导阀参数对先导式减压阀动态特性影响的分析

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力的控制阀。从流体力学的角度来讲，减压阀是-个局部阻力可以变化 的节流元件，即通过改变节流面积 ，使流速及流体的动能改变 ，造成不同的压力损失 ，从而达到减压的 目的。然后依靠控制与调节 系统的调节，使阀后压力的波动与弹簧力相平衡，使阀后压力在-定的误差范围内保持恒定 。根据调节规律，减压阀分为定值减压阀，定差减压阀和定比减压阀，而定值减压阀则又可以分为直动式减压阀和先导式减压阀两种类型l1 。

先导式定值减压阀具备远程导阀控制特点，并广泛用于高层建筑、城市给水管网水压过高的区域、矿井等领域 ，以保证给水系统 中各用水点获得适 当的服务水压和流量。在其应用过程 中，单独调节先导阀的弹簧预紧力也可以得到想要的输出压力 ，控制便捷 ，但是会 出现压力输出不稳定、响应较慢的问题。目前 ，针对此问题 ，国内外重点研究了主阀参数对先导式减压阀性能的影响 ，在减压阀设计时，通过调节主阀参数改善了先导阀带来的不足之处。为了平衡先导阀的优势和不足，提高先导式减压阀的动态品质，提出-种新思路，运用仿真软件 AMESim，重点研究 了导 阀参数对减压阀动态特性 的影响。

1 先导式定值减压阀的结构及工作原理1.1 先导式定值减压阀的结构先导式减压阀由先导阀(锥芯式直动溢流 阀)和直动减压阀(主阀)两部分组成，结构简图和图形符号分别如图 1和图 2所示。相比直动式减压阀，先导式K1-阀盖；2-锥阀座 ：3·锥 阀；4-调压螺钥；5-调j盘手轮 ；6.调压弹簧；7.主阀弹簧：8.主阀；9.阻尼孔； 10-阀体图 1 先导式减压 阀的结构简图减压阀的远程控制 121有个重要功能，即通过油管接到另-个远程调压阀(远程调压阀的结构和减压阀的先导控制部分-样)，调节远程调压阀的弹簧力，即可调节减压阀主阀芯上端的液压力，从而对减压阀的出口压力实行远程调压 ，但远程调压阀所能调节的最高压力不得超过减压阀本身导阀的调整压力。

收稿 日期 ：2013-04-12基金项目：山西省高等学衅技资助项目(20120020)作者简介：李晓杰(1979-)，男，山西朔州人，博士，主要从事液压传动与控制、流体动力学方面研究，(Te1)18734135586(E-mia1)670600455###qq.corn第 5期 李晓杰 ，等：导阀参数对先导式减压阀动态特性影响的分析 595： 山图 2 先导式减压阀的图形符号1.2 先导式减压阀的工作原理如图 1所示，先导式定值减压阀的工作原理为：来 自主 回路 的压力 油液 P -const，P 从 P 口进入 ，经过唱的减压 阀口压力 降为 P。并从 P 口流出，同时压力 P：作用于主阀芯底部，经阻尼孔 a压力降为P。并作用于主阀和先导阀阀芯上。当先导阀前腔液压 P。A -(nd P。)/4小于或等于先导阀预压弹簧力 是 。 时，先导阀关闭，这时，P。-P ≈P ，主阀芯位于阀腔底部，减压阀口处最大开度状态，不起减压作用；当P。A >愚 。 时先导阀开启，先导阀回液单独 回油箱 ，由于阻尼孑L a的作用 ，先导阀泄漏量 △Q使主阀芯上下腔产生压力差 Ap-P -P。，当主阀芯上液压力 (P。-P。)A大于主阀芯弹簧预压 kx。时，主阀芯开启，减压 阀 口开度减小 ，起减压作用并保持 P↑于恒定。当出口压力大于调定值时 ，阀 口开度将减小 ，使 阀口阻力增 大，出 口压力下降；当出口压力小于调定值时，阀口开度将增大，使阀口阻力减小，出口压力便上升。这样，减压阀利用阀口开度 自动变化使出 口压力保持基本稳定 。

根据 以上分析，可得到减压 阀处于减压时的导阀和主阀芯平衡方程如下 ：f A P3- k (zo。 .7C )， zo 》 z ；IA(p2-P3)- k(zoz - R)， 0》 -zR。

