基于amesim的液压节流阀口仿真分析

基于amesim的液压节流阀口仿真分析

在液压表系统中，液压表单元的运动速度、稳定性和响应时间通常由液压源决定。其次，液压源的性能取决于滑斗界面的形状和工作性能。不同的开口可以获得不同的流量控制曲线，并且系统具有不同的工作特点。对于液压表滑动框架的开口，有很多形式。根据开口的形状，可分为全周开口和非全周开口。传统的滑动仪表通常采用全周开口的形式。其优点是可以准确地表达阀口流量调节范围内阀芯位移的函数关系，这有助于预测和设计液压表的性能。然而，在液压机械仪表控制单元中，非全周开口的形状被广泛使用。这种类型的流量控制器具有较大的流量调节范围和良好的小流量稳定性。阀口的水力半径大，阻力低，可靠性好，阀口面积位移简单，流量诱导性能好，不敏感于油流量和粘度变化。目前针对非全周开口滑阀节流阀口过流面积的计算原则及等效方法的相关研究还不多,已有的公式因相关计算参数难以确定,使其在应用于液压阀芯的设计计算时,阀口通流性能存在不确定性.本文针对几种典型节流阀口结构特征开展研究,推导出具有普遍适用性的过流面积计算通式,并利用仿真模型,进一步阐述不同类型阀口在不同负载、外形尺寸下,对系统动态性能的影响,为液压控制系统设计、合理选用节流阀口提供一定的参考.1角槽形节流阀口对于非全周开口形式的节流阀口,因阀口复杂的结构形式,其过流面积与阀芯位移多为非线性关系,一般以近似函数代替准确的函数表达式.目前应用较多的阀口形状为三角槽形(trianglegroove)、U形(U-shaped)、梯形(trapezoidal)、半圆槽形(semicirclegroove)、L形(L-shaped)等,图1为这几类节流阀口三维CATIA(computeraidedtridimensionalinterfaceapplication)示意图.三角槽形节流阀口一般以阀芯轴线为中心,在阀芯端部对称均布2~4个节流槽,与阀体内腔形成过流面积,通过轴向移动阀芯,改变三角槽过流面积从而达到调节流量的目的.该类阀口过流流体状态变化平稳,阀芯径向力平衡,易于调节流量控制液压系统执行端速度稳定.U形节流阀口前端为半圆槽式,后端为矩形式等截面通道.该类节流槽在一定流量范围内,液压执行元件流量增益较为平缓,线性度好,可减少滑阀换向时的液压冲击与振动.梯形节流阀口加工工艺较复杂,但其过流面积变化率较为恒定,有利于提高流量特性的刚性,且对油温和黏度的变化不敏感,具备良好的调节性能.半圆槽形节流阀口相比于前两者,其结构简单,加工工艺优良;流量调节范围宽,在开口度较大时,过流面积变化率小,有利于提高流量稳定性;并且其水力半径大,节流口不容易堵塞.L形节流阀口由小圆柱横向铣切阀芯凸肩形成,阀口过流面积是圆柱相贯线和阀座边在阀芯圆柱面所围成的部分圆柱面积.该类节流槽过流面积变化率较大,液压元件执行端速度变化灵敏、响应时间短.此外,该类阀口水利半径大,当液体流动方向改变时可有效减少阀芯移动时的操纵力.2非线性函数拟合不同结构形状的节流阀口具备不同的流量控制特性、抗阻塞性和流量稳定性,选用哪一类节流阀口外形需针对不同应用工况.通过对典型液压节流阀口面积的计算,可定性获得阀口面积梯度与阀芯位移关系,有利于滑阀设计与功能预测.文献对L形、U形、V形节流阀口进行了面积解析运算,获得非线性函数表达式,进而利用曲线拟合得到面积近似表达式,但该类公式缺乏通用性;文献则对几种节流阀口面积公式进行了详细研究与理论推导,并通过实验验证其准确性,但其表达过于繁琐,难以满足实际应用需求.本文在此将各类节流阀口作等效简化,将通流截面圆弧端等效为平面,所忽略圆弧截面产生的实际误差在3%以内,再基于立体几何算法,提出较为简单且具有普遍应用性的过流面积计算公式.