分流集流阀的动态特性分析

张毅敏

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北 宜昌 443003）

引言

液压同步系统中常用的一种同步元件是分流集流阀，它能自动分配进入两个或多个液压执行元件中的油液流量，使他们保持位置同步或按一定比例关系运动。本文通过对阀进行数学建模，采用AMESim仿真软件对分流集流阀进行了仿真分析，从而分析集流阀主要动态性能及结构参数。

1 集流阀简介

分流集流阀又称同步阀，它具有集流阀和分流阀的功能，能确保执行元件如液压缸和马达进油、回油时同步运行。挂钩式分流集流阀的结构原理图如图1所示。

2 分流集流阀的数学模型

集流阀原理图如图2所示。由于分流集流阀节流口的长度和直径之比小于0.5，可以按照薄壁孔来分析，将分流集流阀简化为如图2所示的原理简化图（K是弹簧刚度）。根据节流口流量方程、流量连续性方程以及阀芯动力学方程建立分流集流阀的数学模型如下：

1）固定节流口的流量方程。

图1 挂钩式分流集流阀

图2 集流阀原理图

式中：Q1、Q2为流经左右固定节流口的流量；Cd为节流口的流量系数；A1、A2为左右固定节流口的节流面积；Ps为分流集流阀的入口压力；P1、P2为左右腔的压力；ρ为油液密度。

2）可变节流口的流量方程。

式中：QA、QB为流经左右可变节流口的流量；D为阀芯直径；PA、PB为分流集流阀左右出口的压力。

3）分流集流阀流量连续性方程。

式中：Vs、V1和V2分别为分流集流阀入口容积和阀左右腔容积；βe为兄综合弹性模量；x为阀芯移动位移，A0为阀芯等效受力面积。

4）分流集流阀阀芯动力方程。

3 分流集流阀AMESim建模仿真

3.1 AMESim仿真软件简介

AMESim软件为多学科领域复杂系统建模仿真平台，是由法国IMAGINE公司的一款系统仿真软件。特别适于液压系统的建模仿真优化。尤其是AMESIM软件提供的HCD（液压软件设计）模块，更为多种多样液压元件的建模提供了方便。

3.2 分流集流阀建模

由于分流集流阀的分流工况与集流工况仅是油液出口与入口方向相反，故本文仅以分流工况为例进行建模仿真分析。依据工作原理，采用AMESim的HCD建立阀的模型如图3所示。

3.3 仿真分析

3.3.1 模型同步精度

阀的同步精度、负载压差的技术参数如表1所示。

还没完。那边林白轩也有账跟这小姑娘算：“你由为师一百张画里，认出加入的吴太师父的真迹，也就罢了，女孩儿学画画、弹琴本来就有天分，可是为什么袁安与李离也一认一个准呢？我刚才晚饭时百思不得其解，与你雨鸾师父参详了半天，也没想明白！”

表1 分流集流阀负载压差与同步精度的技术要求参数

图3 分流集流阀AMEsim模型

通过设置A和B口的压差依次为30MPa、20MPa、6.3MPa、1MPa。

4种压差工况下A与B口的流量差曲线如图4所示。

图4 A口与B口的流量差（QA－QB）曲线

×100%可得该阀模型在不同压差下的同步精度如表2所示。

表2 分流集流阀模型在不同压差下的同步精度

由表1和表2可知，AMESim阀模型的同步精度满足要求，模型建立正确。

但是，在分流集流阀的响应时间内，A、B口的流量差有较大的脉冲，现对脉冲值与负载压差的关系再进一步分析。

3.3.2 分流节流阀结构参数对其同步精度的影响

采用上述模型，设定压差为30MPa，分别以阀芯直径、对中弹簧刚度、弹簧座直径、固定节流口直径以及可变节流口直径等参数为研究对象在AMESim进行仿真，从而得出参数与AMESIM同步精度的物理关系。

不同阀芯直径对应的A口与B口流量差曲线如图5所示。

图5 不同阀芯直径对应的A口与B口流量差曲线

图5中对应的4条曲线的阀芯直径分别为35mm、40mm、45mm、50mm，从5图中可以看出随着阀芯直径的增大，A口与B口的流量差变小，从而使同步精度值变小，使阀的同步性能提高。

2）弹簧刚度与分流节流阀同步精度的关系

不同对中弹簧刚度对应的A口与B口流量差曲线如图6所示。

图6 不同对中弹簧刚度对应的A口与B口流量差曲线

图6中对应的4条曲线的对中弹簧刚度分别为5N／mm、10N／mm、15N／mm、20N／mm，从图中可以看出随着对中弹簧刚度的增大，A口与B口的流量差变大，从而使同步精度值变大，使阀的同步性能降低。

3）弹簧座直径与分流节流阀同步精度的关系

不同弹簧座直径对应的A口与B口流量差曲线如图7。

图7 不同弹簧座直径对应的A口与B口流量差曲线

图7中对应的4条曲线的弹簧座直径分别为20mm、25mm、30mm、35mm，从图中可以看出随着弹簧座直径的增大，A口与B口的流量差变大，从而使同步精度值变大，使阀的同步性能降低。

4）节流口开度与分流节流阀同步精度的关系

不同可变节流口预设开度对应的A口与B口流量差曲线如图8所示。

图8 不同可变节流口预设开度对应的A口与B口流量差曲线

图8中5条曲线对应的可变节流口预设开度径分别为1mm、2mm、2.5mm、3mm、4mm，可见随着可变节流口预设开度的增大，使得流量差增大和同步精度值变大，从而降低了阀的同步性。

5）节流口直径对分流集流阀同步精度的影响

不同固定节流口直径对应的A口与B口流量差曲线如下页图9所示。

图9中5条曲线对应的固定节流口直径分别为4.5mm、4.7mm、5mm、5.3mm、5.5mm，可见随着固定节流口直径的增大，使得流量差增大以及同步精度值变大，从而降低了阀的同步性。

图9 不同固定节流口直径对应的A口与B口流量差曲线

4 结论

本文利用AMESim建立阀的模型并对其仿真分析可得：

1）阀芯直径、对中弹簧的刚度、弹簧座直径、可变节流口预设开度、固定节流口直径等结构参数都会影响分流集流阀的同步精度。

2）减小弹簧座直径、固定节流口直径、可变节流口预设开度、对中弹簧的刚度有利于降低同步精度值，提高阀的同步性能。

3）增加阀芯直径使阀的受力面积增大有利于降低同步精度值，提高阀的同步性能。

［1］ 张利平.液压阀原理、使用与维护［M］.北京：化学工业出版社，2009.

［2］ 付永领，祁晓野.LMS Imagine.Lab AMESim 系统建模和仿真参考手册［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2010.

［3］ 吕其惠，由相波.液压同步阀结构的改进设计［J］.机械设计与制造，2007（6）：8－10.

［4］ 金胜秋，成凯，王鹏宇.基于AMESim的液压同步阀仿真分析及结构改进研究［J］.液压与气动，2009（9）：64－68.

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