(1)式中：A 为先导口面积，A -7c 。/4，d 为先导阀腔口直径 ；P。为先导口压力 ，P。> ；k。为先导阀弹簧刚度； 。 为先导阀弹簧预压缩量； 为先导阀阀口开度；A 为主阀芯面积，A- 。/4，d为主阀芯直径 ；k为主阀弹簧刚度 ；-z。为主阀弹簧预压缩量 ；z为主阀口最大开度 ； 为主阀芯最 大开度(主阀芯位移 z- -Lz )；Pz为减压 阀出 口压力 ，P。< z<户1，Pl- const。

厶P2-P3÷( oz -32R)≈n 丁kxoc - const. (2) A 由式(2)可知 ，当主阀刚度较小时 P。波动较小 ，从而提高阀的工作稳定性 ；改变先导阀的弹簧与压缩量 32 可调节 P 大校2 先导式减压阀AMESim仿真模型的建立在对液压系统的仿真研究时，对大多数元件而言，没有直接给出虚拟的元件模型，需要通过该软件中的 HCD液压元件设计库来 自行建立，HCD库大大地增强了模型的功能，根据先导式减压阀的结构和工作原理 ，通过 HCD库对图 1进行模型建立如图 3所示2 ]。

图3 先导式减压阀系统仿真模型3 仿真及其结果分析依据 Y43X先导式减压阀的结构参数，预先设定图 1所示先导式减压阀的参数并输入到 阀的AMESim模型 中，如 图 3所示 ，然后不改变先导式减压阀主阀的参数而逐-改变导阀参数来探究-下几个重要参数对其动态性能的影响。

3.1 导阀阀芯质量 m 的影响根据 图 4可知，先导阀阀芯质量的大小对出 口压力时间响应影响较大，当阀芯质量 rn 分别取0.10，0.12，0.14，0.16，0.18，0.20 kg时，压力时间响应曲线在 0.01～0.14 S变化较为明显 ，t-0.15 S时 l司/s1.mz0.10 kg时；2.mz0.10 kg时；3.m .10 kg时；4.mz0.10 kg时；5.mz0.10 kg时；6.m 0.10 kg时；7.m，-0.10 kg时图 4 不同阀芯质量的出口压力随时间变化 曲线时，出口压力趋于稳定，即以 2 800 kPa的压力稳定的输出；当阀芯质量取 0.10 kg时 ，出 口压力时间响应的变化最为稳定，而当先导阀阀芯质量取 0.25kg时，出口压力响应 曲线出现大幅度振荡状态 ，可见 ，阀芯质量的增加 ，加大了出口压力时间响应 的振596 太 原 理 工 大 学 学 报 第 44卷荡幅度 。

3.2 导阀内调压弹簧刚度 k的影响从 图 S中可 以看出，导阀内的弹簧刚度取不同值时 ，先导式减压阀的出口压力是不相同的，导阀内弹簧刚度越大，先导式减压阀的出口压力越高，当弹室出口丑 时 l司/s1.k100N/ram时：2.k-1 000N/ram时：3.k-2 000N/ram时：4.-20000N/ram时图 5 不同弹 簧刚度 的出口压力随时间变化曲线簧刚度 k取 20 000 N/ram 时 ，出口压力 达到 6 400kPa左右 ，出 口压力时间响应是稳定的；当弹簧刚度小于 1 000 N/ram 时，出口压力是不稳定的 ，振荡较为明显，此时的先导式减压阀也是不稳定的。

时 I司/s1.B10N/m.81时：2.B20N/m.s-I时；3.B30N/m.si时；4.B-40 N/m.s0时：5.B5 N/m.s 时图 6 不 同阻尼的 出口压力随时间变化曲线3.3 导阀阻尼的影响从 图 6中可以看 出，当先导式减压阀的输入压力-定时 ，导阀阻尼的大小不会改变先导式减压 阀的稳态输出压力，但是阻尼 B-10 N/(m ·S )或 5N/(ITI·S )时，出 口压力在 0.01～0.11 S的响应是不稳定 的，会 出现如图所示 的振荡 ，可知导阀阻尼过小(低于 10 N/(ITI·S )时，先导式减压阀的出 口压力开始阶段的响应处于不稳定状态，但是最终趋于稳定 ；对比可知 ，导阀阻尼在 20 N/(m ·s )～40N/(m·s )范围内变化时，减压阀的输出压力较为稳定 ]。