根据节流阀口的形状特征,节流阀口可以分为两种结构:一种是等截面节流阀口,一种是渐扩形节流阀口.其中U形节流阀口为等截面结构,其阀口压差主要集中在轴向截面和径向截面,具备二级节流的典型特征,即其等效过流面积为轴向与径向过流面积的串联有效值.而三角槽形、半圆槽形、梯形以及L形凸肩式节流阀口属于渐扩形结构,其等效过流面积为节流阀口最小通过面积.几种节流阀口过流面积计算示意如图2所示2.1等效阀口开度三角槽形节流阀口采用60°角度铣刀,沿圆弧轨迹旋转切割阀芯端面而形成,其轴向与径向截面都为三角形.该类节流阀口最小通过面为垂直底边棱线的截面,见图2(e),其等效阀口过流面积Asj推导过程为:式中:x为各节流阀口开口度;h为节流阀口特征深度;L为节流阀口特征长度;n为阀芯端面节流口数;dh节流阀口为水利直径.2.2等效阀口过流面积的推导U形节流阀口是采用圆柱形铣刀,沿阀芯轴线方向旋转切割阀芯端面而成,节流阀口前半段为半圆槽,后半段为矩形流道,其轴向截面为矩形,见图2(b),其等效阀口过流面积A1、A2推导过程为:当0<x<r时,当r≤x≤L时,以上各式中:r为节流底面特征半径;为阀体与节流阀口当前开口度相交线;Aax为轴向过流面积;Ara为径向过流面积.2.3小角度铣刀的等效过流面积atx推导梯形节流阀口加工工艺比较复杂,一般采用小角度成形铣刀加工,其轴向截面为梯形,径向截面为矩形,见图2(a),其等效过流面积Atx推导过程为:2.4等效过流面积aby推导半圆槽形节流阀口加工形式类似于U形节流阀口,同样采用圆柱形铣刀沿阀芯轴线旋转切割端面而成.其轴向截面为圆弧面,径向截面为矩形,见图2(c),其等效过流面积Aby推导过程为:2.5等效过流面积al推导L形节流阀口由小圆柱横向铣切阀芯端面形成,其最小过流面为径向截面,见图2(d),其等效过流面积AL推导过程为:基于上述获得的过流面积表达式,应用仿真软件,可编制各节流阀口参数化的面积计算程序,从而满足同一类阀口形状,不同外形尺寸的应用需求.3流量阀开口的模拟分析3.1不同开口度阀口对过流面积增益的影响为比较过流面积变化率对系统性能的影响,绘制不同阀口在相同外形尺寸下,阀芯位移与过流面积关系曲线如图3和4所示,各节流阀口相关参数见表1.分析图3、图4仿真曲线:三角槽形节流阀口在开口度较小时,流量增益很小,有利于控制系统稳定;随着阀口开口度增加,过流面积线性增大,流量增益亦随之增加.L形节流阀口在小开口度时,过流面积增益较大,有利于系统快速响应,保证执行端元件的灵敏性;在达到一定开口度后,过流面积逐渐趋于恒值,此时可以保证执行端流量稳定性.在同样大小外形尺寸下,L形与三角槽形节流阀口水利直径最大,说明该类阀口更易获得最小稳定流量.U形阀口在开口度小于节流阀口顶端圆弧半径时,过流面积变化梯度较大,有利于快速建立系统压力;当阀口开口度大于顶端圆弧半径时,过流面积增长趋于平缓,可保证系统稳定性.梯形阀口面积变化率较为恒定,且其流量调节范围较宽.半圆槽形节流阀口随着开口度增加,过流面积变化率迅速增加,对系统启动灵敏性有一定帮助.3.2节流阀口的动态特性由流量公式(其中,Q为计算流量,Cd为流量系数,Ad为过流面积,ΔP为节流阀口两端压力差,ρ为油液密度)知,一旦节流阀口过流面积变化,阀口前后压差与通过的流量都将产生一定变化,进而影响执行端元件的动态性能.本小节将在上述阀口过流特性的基础上,根据图5所示的节流系统测试原理,构建仿真模型(如图6所示),探讨节流阀口对液压缸动态性能的影响.