先导式纯水溢流阀仿真与试验研究

1、机 械 工 程 学 报JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING 第 46卷第 24期 2010年 12月Vol.46 No.24 Dec. 2010先导式纯水溢流阀仿真与试验研究 *弓永军 1 王祖温 1 徐 杰 1 张增猛 1, 2(1. 大连海事大学船舶机电装备研究所 大连 116026; 2. 浙江大学流体传动及控制国家重点实验室 杭州 310027摘要 :针对具有高压引流和二级节流新型结构阀口的先导式纯水溢流阀进行仿真和试验研究,建立阀的 AMESim 仿真模型, 分析先导阀导向间隙、阻尼孔直径、敏感腔体积、阀芯质量以及弹簧刚度等不同参数对先导式纯水溢流阀特性

2、的影响,在纯 水液压综合性能试验台上进行先导式纯水溢流阀的静动态试验,并对仿真和试验结果进行对比分析。仿真与试验结果表明, 液阻直径是先导式纯水溢流阀最主要的影响参数, 而阀芯质量变化的影响则基本可以忽略; 在小于 20 L/min的小流量工况下 的定压精度较低,而大于 20 L/min的大流量工况下的定压精度较高;阀的动态响应试验表明,入口压力超调量小于 30%,并 且压力上升时间小于 80 ms。关键词 :先导式纯水溢流阀 影响参数 静动态仿真 静动态试验 中图分类号 :TH137.52Simulation and Experiments Study on Water Hydraulic

3、PressureRelief Valve with Pilot StageGONG Yongjun1 WANG Zuwen 1XU Jie 1 ZHANG Zengmeng 1, 2(1. Institute of Shipping Electro Mechanics Equipment, Dalian Maritime University, Dalian 116026;2. The State Key Laboratory of Fluid Power Transmission and Control, Zhejiang University, Hangzhou 310027Abstrac

4、t : The simulation and experiments on pilot-operated water hydraulic relief valve are carried out in our lab. The structure of the main valve port is characterized with high-pressure induct and two-step restrictor. The AMESim model of the valve is built. The influence parameters, such as guide clear

5、ance of pilot valve, diameter of damping orifice, volume of sensitive cavity, mass of valve core, and spring stiffness, are investigated through simulation. The static and dynamic experiments are carried out on the water hydraulic comprehensive test-rig to test the valve performance. The simulation

6、and test results are compared and analyzed, which shows that the effect of spool mass can be neglected, but the diameter of damping orifice has great effect. The setting-pressure accuracy is low at small flow rate below 20 L/min, but the high accuracy is achieved over 20 L/min. The experiments about

7、 valve dynamic response show that the overshoot of inlet pressure is no more than 30% and the pressure rise time is less than 80 ms. Key words:Pilot-operated water hydraulic relief valve Influence parameter Static and dynamic simulationStatic and dynamic experiments0 前言纯水液压技术以过滤后的自然水为工作介质 实现动力传递,不含任

8、何添加剂,具有来源广泛、 环境友好、清洁安全的独特优势,是国际上流体传 动与控制领域最新的发展方向之一 1。其中先导式 溢流阀作为纯水液压系统压力调节的关键元件,亦 成为了研究重点。先导式纯水溢流阀为准确地控制纯水液压系 国 家 自 然 科 学 基 金 (50805011和 中 央 高 校 基 本 科 研 业 务 费 专 项(2009QN051资助项目。 20091222收到初稿, 20100620收到修改稿统中的压力,必须具有足够的控制精度和动态品 质 2。与矿物油相比,水具有腐蚀性强、粘度低、 汽化压力高等特点,因此研制先导式纯水溢流阀时 要克服气蚀、 腐蚀、 磨损和泄漏等关键技术问题 3

