变压差自动恒流阀的仿真研究

□ 张为荣 □ 章 良

中核苏阀科技实业股份有限公司 江苏苏州 215000

1 研究背景

对于大推力且需要快速关闭的阀门,一般采用气液联动驱动装置控制阀门的启闭。在这类驱动装置中，快关通道的液压油流量非常大。为了保持不同的蓄能压力下快关的时间接近恒定,需要在快关通道中串联恒流阀。其中，变压差自动恒流阀较为常用。这一恒流阀具有流量大、出口压力基本恒定、可自动调节开度控制流量等特点,结构较为简单,功能可靠。

笔者应用AMESim多学科领域系统建模与仿真软件,基于推导和计算得到的数学模型,分析变压差自动恒流阀不同的数值参数对自身动态特性的影响,为变压差自动恒流阀的设计提供参考。

2 结构与工作原理

变压差自动恒流阀是一个闭环自动控制元件,通过对弹簧预紧力与出口压力的反馈进行比较,自动调节槽口的节流面积,使出口压力基本恒定，通过的流量也基本恒定。

变压差自动恒流阀的结构如图1所示，阀上有三个油口:进油口、出油口和卸油口。来自上游的高压油从进油口进入,经阀体腔室从出油口流出,同时通过反馈流道反馈在阀芯左侧的受控腔，对阀芯产生一个向右的液压推动力,该力与弹簧的预紧力相平衡。当出油口压力未达到阀的设定压力时,阀芯处于最左端,槽口开度最大。当出油口压力达到阀的设定压力时,阀芯动密封的弹簧右移,槽口开度减小,从而实现出油口的稳压和节流,使出油口的压力和流量不因进油口压力的改变而发生明显变化。另一方面,阀芯动密封在长期使用后必然有一定的泄漏量,因此卸油口应接至油箱。

▲图1 变压差自动恒流阀结构

变压差自动恒流阀稳定工作时,阀芯上的受力是平衡的,力平衡方程式为:

p2Ar=kr(x0+x)

(1)

式中:p2为受控腔压力;Ar为阀芯端面积;kr为弹簧弹性系数;x0为弹簧预压缩量;x为阀芯位移。

因为弹簧的预压缩量x0远远大于阀芯位移x,所以式(1)可以简写成p2≈krx0/Ar为常数。

可见,当变压差自动恒流阀进口压力大于阀的设定压力时,变压差自动恒流阀阀芯会随进油口压力的变化而自动调整槽口开度,使出油口压力稳定于调定值,并且通过槽口节流,使出油口流量稳定于定值。

3 数学模型

为便于建立模型,必须对变压差自动恒流阀进行适当简化。进行如下假设:各腔体内的温度和压力为均匀分布,各腔温度与环境温度近似相等，阀芯运动时不考虑摩擦力。由变压差自动恒流阀的基本结构,可以得到其工作原理，如图2所示。

▲图2 变压差自动恒流阀工作原理

在上述假定条件下,可以得到变压差自动恒流阀的动态特性方程。

(1) 变压差自动恒流阀的滑阀运动方程为:

(2)

式中:mr为阀芯质量;Br为阻尼系数;Fs为稳态液动力;t为时间。

Fs=2CdrCdvπDxr(p1-p2)cosαr

(3)

式中:Cdr为流量因子;Cdv为阀口速度因子;D为阀直径;dr为槽口开度;αr为液流射角,αr=69°;p1为进油口压力。

(2) 变压差自动恒流阀的阀体腔室流量方程为：

(4)

式中:ρ为流体介质密度;Q1为流经阀体腔室的流量；p3为出油口压力；dmr为槽口最大开度;Qmr为出油口最大流量。

(3) 变压差自动恒流阀流量连续性方程为：

(5)

式中:Q0为进油口流量;Q2为受控腔流量；Q3为出油口流量；C1r为泄漏因子;Vr为阀体腔室体积;E为油液体积弹性模量。

(4) 受控腔流量连续性方程为：

(6)

式中:V2为受控腔体积。

设阻尼孔中的流动为层流,于是有：

(7)