图6所示模型中,2号模块等效于图5所示的进口油路节流阀口2,用于控制进入执行油缸的流量大小,进而控制液压油缸的运动速度;4号模块等效于回油路上节流阀口3,提供背压的同时可以保证多执行油缸复合动作的完成;3号模块等效于旁油路节流阀口1,其主要作用在于建立工作压力,推动执行油缸运动.3.2.1不同节流阀口的压力特性分析在仿真研究中,一般采用斜坡和阶跃信号当作控制信号,用于分析阀芯上不同节流阀口对动作油缸的性能影响.图7为两类控制信号曲线,实线表明阀芯在短时间内完全打开,即为阶跃信号.虚线表明阀芯在一定时间内逐渐打开,即斜坡信号.应用批处理功能得到仿真曲线如图8~11所示.图8和9分别为不同节流阀口在斜坡控制信号下,假设负载为16kN时,油缸大腔压力和活塞杆位移曲线.分析可知,斜坡信号控制阀芯运动时,在相同负载作用下,L形、半圆槽形、梯形以及U形节流阀口都在0.2s内快速建立起工作所需压力,推动液压油缸活塞杆动作.其中L形节流阀口建压速度最快,动态响应时间最短,但同时其压力超调量亦最大.而三角槽形节流阀口需要较长时间建立工作压力,使得系统响应较慢,相比而言,其超调量最小,具有较好的稳定性.受工作压力以及流量大小的影响,L形节流阀口对应油缸执行速度较快,而三角槽形对应油缸动作则较为缓慢.图10和11分别为不同节流阀口在阶跃控制信号下,假设负载为16kN时,液压油缸大腔压力曲线以及活塞杆位移曲线.分析可知,阶跃信号控制阀芯运动时,各类节流阀口对应的油缸活塞杆位移基本相同,即此时节流阀口类型对执行元件的响应速度影响不大.但分析压力曲线不难发现,各阀口在油缸建压初始阶段,压力超调量都很高,其中L形节流阀口对应的压力峰值最大,并且其稳态响应时间也较长.在达到稳态工作压力前,L形、梯形以及U形节流阀口压力波动较大,对工作油缸以及系统管路等都会造成一定影响,而此时三角槽形节流阀口在动态响应方面,性能较好,稳定时间较短,对系统影响较小.在实际工作中,工作油缸所承受的负载变化较大,不同的节流阀口对系统整体的工作性能也不相同.根据前文分析,三角槽和L形节流阀口代表了不同阀口对系统响应的极限情况,两者囊括了其余阀口的响应特性,故选择作为特征阀口开展分析.假设负载为16、8和1kN时,分析油缸的响应情况.图12为L形与三角槽形节流阀口在不同工作负载下,油缸大腔的工作压力曲线.综合分析曲线,在斜坡控制信号下,不同大小负载对油缸的稳定压力建立有一定影响,负载越大,油缸工作响应时间越长.L形节流阀口响应较快,在16kN的重载下,能在0.04s内建立油缸大腔所需压力,说明该类阀口适用于快速建压的系统工况;而三角槽形节流阀口则需要近0.4s响应时间,但其压力波动小,适合对系统稳定性要求较高工况.3.2.3节流阀口流量控制特性节流阀口外形尺寸的改变,使得过流面积也产生相应变化,通常过流面积会随着阀口尺寸增大而变大,而此时节流阀口两端压差以及通过的流量也将发生变化,进而影响液压油缸响应特性.这里以L形节流阀口作为特征阀口,改变其深度h值———等效于改变长度L和宽度b值,分析油缸相应情况,如图13所示.改变L形节流阀口的h值,使其取值为3.0、2.8、2.5和2.0mm,得到图13响应曲线.分析流量变化曲线可知,控制流量随着节流阀口深度的增加而呈比例增加;分析压力曲线,L形节流阀口深度的增加,使得动态响应时间变短,但稳定时间和超调都有所增大.故在满足动态响应指标的前提下,适当加大阀口外形尺寸可以提升系统性能.4不同节流阀口的仿真结果本文通过对几种典型节流阀口的特性分析,得到以下结论:(1)通过对典型节流阀口等效处理,计算得到各个阀口过流面积通式,适用于同一类阀口不同外形尺寸的快速计算.并构建了节流阀口AMESim仿真模型,获得不同节流阀口外形尺寸相同时的过流面积与阀芯位移之间的关系曲线,分析明确了各类节流阀口在