带有限压保护作用的减压阀建模与仿真分析

2015-04-16,,,,,，

液压与气动 2015年1期

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(1.广东工业大学机电工程学院，广东广州　510006； 2.佛山市恒力泰机械有限公司，广东佛山　528031)

引言

减压阀是一种利用液流流过缝隙产生压降的原理，使出口油压低于进口油压的压力控制阀。带限压保护作用的减压阀在阀体上有一个泄油通道，当工作回路中压力瞬间升高时，液压油可以通过该通道流回油箱，防止减压阀内部以及整个回路的压力升高。某公司的YP3500型陶瓷砖压机的顶出机构上就使用了DR-6DP1型带限压保护作用的减压阀，起到了很好的保护效果。

本研究利用AMESim提供的HCD库构建这种带限压保护作用减压阀的仿真模型，并搭建实验回路。通过仿真结果与实验数据对比来验证仿真模型的正确性，对其限压保护作用进行仿真。

1　带有限压保护作用减压阀的工作原理

DR-6DP1型减压阀结构如图1所示，输出压力作为阀的驱动压力经过通道6进入阀芯右腔，作用在阀芯的右端面，使阀芯开口有关闭的趋势。弹簧力作用在阀芯的左端面上，使阀芯有打开的趋势。当这两个力达到平衡时，阀便处于稳定的工作状态。

图1　减压阀结构图

与普通减压阀不同的是，该减压阀有一个泄油口T(Y)。当外界负载突然增大时，减压阀出口A的压力瞬间升高。这时高压油液经过通道6作用在阀芯右端面上的力大于弹簧力，推动阀芯向左运动。当阀芯运动到一定距离时，阀芯8右侧开口打开，使出口A与油箱接通。这时出口压力降低，阀芯开始向右移动，保护开口减小。当开口减小到零时，A口的高压油推动阀芯向左运动，如此往复达到动态平衡。当外界负载恢复正常时，弹簧推动阀芯向右运动，A口压力降低到弹簧调定的压力，然后保持平衡，减压阀正常工作。

2　仿真模型

根据减压阀的工作原理，应用AMESim 的HCD 库构造该带有限压保护作用的减压阀模型如图2中框线内部分所示。

图2　减压阀的仿真模型

该模型中，考虑到液体的压缩性，用容积源9和16来分别模拟减压阀的进、出油口的容积，容积源17来模拟减压阀弹簧腔的容积；用弹簧模块8模拟弹簧和弹簧腔；用质量块7来模拟减压阀阀芯以及杆的质量；用模块5来模拟减压阀阀芯，在阀芯两侧便形成了进油口P和出油口A。

模块4是一个辅助阀芯，用来实现该减压阀的保护功能，该阀芯零位移时的开口量为0。减压阀正常工作时该阀口紧闭，不影响减压阀的正常工作。当外界负载增加时，减压阀出口压力随之升高，这样出口油液会推动阀芯向左移动压缩弹簧，当弹簧压缩到一定程度时，阀芯4打开，减压阀出口处的高压油直接接回油箱，防止出口压力的持续升高，达到了保护减压阀的目的；由于减压阀工作时会有一定的泄漏量，所以用HCD库中的泄漏模块2来模拟弹簧腔与阀芯之间的泄漏；用单向阀13来模拟图1中的单向阀5。

该模型考虑了液体的压缩性、泄漏等一系列因素，和实际的减压阀结构很接近。为了能够准确地验证该模型的合理性，以某公司的直动式DR-6DP1-53210Y减压阀作为参考来设置仿真模型参数，具体参数如表1所示。

表1　仿真系统参数

3　仿真分析

应用表1中参数进行仿真，得到了减压阀的出口压力p出与回路流量Q随时间变化曲线如图3所示，阀口开口量l随时间变化曲线如图4所示。

图3　减压阀出口压力和流量曲线

图4　阀开口量曲线

由图3可知，起始时刻减压阀出口压力为205 bar，主阀芯的开口量由初始时的0.9 mm瞬间减小到0 mm附近。随着节流阀13开口量的增加，通过阀芯的流量随之增大，则阀芯开口量也随之增加，次级压力逐渐降低。

由减压阀的基本原理可知，减压阀的压力流量特性与减压阀弹簧的刚度有关。图5为某公司给出的该型号减压阀的5条压力流量曲线，这5条曲线是5种弹簧刚度不同的减压阀的压力流量曲线，这5种阀出口最高调定压力分别为25 bar、75 bar、150 bar、210 bar、315 bar。改变仿真模型中的弹簧刚度和弹簧预压缩力如表2所示，我们得到如图6所示的5条压力流量曲线。

分别对这两组曲线进行分析，得到理论曲线的斜率K1、仿真曲线的斜率K2数值大小如表3所示。该曲线斜率反映的是随着流量的增加，出口压力的减小速度。可知，两条曲线最大误差为3.2%，仿真模型中减压阀出口压力随流量增加而减小的速度与给定的理论曲线是非常接近的。

表2　5种减压阀模型弹簧的参数

图6　5条仿真压力流量曲线

表3　两组曲线斜率对比表

为了进一步验证所建立模型的准确性，在实验室对DR6DP1-53210Y型号减压阀进行性能测试。该减压阀的出口调定压力最高为210 bar，其压力流量特性如图5和图6中曲线所示。实验回路如图7所示，该实验将减压阀与伺服阀串接在回路中，计算机发出的数字信号，经过数模转换后，作用在伺服阀上来控制其开口大小，实现回路中流量大小的控制。同时通过流量传感器检测回路中流量的大小，压力传感器2检测减压阀出口的压力。然后用LabVIEW软件编写采集程序，用数据采集卡把压力和流量信号采集到电脑中。

图7　实验回路连接图

由减压阀的基本原理可知，改变减压阀弹簧的预压缩力，可以调节减压阀出口压力的大小。通过调节弹簧的预压缩力，分别将减压阀的出口压力调到50 bar、 70 bar进行实验，所测得的数据通过MATLAB软件处理后，得到减压阀的实际压力流量图像如图8所示。由图像可知，随着流量的增加，减压阀出口压力虽然有所波动，但是整体趋势在降低，通过曲线拟合后得到如图9所示直线，两条直线的斜率分别为：K70=0.247、K50=0.238。