MPa0～35.5第一阶段持续时间/s2第二阶段恒定压力/MPa35.5第二阶段持续时间/s2第三阶段压力变化/MPa35.5～0第三阶段持续时间/s2油箱背压/MPa0.5

3.2 动态特性仿真

按图4进行动态特性仿真。安全阀动态特性曲线如图6所示，局部放大得到升压特性曲线(图7)和卸压特性曲线(图8)。由曲线可得该安全阀最大峰值压力约为36.1 MPa，调定压力约为35 MPa，压力超调率为3.15%，安全阀升压时间约为0.0047 s，稳压时间约为0.0025 s，卸压(关闭)时间约为0.00065 s，均满足要求。

图6 动态特性曲线

图7 升压特性曲线

图8 卸压特性曲线

3.3 启闭特性仿真

按图5进行启闭特性仿真。安全阀的启闭特性指安全阀在开启和关闭过程中，压力与流量之间的关系。通过仿真，安全阀压力流量特性曲线如图9所示。由曲线可得全流量(5 L/min)时压力约为34.99 MPa。将图9进行局部放大，得到安全阀开启、关闭压力曲线(图10)。由曲线可得安全阀开启压力为33.008 MPa，关闭压力为32.995 MPa(仿真时的关闭压力为理论流量为零时的压力)，均满足要求。

图9 安全阀压力流量特性曲线

图10 安全阀开启、关闭压力曲线

3.4 阻尼特性分析

按图4进行安全阀阻尼特性分析。安全阀阻尼腔压力特性曲线如图11所示。对曲线进行局部放大，得到安全阀开启过程阻尼特性曲线(图12)和安全阀关闭过程阻尼特性曲线(图13)。

图11 安全阀阻尼特性曲线

由图12可得，安全阀开启时，阻尼腔压力上升滞后于安全阀进口压力。由于安全阀门的突然开启，阻尼力会有一段下降，因此该阻尼力能够起到减缓阀芯开启的作用。

图12 安全阀开启过程阻尼特性曲线

由图13可得，安全阀关闭时，安全阀进口压力持续下降，而阻尼力由于阀芯的突然关闭，会有一段上升，峰值压力为41 MPa，随后减小，且减小的速度滞后于安全阀的进口压力，因此该阻尼力能起到减缓阀芯关闭的作用。

图13 安全阀关闭过程阻尼特性曲线

图14为安全阀阻尼腔流量特性曲线。由曲线可得，在安全阀开启时，阻尼腔容积增大，产生“吸油”现象；在安全阀关闭时，阻尼腔容积减小，产生“排油”现象。由于安全阀关闭速度比开启速度快，因此关闭时的流量也比开启时的大。

图14 安全阀阻尼腔流量特性曲线

为分析环形阻尼结构对安全阀性能的影响，在AMESim软件中，将安全阀阻尼结构去掉后进行仿真，仿真模型如图15所示。通过仿真，得到图16不含阻尼结构安全阀动态特性曲线。由曲线可以得到，由于流量的突变，安全阀开启后进口压力在调定压力附近产生波动。

图15 不含阻尼结构安全阀动态特性仿真模型

图16 不含阻尼结构安全阀动态特性曲线

由以上仿真结果可得，设计出的防振液压安全阀性能满足要求，其阻尼结构能够有效降低安全阀开启、关闭时的压力波动。

3 试验项目及结果

3.1 试验原理

该液压安全阀密封性、开启、关闭、耐压试验、全开压力等性能试验原理图如图17所示。

1.油箱 2.过滤器 3.泵 4.单向阀 5.压力表

3.2 试验结果

该液压安全阀样机试验结果见表3。试验结果与仿真结果基本相同，同时也验证了仿真的准确性。

表3 液压安全阀样机试验结果 MPa

4 结论

(1) 根据技术要求确定了防振液压安全阀的结构参数，为仿真模型的搭建提供了数据；

(2) 根据防振液压安全阀的工作原理，建立了该液压安全阀的AMESim仿真模型，为仿真分析建立了研究平台；

(3) 通过对液压安全阀的动态特性、启闭特性、阻尼特性进行仿真分析，结果表明该防振液压安全阀开启、关闭时的压力波动大大减小，能够有效起到防振作用；

(4) 利用该防振液压安全阀样机进行了性能试验，试验数据仿真分析结果基本相同，为防振液压安全阀的设计和液压系统的消振研究提供一定的参考依据。