9、-4。 为解决上述问题,设计出了具有高压引流和二级节 流的结构的先导式纯水溢流阀。在 AMESim 软件中, 该阀的上述结构无法用单 个元件表示,须通过多个元件的组合来表示。本文 对先导式纯水溢流阀的静动态特性进行了仿真,并 将仿真结果与试验结果进行对比分析。仿真中,发 现阀内部参数改变,引起阀入口压力的改变,但不 同的参数引起变化的程度不同,文中分析了主要影2010年 12月 弓永军等:先导式纯水溢流阀仿真与试验研究137响参数引起变化的原因。 1 先导式纯水溢流阀结构与数学模型 1.1 先导式纯水溢流阀的结构分析 先导式纯水溢流阀的结构如图 1所示。本阀包 括椭球阀口的主阀和锥形阀口的先导

10、阀,以及先导 阀液阻 5和主阀液阻 10。 该阀的结构特点是为减轻 气蚀,在主阀阀芯设有高压引流孔,以及依靠阀芯 和阀套的共同作用进行二级节流。为减少泄漏,本 阀采用 O 形圈密封。 图 1 先导式纯水溢流阀结构简图 1. 调压螺栓 2. 先导阀弹簧 3. 先导阀阀芯 4. 先导阀阀套 5. 先导阀液阻 6. 主阀弹簧 7. O 形密封圈 8. 主阀阀套 9. 主阀阀芯 10. 主阀液阻 11. 高压引流孔 12. 阀体1.2 先导式纯水溢流阀的数学模型在建立数学模型时,只考虑阀自身的结构参 数,而忽略阀测试系统中管路与其他零件对其动态 特性的影响,同时假定溢流阀的出口压力为零,则 溢流阀的动

11、态特性如下所述 5。主阀口锥阀形式的流量方程3 33 q = 110x L x L <<> (1 22s d s 1(3sin cos 2cos D A D x = 式中 q 3 流 经主阀的锥阀阀口流量A d 主 阀口打开后流通面积 L 遮 蔽量 D s 锥 阀端直径 主 阀锥阀与阀套的配合间隙 动 力粘滞 x 1 阀 芯移动位移 C d 锥 阀的流量系数 p 1 入 口处的压力 p 3 主 阀一级节流后的压力 流 体密度 锥 阀的锥度主阀高压引流孔的流量方程4h 08x q C =式中 q 4 流 经主阀的高压引流孔流量C h 高 压引流孔流量系数 D h 高 压引流孔直

12、径主阀二级节流口的流量方程25bq C = (3式中 q 5 流 过主阀二级节流口的流量 C b 球 阀流量系数 D b 球 阀直径主阀二级节流口的流量连续性方程534q q q =+ (4 主阀液阻的流量方程2qq C = (5式中 q 2 流 过液阻 7的流量C q 液 阻流量系数 D O1 液 阻直径 p 2 敏 感腔压力主阀芯的流量连续性方程1234q q q q =+ (6 式中, q 1为主阀入口流量。主阀芯的力平衡方程pp1K10W1m111p 111F F F F m x B xk x =+ (7pp1311112213=F p A p A p A 式中 F pp1 主阀液动力

13、A 11 主阀入口面积 A 12 主阀一级节流后压力的有效作用 面积 A 13 敏感腔面积 F K10 主阀弹簧的弹簧预紧力 F W1 主阀阀芯液动力 F m1 主阀阀芯受到的摩擦力 m 1 主阀阀芯质量 B p 粘滞阻力系数 k 1 主阀弹簧弹性系数2W1d12F C p =机 械 工 程 学 报 第 46卷第 24期138 考虑静摩擦力与库仑摩擦力,按 Stribecks 模 型 6有(m11co st co 1r 1sgn( (exp F x F F F x F x=+ 式中 速度模型系数F st 主阀芯的静摩擦力 F co 主阀芯的库仑摩擦力先导阀的流量连续性方程267q q q =+