3.4 导阀内调压弹簧预紧力的影响从图 7中可以看 出，弹簧预紧力在 5～2O N范围内，改变导阀内弹簧预紧力可 以平稳的改变先导式减压阀输出的压力，当弹簧预紧力达到 25 N时，不影响先导式减压阀输 出压力的改变，但是出 口压力的输出是不稳定的。

时 I司/s1.F5.0N时：2.F15.0N时：3.F20.0N时；4.F25.0N时图 7 不同弹簧预紧力的出口压力时间响应曲线3.5 导阀阻尼孔直径的影响从图 8可以看出，阻尼孔直径在 1.0～1.3 mm范围变化时，减压 阀的压力上升时间 ，超调量几乎没有变化 ，对减压阀性能影响不明显 ；当阻尼孔直径较大时随着阻尼孔直径的增加 ，压力上升时间基本不变，超调量增加 ，但变化幅度很小 。

时间，s1.d16n'ml时；2.d13mil时；3.d12mil时4.dl1 mm时：5.d10mm时图 8 不 同阻尼孔直径的出口压力随时间变化 曲线综合以上分析 可知，当先导阀 阀芯质量 取0.10 kg，阻尼 B取 20 N/(m ·S )，阻尼孔直径取1.6 mm时，减压阀的动态输 出最为稳定 ，压力时间响应曲线如图 9所示。

图 9 出口压 力时间响应 曲线4 室内实验实验原理如图 1O所示，设备主要有：水泵，压力表，水管，3种不同导阀阻尼孔直径的先导式定值减压阀，水箱等。分别用加工好的 3种不同导阀阻尼孔直径的减压阀进行实验，主阀参数设计为：阀芯质第 5期 李晓杰，等：导阀参数对先导式减压阀动态特性影响的分析量 0.3 kg；活塞直径为 10 mm；零位移弹簧力为 200N；阻尼 孔 为 0.5 mm。导 阀阻 尼孔 直 径 分别 为 ：1.6，1.0，1.2 mm，导阀内阀芯质量 m 取 0.10 kg，阻尼 B取 2O N/(m ·s )。实 时记 录出 口处压力表的数值。

1.压力水源；2.手动截止阀；3.过滤器；4、7.流量控制阀；5、6.压力表；8.流量计；9.消声器图 10 实验 的液压 系统原理 图对实验所 获取 的数 据进行分析 、处理 和拟合 ，得到了该减压阀在实验过程 中输 出压力随时间变化的三组实际曲线 ，将其绘制在了图 11中，同时将阻尼孔直径为 1.6 mm的实验曲线绘制在 了图 12中，得到实验仿真曲线的对比。

时司/s图 11 不 同阻尼孔直径的减压 阀时间响应实验 曲线通过图 和图 12中的 曲线 可以看 出，导 阀阻尼孔直径分别为：1.6，1.0，1.2 mm的实验结果与数值仿真结果基本相符，通过仿真结果和实验结果的曲线对 比，也说明了先导式减压 阀的导阀内阀芯质量m 取 0.10 kg，阻尼 B取 2O N/(m·s )，阻尼孔直径取 1.6 mm时，减压阀的动态输出最为稳定。

时间，s图 l2 仿真结果和实验结果的对 比曲线5 结论1)本文在分析 了先导式定值减压阀的结构 和工作原理的前提下，提出了基于 AMESim/HCD模块库的先导式定值减压阀的建模与仿真的方法，通过仿真分析了先导阀的阻尼、阻尼孔直径、阀芯质量、弹簧刚度等参数对先导式定值减压阀的动态特性的影响。

2)先导阀的阀芯质量大小 、阻尼大小 、弹簧 刚度大小对先导式定值减压阀的动态特性影响较大，先导阀阀芯质量取 0.25 kg，阀阻尼在 2O～40 N/(m ·s )范围内变化 ，弹簧刚度 取 20 000 N/mm时 ，减压阀动态品质较好 ；在合适范围内，改变弹簧预紧力可以平稳的改变减压 阀输 出压力。

仿真和实验结果表明：设计先导式减压阀时，合理选择先导阀内部结构尺寸参数，可以达到优化先导式减压 阀动态品质的 目的，因此具有较强的理论意义和实际意义。