基于AMESim与ADAMS联合仿真的高压大流量安全阀弹簧设计

李家宁，赵继云，畅军亮

（中国矿业大学 机电工程学院，徐州 221116）

0 引言

我国煤炭资源储量丰富，随着开采需求的增加，高压大流量安全阀开始应用在液压支架中，作为液压支架中最精密关键的基础部件，直接影响人身安全和整个液压支架的可靠性。遇到高压大流量冲击工况时，安全阀阀芯随弹簧振动，呈现出复杂的振荡状态，而在常规设计计算过程中，单纯的依靠力学平衡方程来选择弹簧，很难准确地模拟分析弹簧在该冲击工况下的振动情况，文中将以计算得到的弹簧刚度值为初始值，进而利用AMESim与ADAMS两款软件联合仿真，通过不断改变弹簧刚度值，对得到的结果进行分析对比，从而得出理想值。打破了以往只利用AMESim进行安全阀仿真的局面，实现了安全阀仿真的方法创新，为后续的安全阀设计提供了一定的参考。

1 安全阀动力学建模及接口文件创建

1.1 构建ADAMS仿真模型

在安全阀工作过程中，阀体、阀套主要起到连接作用，不参与阀的内部流体工作，所以文中将参与工作的阀芯、弹簧座及弹簧进行建模仿真，构建的仿真模型如图1所示。

仿真工作开始前需要定义好各个部件的材料属性。为减小仿真与实际情况的偏差，调压堵4与ground固定连接，阀芯1、弹簧座2需要分别与调压堵4建立滑动副约束，此外，由于实际过程中，阀芯与弹簧座有碰撞，且开启时不分离，因此在模型中阀芯1与弹簧座2还需建立接触力约束以及固定约束[1]。

图1 安全阀ADAMS模型

1.2 创建联合仿真接口文件

AMESim与ADAMS进行联合仿真时需要进行数据的交换，需要定义一些状态变量作为两个软件间的交换变量。本文中，需要在ADAMS定义两个输出变量sudu、weiyi作为输出到AMESim的安全阀阀芯的速度与位移，一个输入变量faxinli作为ADAMS中阀芯受到的液压力。

输入输出变量定义完成后，通过Control模块完成接口文件的创建。

2 联合仿真模型

本文在以往仿真的基础上进行了一定的创新，运用ADAMS和AMESim进行联合仿真，将安全阀分为两部分[2,3]。一部分是位于ADAMS中的主要构件，如阀芯、弹簧座及弹簧等，另一部分是位于AMESim中的安全阀内部细化结构，包括安全阀阀芯的卸油口、乳化液泵站以及回油线路[4]。联合仿真模型如图2所示。

3 仿真结果与分析

仿真环境具体设置如下：压力400bar，弹簧预压力为2010N。AMESim的阀芯模型中，累计共设有两排卸油孔，每排孔数量为8个[5,6]，卸油孔形状为跑道形，圆弧半径为3mm，矩形尺寸为3mm×3mm。联合仿真主要过程在于通过修正安全阀的弹性元件，来获取最佳的响应时间和最小的振荡幅度。

初选的弹簧刚度由计算而来，为350kN/m，为方便选取，同时防止弹簧刚度有效值溢出，以[300,400]为弹簧刚度参数区间，以10kN/m递增，进行类比仿真分析。通过多次类比仿真，得到弹簧刚度k取值为390kN/m及400kN/m时效果较好，阀芯速度仿真如图3所示。

图2 安全阀联合仿真模型

图3 阀芯速度仿真结果

由图3可以看出，两者在阀芯位移大小、速度大小等整体趋势上没有大的区别，阀芯趋于稳定时间在0.05s～0.06s之间，为进一步确定合适的弹簧刚度，故将仿真时间调整为0.06s，细化仿真图形曲线，进一步对图形结果进行比较。如图4、图5所示。

4 结束语

1）在k=390kN/m与k=400kN/m安全阀的响应时间基本相同，由两者的稳定时间可知，前者在t=0.050s时阀芯位移已经稳定没有波动，后者在t=0.050s过后仍有波动。

图4 细化位移结果

图5 细化速度结果

2）由速度图可知，k=390kN/m时，阀芯开启后期，速度振荡较小，且在t=0.060s时阀芯已经较为稳定，反之，k=400kN/m时，阀芯的速度振荡要比前者大，且在t=0.060s时速度仍有小幅度波动。

3）弹簧刚度k取390kN/m合适。

本文利用联合仿真，通过建立高压大流量安全阀的质量弹簧系统并模拟其运动，在多次优化的基础上，确定了安全阀弹簧刚度，该刚度下的质量弹簧系统具有响应快、振荡幅度小、稳定时间短的优点。且本文首次将AMESim与ADAMS两者的联合仿真应用于安全阀的仿真设计中，为安全阀的优化设计提供了新的思路。

[1] Wilde J R,Heydinger G J,Guenther D A. ADAMS Simulation of Ride and Handling Performance of the Kinetic™ Suspension System[R].SAE Technical Paper,2006.

[2] Brezina T, Hadas Z,Vetiska J.Using of Co-simulation ADAMSSIMULINK for development of mechatronic systems[C]//MECHATRONIKA,2011 14th International Symposium.IEEE,2011:59-64.

[3] 李晓豁,何洋,林其岳,基于Proe/Adams的纵轴式掘进机虚拟样机建模[J].现代矿业,2009,488(12):38-40.

[4] 何锐华.基于ADAMS和AMESim的浮杯式轴向柱塞泵联合仿真研究[D].吉林大学,2013.

[5] 郑丽伟,贾春强,尚心志,等.液压支架换向阀阀芯密封座结构优化[J].煤矿机械,2010,(9):129-131.

[6] 陈晓强,彭天好,徐二宝,张九琴.基于AMESim和ADAMS的采煤机调高系统的联合仿真[J].煤矿机械,2012,(11):40-42.