基于A MESim的定差减压阀建模与仿真

2013-10-22李文飞赵玉贝曹春花

机械工程与自动化 2013年5期

张力，李文飞，赵玉贝，曹春花

（中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院，北京 100083）

0 引言

定差减压阀一般是指进、出口压力差保持定值的减压阀，通过定差减压阀可改变节流阀口的补偿调节作用，使节流孔两端压差和通过流量基本保持恒定。定差减压阀主要用在节流调速系统中，当负载力或油源压力变化时，由于定差减压阀的补偿作用，使节流阀两端压差和流量基本保持不变，从而得到很高的调速刚性。

笔者根据定差减压阀的结构原理，运用仿真软件A MESim对其进行建模，依据国外标准产品的参数来设置模型的各项参数并进行仿真，根据仿真结果来验证所建模型的正确性，从而为阀的结构参数和控制器参数的优化设计提供了条件。

1 定差减压阀的工作原理

定差减压阀的结构如图1所示，该阀由主阀和先导阀两部分组成。当控制口K处压力为零时，减压阀不工作，阀芯处于常开状态。当控制口K处的压力减小时，主阀芯上移，阀口流量减小，压降增大，出口压力就降低。当控制口K处的压力增大时，推动主阀芯下降，阀口流量增大，压降就降低，减压阀出口压力就增加。由此可见，定差减压阀的出口压力随控制口处的压力增大而增大，减小而减小。

当定差减压阀正常工作时，作用在主阀芯上的力是平衡的。设A为主阀芯上、下端的面积，F s为弹簧力，F g为阀芯重力，F bs为阀芯上的稳态液动力，F f为摩擦力，p1为主阀芯下端的压力，p2为主阀芯上端的压力，则主阀芯上的力平衡方程为：

设K s为主阀芯的弹簧刚度，x c为阀芯的开口量x R＝0时的弹簧预压缩量，则阀芯开口量为x R时的弹簧力可表示为：

将式（2）代入式（1）并略去阀芯摩擦力、自重和稳态液动力，得：

图1 定差减压阀的结构

由于弹簧的变形量（即阀芯的开口量）x R相对于弹簧的预压缩量x c可以忽略不计，所以公式（3）可简化为：

由公式（4）可以看出，主阀芯上、下两端的压力是由弹簧刚度、预压缩量及主阀芯端面面积等结构参数决定的，所以一旦阀设计完成后，则主阀芯上、下两端的压差即为定值。由于流过整个阀的出油口与油控口的流量与流过阀芯上、下两端的流量相等，由流量公式可知，阀的出油口与油控口的压差为主阀芯上、下压差的倍数关系，而主阀芯上、下两端压差为恒值，所以阀的出油口与油控口的压差也为恒值，即实现了压差恒值控制。

2 定差减压阀的AMESim建模仿真及结果分析

2.1 模型的建立

定差减压阀主要由主阀和先导阀两部分组成，主阀采用的阀芯结构是滑阀式的，先导阀采用的阀芯结构是锥阀式的。由于本文中设计的新型定差减压阀，在A MESim中的Hydraulic元件库中没有结构相同的元件，因此运用Hydraulic Component Design库的基本元件搭建新的定差减压阀的结构图，如图2所示。

图2 定差减压阀的仿真模型

2.2 仿真参数的设置

搭建好减压阀的模型，设置好子模型后，需要在AMESim环境参数设置中为各部分元件和子模型设置参数：主阀芯直径为Φ14 mm；缸体的腔长为10 mm；减压阀出口阻尼孔直径为Φ0.5 mm；控制口阻尼孔直径为Φ1.8 mm；主阀芯阻尼孔直径为Φ1 mm；主弹簧与先导阀之间的阻尼孔直径为Φ0.5 mm；阀的最大开口量为4 mm；主阀弹簧的刚度为10.7 N／mm，初始位移的弹簧力为154 N；先导阀的弹簧刚度为10.7 N／mm，初始弹簧力为100 N；减压阀的供油压力为28 MPa；其余参数为默认值。仿真时间为15 s，通信间隔0.001 s。

2.3 仿真分析

（1）给定差减压阀的控制口一个变阶跃信号，前5 s加一个3 MPa的信号，中间5 s加一个5 MPa的信号，最后5 s加一个7 MPa的信号，如图3所示。变阶跃负载时定差减压阀的出口压力曲线如图4所示，减压阀的控制口压力信号与出口压力信号的叠加如图5所示，减压阀的压差曲线如图6所示。由图5和图6可知：减压阀的出口压力与控制口压力之差为5.5 MPa，压差减压阀的出口压力跟随控制口压力信号的变化而变化，响应速度比较快，实现了压差恒值控制。

图3 定差减压阀的油控口压力源变阶跃信号

（2）给定差减压阀的控制口在0 s～15 s内加一个8 MPa的信号，如图7所示。定差减压阀的出口压力曲线图如图8所示，减压阀的控制口压力信号与出口压力信号的叠加如图9所示，图10为恒定阶跃外负载下的压差。由图9、图10可知：减压阀的出口压力与控制口压力之差为5.5 MPa 由此可见，定差减压阀的出口压力跟随控制口压力信号的变化而变化，响应速度比较快，实现了压差恒值控制。