14、(8 式中 q 6 流 经先导阀右端间隙的流量q 7 先 导阀流出流量 A 2 敏 感腔面积A 6 先 导阀右端面积 x 2 先 导阀阀芯的位移先导阀导向端的流量方程2667( 12D q p p L = (9式中 D 先 导阀导向端的直径 先 导阀导向间隙 L 先 导阀导向端的长度 p 6 先 导阀腔的压力 p 7 流 经先导阀导向端后的压力先导阀锥形阀口的流量方程 7d q C = (10式中 D t 先 导阀左端锥阀阀套直径 先 导阀左端锥阀锥度x 2 先 导阀阀芯运动位移先导阀的力平衡方程pp2K20W2m222m1222F F F F m x B xk x =pp2721622623

15、F p A p A p A =+ (11式中 F pp2 先导阀阀芯所受液压力 A 21 先导阀导向端后的面积 A 22 先导阀导向端前的面积 A 23 先导阀腔左端的面积 F W2 先导阀阀芯稳态液动力 F K20 先导阀弹簧的弹簧预紧力 F m2 先导阀阀芯受到的摩擦力 m 2 先导阀阀芯质量 B m1 粘滞阻力系数2 AMEsim模型在上述模型中忽略了水的压缩性,同时没有考 虑阀内流道的流阻、压力容腔的体积以及某些小容腔由于体积变化而产生的流量变化。但是上述忽略内容在 AMESim 中通过简单设置就得到充分的考 虑,可以减少这些因素带来的误差。图 2所示为 AMESim 中建立的先导式纯

16、水溢流阀仿真模型。主 阀阀芯为椭球阀口,在结构上可认为由多个不同形 式阀口经过并联与串联构成,因此模型中可用圆锥 面节流阀口、滑阀遮孔和球阀阀口组合代替。图 2 先导式纯水溢流阀的 AMESim 仿真模型3 仿真结果与分析3.1 先导阀导向间隙 的影响溢流阀的先导阀部分设有阻尼腔,以提高先导如果你只能记住一条可用性原则,那么就记住这一条。它意味着,设计者应该尽量做到,当我看一个页面时,它应该是 不言而喻、一目了然、自我解释 的。网页上每项内容都有可能迫使我们停下来,进行不必要的思考。另一个不必要的问号来源是那些 看起来不太明显的链接和按钮。 作为一个用户, 永远不该让我花上几微秒去思考某个东西

17、是否能点击。 当我们访问 Web 时, 每个问号都会加重我们的认知和负担, 把我们的注意力从要完成的任务上拉 开。这种干扰或许很轻微但它们会积累起来。有时候,在进行一些崭新的,开拓性的或者非常复杂的页面设计时,也许只能做到“自我解释” 。 在一个自我解释的页面中,用户需要花一点点时间去了解 但只需要一点点时间。页面元素的外观、 精心选择的名称、页面布局以及少量仔细斟酌过的文字,它们综合在一起将创造出一种接近瞬间的识 别效果。第二章 我们实际上是如何使用 W EB 的 扫描,满意即可,勉强应付第一个事实:我们不是阅读,而是扫描我们为什么扫描?1. 我们总是处于忙碌之中2. 我们知道自己不必阅读所

18、有的内容3. 我们善于扫描第二个事实:我们不作最佳选择,而是满意即可为什么 Web 用户不寻找最佳选择呢?1. 我们总是处于忙碌之中2. 如果猜错了,也不会产生什么严重后果在网站上做了一次错误选择的后果通常只是点击几次后退按钮,这样也使得满意策略成 为一项有效的策略。3. 对选择进行权衡并不会改善我们的机会4. 猜测更有意思第三个事实:我们不是追根究底,而是勉强应付为什么呢?1. 这对我们来说并不重要。 图 4 不同液阻直径仿真结果 图 5 不同敏感腔体积仿真结果3. 把页面划分成明确定义的区域4. 明显标识可以点击的地方5. 最大限度降低干扰第四章 动物、植物、无机物 为什么用户喜欢无需思考

19、的选择 点击多少次都没关系,只要每次点击都是无需思考、明确无误的选择 Krug 可用性第二定律经验准则:三次无需思考、明确无误的惦记相当于一次需要思考的点击。第五章 省略不必要的文字 不要再 W EB 上写作的艺术在仿真时,阀芯质量分别设为:其一,先导阀 阀芯质量 m 2=0.006 2 kg、主阀阀芯质量 m 1=0.062 kg ;其二,先导阀阀芯质量 m 2=0.01 kg、主阀阀芯 质量 m 1=0.1 kg。 图 6为主阀阀口压力 p 在不同阀芯 质量下的仿真结果,通过分析可知:不同的阀芯质 量对于阀入口的压力几乎没有影响。去掉没有人会看的文字有几个好处:1. 可以降低页面的噪声2.