式中:dc为阻尼孔直径;Lc为阻尼孔长度;η为油液动力黏度。

4 仿真模型

AMESim软件的优势在于图形化建模,通过软件的机械库、信号控制库、液压库和液压元件设计库构建变压差自动恒流阀仿真模型,如图3所示。

▲图3 变压差自动恒流阀仿真模型

根据变压差自动恒流阀的结构、工作原理及所需研究参数等，构建尽量简化的仿真模型。仿真模型的主要参数见表1。

5 仿真分析

5.1 弹簧弹性系数

仿真中涉及的基本参数按表1设定,分别设定弹簧的弹性系数为1 100 N/mm、1 300 N/mm、1 500 N/mm、1 700 N/mm、1 900 N/mm。运行AMESim软件的批处理仿真,得到不同弹簧弹性系数下变压差自动恒流阀的流量进口压力曲线和出口压力进口压力曲线,分别如图4、图5所示。

表1 变压差自动恒流阀仿真模型参数

▲图4 不同弹簧弹性系数下流量进口压力曲线▲图5 不同弹簧弹性系数下出口压力进口压力曲线

由图4可以看出,在相同条件下,弹簧弹性系数越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的流量越大。由图5可以看出,在相同条件下,弹簧弹性系数越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的出口压力越大。弹簧弹性系数对变压差自动恒流阀的流量和出口压力影响较明显,可以在设计中调整弹簧弹性系数，以满足液压系统对流量和压力的需求。

5.2 弹簧预紧力

仿真中涉及的基本参数按表1设定,分别设定弹簧预紧力为400 N、1 200 N、2 000 N、2 800 N、3 600 N,运行AMESim软件的批处理仿真,得到不同弹簧预紧力下变压差自动恒流阀的流量进口压力曲线和出口压力进口压力曲线,分别如图6、图7所示。

▲图6 不同弹簧预紧力下流量进口压力曲线▲图7 不同弹簧预紧力下出口压力进口压力曲线

由图6可以看出,在相同条件下,弹簧预紧力越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的流量越大。由图7可以看出,在相同条件下,弹簧预紧力越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的出口压力越大。尽管弹簧预紧力取值跨度非常大,但是对于流量和出口压力的影响与图4和图5对应相似,同时表明在相同条件下，与弹簧弹性系数的改变相比，弹簧预紧力对变压差自动恒流阀的流量和出口压力的影响相对较小。因此，在变压差自动恒流阀的应用过程中，可以通过调节弹簧预紧力对变压差自动恒流阀的流量和压力特性进行更精密的调节。

5.3 初始状态槽口开度

仿真中涉及的基本参数按表1设定,分别设定初始状态槽口开度为1 mm、3 mm、5 mm、7 mm、9 mm,运行AMESim软件的批处理仿真,得到不同初始状态槽口开度下变压差自动恒流阀的流量进口压力曲线和出口压力进口压力曲线,分别如图8、图9所示。

▲图8 不同初始状态槽口开度下流量进口压力曲线▲图9 不同初始状态槽口开度下出口压力进口压力曲线

由图8可以看出,在相同条件下,初始状态槽口开度越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的流量越大。由图9可以看出,在相同条件下,初始状态槽口开度越大,变压差自动恒流阀在恒流区域中的出口压力越大。初始状态槽口开度对变压差自动恒流阀流量和出口压力的影响非常明显,在变压差自动恒流阀设计时，对槽口开度应进行精确的计算分析,以确保变压差自动恒流阀的流量和压力满足使用要求。

6 结束语

经过对变压差自动恒流阀工作原理的分析,推导计算出数学模型,并基于AMESim多学科领域系统建模与仿真软件建立变压差自动恒流阀的仿真模型,对影响变压差自动恒流阀流量和出口压力的关键参数进行仿真分析。

仿真结果表明,变压差自动恒流阀初始状态槽口开度对变压差自动恒流阀的流量和压力特性存在非常大的影响,在设计中需进行精确的计算和分析,以确定槽口开度。

另外,为使变压差自动恒流阀的流量和压力特性满足使用要求,在设计时对弹簧弹性系数也要进行详细的分析计算。

弹簧预紧力对变压差自动恒流阀流量和压力特性的影响相对较小,可以通过调节弹簧预紧力对变压差自动恒流阀的流量和压力特性进行更精密的调节。

变压差自动恒流阀初始状态槽口开度、弹簧弹性系数、弹簧预紧力三个参数存在耦合,因此在进行变压差自动恒流阀的具体设计时，均需综合考虑以求得最优方案。笔者的研究结论对变压差自动恒流阀的设计具有参考价值。