基于AMESim 对换向阀动态性能进行分析

上海海事大学 王建康

引言

就目前来说，市场上有很多种换向阀，结构也多种多样，但结构大多相对复杂。传统的油液换向阀多为滑阀型、锥阀型和转阀型。滑阀和转阀所受的不平衡力很小，所需的操作力也较小，但是阀芯和阀孔之间需要保证相对运动的间隙，泄露往往较大[1]。为了能够设计出结构相对简单，性能又比较稳定且能够满足客户需求的换向阀，现通过AMESim软件对锥阀进行模拟分析并对其进行优化。

1 液压阀的结构

液压阀（如图1）主要由三部分组成：电磁部分、阀体和阀芯部分。阀芯属于锥阀结构，而锥阀结构密封性好、动作灵敏，但单个锥阀只能实现二位二通机能，并且由于锥阀的液压轴向力不能平衡，因此需要较大的操作力[2]。

图1 液压阀结构图

2 液压阀的工作原理

该阀是二位二通处于常闭状态的换向阀，由电磁部分、阀体和阀芯三部分组成，它所实现的功能就是简单地开启和闭合。工作原理：在线圈不通电、无电磁吸力时，锥阀5在复位弹簧1的作用力下压在最底端（常态位），进油口P处于关闭状态。若电源接通，线圈3通电产生一个向上的电磁吸力将动铁芯吸起，锥阀5在轴向液动力的推动下到达上工作位，此时油口P与A相通。

3 用AMESim软件对其进行建模

AMESim作为多学科领域复杂系统高级建模和仿真的主流平台，主要应用于液压、机械系统的建模、仿真及动力学分析。它用直观的图标符号代表系统的各个元件，涉及到很多领域的基础库，主要有机械、液压、液压元件设计库、电磁等元件[3]。

用AMESim软件对液压阀的搭建步骤如下：根据液压阀的结构特点以及工作原理，在草绘模式下从HCD中选取合适的模块进行搭建模型，组成如图2所示的模型。

图2 用HCD 搭建的液压阀模型

4 用AMESim软件对其进行仿真

4.1 参数设置

搭建好模型之后，根据设计的液压阀数据参数对模型进行相关参数设置。

表1 液压阀主要参数

4.2 仿真

参数设置好后，进入仿真模式对其进行仿真。仿真运行时间设置为4s，步长为0.004s，其他运行参数都为默认值，得到仿真数据如下所示。

（1） 开关信号的开始时间设置为0s，0~0.1s时间段表示没有通电，0.1~1.7s表示通电状态，1.7~4s表示通电后断电状态。

图3 开关通断信号

（2）电磁线圈接直流24V电压，线圈匝数为2730，动铁芯的移动间隙为2.68mm，图4为电磁力曲线图。

图4 电磁线圈的动态响应特性（a）

图4 电磁线圈的响应时间（b）

（3）动铁芯在弹簧力和电磁力作用下的位移响应图。

图5 动铁芯的动态响应特性

（4）球阀阀芯在轴向液动力和电磁力作用下的位移特性图。

图6 球阀阀芯位移的响应特性（a）

图6 球阀完全打开所需时间（b）

（5）通过球阀阀芯的流量特性图，可以检查球阀的泄露特性。

图7 进入球阀的流量特性

（6）球阀的进口压力和出口压力特性图，可以检查流量损失特性。

图8 球阀中压力变化特性

5 对仿真结果进行分析

通过以上数据可以得到：电磁阀的响应时间为16ms；当球阀处于关闭状态时，泄露量为0；进出口的压力损失在允许范围之内。以上结果表明，本文设计的液压阀性能稳定。

[1]弓永军,周华,谢伟,杨华勇.电液纯水换向阀实验研究[J].液压与气动,2004（12）.

[2]李壮云主编.液压元件与系统[M].机械工业出版社.

[3]张宏甲.液压与气压传动[M].北京：机械功与出版社,2002.

[4]彭熙伟主编.流体传动与控制基础[M].机械工业出版社.

[5]梁全,苏齐莹主编.液压系统AMEsim计算机仿真指南[M].机械工业出版社.

[6]李永堂.液压系统建模与仿真[M].冶金出版社,2003.