20、 让有用的内容更加突出3. 让页面更简短,让用户在每个页面上一眼就能看见更多的内容,而不必滚动屏幕第六章 街头指示牌和面包屑 设计导航记住下面的事实:如果在网站上找不到方向,人们不会使用你的网站。网络导航 101法则1. 你通常是为了寻找某个目标2. 你会决定先询问还是先浏览(Web 上等价的询问服务是搜索3. 如果选择浏览,你将通过标志的引导在层次结构中穿行。4. 最后,如果找不到想要的东西,你会离开被忽视了的导航用途 :1. 它给了我们一些固定的感觉2. 它告诉我们当前的位置3. 它告诉我们如何使用网站4. 它给了我们对网站建造者的信心关于搜索 : 图 8 先导式纯水溢流阀压力流量特性曲线

21、月 2010 年 12 月 弓永军等：先导式纯水溢流阀仿真与试验研究 141 O 形密封圈在运动时与阀套产生摩擦引起的，尤其 说明在小流量时， 当流量低于 20 L/min 时误差更大， 摩擦力对于静态特性的影响更大。 4.2 先导式纯水溢流阀的动态仿真与试验比较 分析 在先导式纯水溢流阀试验系统中，将被试阀压 力调定在 10 MPa、14 MPa 下，调定被试阀的入口 利用开关阀的通断产生流量的阶 流量为 120 L/min， 跃， 测量被试阀的入口压力可得压力响应特性曲线； 在先导式纯水溢流阀系统仿真模型中， 同样设定入口 压力为 10 MPa、14 MPa，入口流量为 120 L/min

22、，输 入流量阶跃脉冲，可得到压力响应特性的仿真曲线 (图 9。 定流量脉冲时，溢流阀的入口压力迅速提升至最大 峰值，然后振荡衰减至调定压力，这是由于溢流阀 本身属于典型的质量阻尼弹簧系统，其先导级 和功率放大级的传递函数均含有二阶的阻尼振荡环 节，因而其动态特性也具有二阶振动衰减的特点。 与试验结果相比，仿真结果在压力上升阶段的响应 更快，且仿真结果比试验结果的压力超调量更大， 这是由于仿真模型中的摩擦力所致。溢流阀基本上 是一个二阶系统，当考虑流体压缩性后，系统阻尼 系数将明显减少，但超调会增大，这点也可以从试 验曲线中看出。 图 9b 所示为 14 MPa 下压力响应特性的仿真与 试验结果

23、比较，同样可以看出：当先导式纯水溢流 阀给定脉冲时，被试溢流阀的入口压力迅速提升至 最大峰值，然后振荡衰减至调定压力，具有二阶振 动衰减的特点， 但由于压力的升高， 仿真结果与试 验结果在压力上升阶段的误差更大，说明压力越高 阀芯摩擦力对于动态特性的影响越大。同样由仿真 结果可以看出： 在相同压力等级下， 随着流量增大， 被试阀的压力响应时间减少，压力超调量也减少。 5 结论 (1 通过对先导阀导向间隙、液阻直径、敏感 腔体积、 阀芯质量以及弹簧刚度等不同参数的仿真， 可以得知，影响最大的参数为液阻直径，其次为导 向间隙，阀芯质量几乎无影响。 (2 阀在小于 20 L/min 的小流量工况下的定压 精度较低，而在大于 20 L/min 的大流量工况下的定 压精度较高。 (3 先导式纯水溢流阀在调整压力 10 MPa 和 14 MPa 下， 压力超调量低于 30%， 压力上升时间低