农机用先导式减压阀建模及故障仿真研究

摘 要：阐述农机常用先导式减压阀工作原理，利用AMESim软件建立阀的仿真模型，仿真分析主阀阻尼孔堵塞、主阀阀芯卡滞、先导阀弹簧疲劳等常见故障工况下先导式减压阀工作时的动态特性。仿真结果表明：应用AMESim软件仿真能够真实地模拟先导式减压阀实际工作时的各类故障响应，为快速、准确地诊断先导式减压阀及类似液压元件故障提供一种新的方法与依据，大大降低了故障诊断时间，提高了整机工作效率。

关键词：AMESim；先导式减压阀；故障分析；建模仿真

中图分类号：TH391.9文献标志码：B文章编号：1671-5276（2024）03-0177-04

Modeling and Fault Simulation Reserch on Agriculture Pilot Pressure Reducing Valve Based on AMESim

Abstract：The working principle of pilot reducing valve used in agricultural machinery is described. The simulation model of pilot reducing valve is established by AMESim， and the its dynamic characteristics are analyzed under common failure conditions， such as main valve damping hole blockage， main valve spool stuck and pilot valve spring fatigue. The simulation results show that the AMESim software can simulate all kinds of fault responses of pilot valve in actual operation， which provides a new method and basis for diagnosing the faults of pilot valve and similar hydraulic components quickly with accuracy， greatly reducing the fault diagnosis time and improving the working efficiency of the whole machine.

Keywords：AMESim; pilot type pressure reducing valve; fault analysis; modeling and simulation

0 引言

液压技术的日益成熟，使其在薯类收获机、插秧机等农业机械中的应用越来越广泛。先导式减压阀是液压系统中最常用的关键液压元件之一，其通过液压压力与先导阀调压弹簧相作用来调定系统的压力，液体压力与主阀稳压弹簧相作用来稳定系统压力，主要用于中、高压系统中，起到减压、稳压等作用［1-2］。其性能的优劣直接影响着液压系统的性能及品质，进而影响到整机的性能。然而，因为农业机械工作环境恶劣，对环境敏感的先导式减压阀在工作当中故障率高［3-4］，因此对先导式减压阀故障理论分析及研究意义重大。

鉴于此，本文在对先导式减压阀工作原理分析的基础上，利用AMESim软件建立阀的仿真模型，仿真分析了阻尼孔堵塞、阀芯卡滞、弹簧疲劳等常见故障工况下先导式减压阀工作时的动态特性。仿真结果表明，应用AMESim软件仿真能够真实地模拟先导式减压阀实际工作时的各类故障响应，为先导式减压阀的故障诊断及预测研究提供理论参考。

1 先导式减压阀工作原理及数学模型

先导式减压阀结构及图形符号如图1所示。

由图1工作时， 液压力同时作用于主阀芯及先导锥阀的左侧压力面上。 当先导阀锥阀未打开时， 阀腔中油液没有流动， 作用在主阀芯上下两个方向的压力相等， 主阀芯在稳压弹簧作用下处于最下端位置， 阀口全开。当进油压力增大到使先导阀阀芯打开时，液流通过主阀芯上的阻尼孔流回油箱。由于阻尼孔的阻尼作用， 使主阀芯所受的上下两个方向的液压力不相等， 主阀芯在压差的作用下上移，阀口减小，出口压力减小，直至与先导阀调压弹簧调定值相等。

2 AMESim建模及仿真研究

2.1 模型建立

根据先导式减压阀结构及工作原理，利用AMESim仿真软件［5-7］建立先导式溢流阀仿真模型如图2所示。

2.2 参数设置

根据先导式减压阀实际结构参数，设定系统主要元件AMESim各模块的参数如表1所示。

2.3 仿真研究

1）仿真验证分析

如图3所示，设定可变节流口输入信号0～10 s内由1.0线性降低到0.2来模拟负载的变化，恒压0～10 s内为30MPa，仿真时间为10s，仿真步长为0.005s。仿真后得到先导式减压阀进、出油口压力、节流阀通流面积曲线如图4所示。

由图4仿真结果可知，减压阀进口的压力恒为30MPa，可变节流口通流面积随着输入信号的降低，由28.3mm2降低到6.3 mm2，即减压阀出口遇到的负载逐渐减小，而减压阀出口压力基本稳定在12.3MPa，仿真结果与实际工况一致。

减压阀压力计算公式为

P=F/A（1）

式中A为先导阀阀芯面积。

将表1中主阀弹簧预紧力F为465N、先导阀阀芯直径7mm代入式（1），计算得出减压阀出口稳定压力为12.1MPa，与仿真结果基本一致，证明了所建立模型的正确性和精确性。

2）主阀上腔阻尼孔堵塞故障工况

先导式减压阀正常工况时主阀阻尼孔直径设定为2mm，主阀阻尼孔直径设定为0.01mm来模拟主阀阻尼孔堵塞故障工况，仿真时间为10s，仿真步长0.01s。利用AMESim批处理功能，仿真得到两种阻尼孔直径下减压阀的出口压力随时间变化曲线如图5所示。

由图5得知：主阀阻尼孔堵塞故障工况时，由于主阀上腔阻尼孔堵塞，先导阀不起调压作用，出口压力直接与主阀平衡弹簧相作用，致使主阀出口压力在0MPa和20MPa之间附近震荡，与实际故障工况基本一致。

3）主阀阀芯卡死故障工况

设置先导式减压阀正常工况时主阀阀芯下极限位移为0mm，上极限位移为2mm，主阀阀芯下极限位移为0mm，上极限位移设置为0mm来模拟主阀阀芯卡死故障工况。利用AMESim批处理功能，仿真得到两种工况下主阀芯位移减压阀出口压力随时间变化曲线如图6所示。

由图6得知：主阀芯卡死故障工况时，阀芯处于全开状态，致使主阀出口压力为29.7MPa，与实际故障工况基本一致。

4）先导阀弹簧疲劳变软故障工况

设定先导式减压阀正常工况时弹簧刚度为10N/mm，先导阀弹簧刚度设定为0.1N/mm来模拟先导阀弹簧疲劳变软故障工况。利用AMESim批处理功能，仿真得到两种工况下减压阀的出口压力随时间变化曲线如图7所示。

由图7得知：由于弹簧疲劳变软导致弹簧刚度降低，先导阀阀口压力稳定性降低进而引起主阀阀口压力的震荡，与实际故障工况基本一致。

3 结语

本文在对先导式减压阀工作原理分析的基础上，推导建立了阀的数学模型，利用AMESim仿真模型，分析了主阀阻尼孔堵塞、主阀阀芯卡滞、先导阀弹簧疲劳等常见故障工况下先导式减压阀工作时的动态特性，得到如下结论：

1）主阀上腔阻尼孔堵塞，先导阀不起调压作用，出口压力直接与主阀平衡弹簧相作用，致使主阀出口压力在0MPa和20MPa之间震荡；

2）阀芯卡死故障工况时，阀芯处于全开状态，致使主阀出口压力为29.7MPa；

3）先导阀弹簧疲劳变软故障工况时，导致先导阀阀口压力稳定性降低进而引起主阀阀口压力的震荡。

参考文献：

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