螺纹插装方向阀的热力学建模与仿真分析

何二春

摘要：本文基于能量守恒和质量守恒定律，结合特殊结构压力流量特性，提出了螺纹插装方向阀的热力学建模方法。利用MATLAB平台对一型螺纹插装阀开展仿真分析，并预测其出油口和回油口温度。对仿真结果与机械结构的特性进行了对比分析，验证了建模方法的有效性。该理论建模方法适用于任意类型的螺纹插装阀，对螺纹插装阀的热力学建模与分析具有一定指导意义。

Abstract： Based on the law of conservation of energy and mass conservation， combined with the pressure and flow characteristics of cartridge directional valve， the thermodynamic modeling approach to the study of the valve were presented. The temperatures of the outlet and inlet ports were accurately predicted， according to the simulation by MATLAB software. Simulation results were presented and analyzed， compared with the characteristics of the mechanical structure， which demonstrated the validity of the model. Moreover， the theoretical basis and modeling strategy were also applicable for other cartridge valves， which provided references to study the cartridge valves and thermal hydraulic modeling.

关键词：螺纹插装方向阀;热力学模型;动态仿真

Key words： cartridge directional valve;thermal hydraulic modeling;dynamic simulation

中图分类号：TH137                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0070-04

0  引言

液压系统在不同领域的应用中一直存在工作温度难以控制的问题，因为液压元件在工作中不可避免地存在泄露、摩擦、溢流等能量损失，损失的能量大部分以热量的形式散失在系统中，使得系统油温升高，而过高的油温则引起油液的物理、化学特性变化，这不止造成能源的浪费，更严重时会造成整个控制系统的失效。解决液压系统过热的问题，根本方法是要减少系统中多余热量的产生。因此，对液压元件进行热力学建模，准确预测其温度变化，对于改进液压系统温度控制，提高液压控制系统可靠性有着重要的意义。

螺纹插装阀在国外被广泛应用于工程机械、车辆、和农用机械等领域。在国内因其能够简便、紧凑、灵活地实现各种压力、流量和方向控制的功能，也正得到越来越多的青睐。以往对螺纹插装阀的研究多为结构原理和压力流量动态特性分析[1-4]，而对其热力学性能、温度响应的研究则较少。传统的系统分析中仅将螺纹插装阀简化为一个节流阻性元件，利用能量守恒计算阀的稳态温度变化。Slidder J.A.等[5]提出一种研究流体动力系统中液压热力学特性的模型。LI Cheng-gong等[6]建立了泵的热力学模型。李永林等[7]以模块化建模方法，提出了液压系统热力学模块化建模方法。胡均平等[8]结合热力学和流体动力学建立了液压打桩锤缓冲装置动态模型。以上的研究对液压系统热力学建模分析都有很大的參考意义。

本文结合热力学理论和螺纹插装阀特殊结构下的压力流量特性，提出了螺纹插装方向阀热力学建模方法，并利用该模型对一型螺纹插装阀开展仿真分析，分析结果的合理性验证了模型的有效性。

1  动态模型基础

在建立质量和能量守恒方程时可以从多种不同的热力学参数中选择，如压力、密度和焓。然而，选择确实可测的参数来建立等式将更有价值。因此，选择温度和压力来建立质量和能量守恒方程。

采用开口系统分析，控制体模型如图1所示，不考虑控制体内部较小的动能和势能的影响;螺纹插装方向阀阀体与油液接触面积较小，故不计油液的轴功;阀芯往复运动速度及正压力均较小，所以可忽略外界给控制体的热流量，这样由能量守恒定律可得[9]：

选定螺纹插装方向阀控制体后，即可由式（14）、（15）计算出温度的动态变化。

2  螺纹插装方向阀控制原理

螺纹插装方向阀结构原理如图2[11]。阀口①③连接进油和回油管路，阀口②④连接负载，阀口⑤⑥为导压控制口，油路接通后由导压腔内油压控制阀芯位移，实现油路换向。

本文以一个一阀芯工作部分基本对称的正开口量的阀为例进行说明。假设阀芯中位时，其进油和回油口也对称，阀口超出两侧阀肩各Zmm（Z

当|x|

4  仿真分析

4.1 仿真系统原理

为研究螺纹插装方向阀进油口的温度特性，采用图5所示的系统进行仿真分析。用一个节流装置模拟负载。主要参数设置如表1。

4.2 主要参数研究

以MATLAB/Simulink为计算工具，建立油液特性参数计算、螺纹插装方向阀、节流装置和管路的仿真模块，并带入表1中数据，仿真求解。

设置进油口压力p3=10MPa，进油口温度TP=TH=25℃，阀芯位移x=5mm，以阶跃信号输入，t=1s，图6中为螺纹插装方向阀各油口温度（TA、TB、TT）动态曲线仿真结果。

由图6可知，阀未打开时，TB、TT已开始升高，这是由于阀是正开口量的，由开口处进入的油液引起阀口温度变化，油温上升速度先加快后减慢，这是由于插装阀特殊通油孔结构引起的。而A口温度TA只在阀打开，形成回流流量后才开始变化。阀打开后，油路中低温油液回油，使TT先降低再升高。

4.2.1 进油口温度的影响

其余参数设置不变，改变进油口温度TP，仿真结果如图7所示。X轴为不同的进油口温度TP，Y轴表示进油质量流量（kg/s）。由图可知，方向阀进油口温度越高，阀的进油流量越少，影响换向精度。实际工作中，阀的进油口温度与系统温度和环境温度密切相关，因此在控制精度要求较高的系统中，必须控制系统油液温度和环境温度。

4.2.2 进油口压力的影响

5  结论

结合两大守恒定律和阀的流量压力特性，提出了螺纹插装阀热力学建模的方法。该建模方法克服了传统建模中简单地将阀作为一个节流单元的不足。仿真结果表明，模型很好地反映了螺纹插式方向阀在各种工况下的热力学响应特性。这种理论和建模方法，为深入研究含螺纹插装阀的液压系统发热原理，提高系统建模精度提供了理论工具。

参考文献：

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[5]Slidder J A， Tilley D G， Chapple P J. Thermal-hydraulic performance prediction in fluid power system [C].//Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers （IMechE）. London， UK： Institution of Mechanical Engineers， 1996， 210（4）： 231-242.

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[8]胡均平，刘坤，郭勇，等.液压打桩锤大流量缓冲装置的建模与分析[J].振动与冲击，2013，32（10）：7-21.

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