电液换向阀的启动动态特性分析★

2021-07-28李优

机械管理开发 2021年6期

李优

（山西工程职业学院，山西太原 030009）

方向控制阀作为液压控制系统的重要组成元件，在系统工作介质的控制过程中起到关键作用，主要通过阀芯与阀体的多种配合方式改变油路，控制执行元件实现不同功能。随着现代设备对液压系统的可靠性和灵敏度提出越来越高的要求，换向阀的工作性能在系统的稳定性、动态响应、冲击振动等方面均有较大影响，因此有必要分析换向阀的动态特性。

1 电液换向阀的工作原理

如图1所示的二位三通插装式电液换向阀结构原理图，换向阀主阀的主要结构包括进回油阀套以及一、二级阀芯和复位弹簧，先导阀由一对小型球阀控制动作，主阀由一对顺序启动的阀芯控制[1]。电磁铁通电后控制先导阀导通，高压工作介质先后流过先导阀和控制口K到达主阀的控制容腔作用于主阀芯左侧锥面[2]，在工作介质压力作用下克服密封圈阻尼和流体压力将一级阀芯推开，阀芯与阀座左侧锥面配合，阀口T关闭；随着主阀控制容腔的压力不断升高，当作用力超过复位弹簧的预紧力和阀芯右侧工作介质作用力之和时二级阀芯导通，二级阀芯的开口度受回油阀套轴向锥面限制，高压工作介质由阀口P进入阀口A，电液换向阀开启[3]。电液换向阀的液压系统工作压力为31.5 MPa，主阀公称流量Q=1 000 L/min。

图1 电液换向阀结构原理图

由一、二级阀芯的开启过程可以发现，一级阀芯工作面积相对于二级阀芯面积较小，阀芯动作需要的外力更小，对进回油口的压力更加敏感，动态响应特性较好，但也容易引起阀芯受力不平衡而产生阀芯振动；阀体与一、二级阀芯均采用间隙配合被嵌套在一条轴线内，两级阀芯顺序动作液压冲击小且结构紧凑，缺点是制造和装配工艺要求高，阀芯工作时容易受径向不平衡力、液动力和装配精度等因素影响而偏心卡死；控制口在阀芯动作过程中起到阻尼孔的作用，孔的直径对流体的流速和压力损失有较大影响，尤其是二级阀芯导通需要较大的流量和压力，因此有必要分析阻尼孔对主阀动态特性的影响。

2 电液换向阀的仿真模型

AMEsim是一个多学科领域复杂系统建模仿真平台，在液压领域的应用尤为广泛。因此，使用该软件搭建电液换向阀的仿真模型（见下页图2），并根据仿真结果从阀芯的位移、流体流速和压力变化等方面分析换向阀的动态性能[4]。以典型的液压缸伸出过程为模拟对象，研究换向阀的工作特性。由于研究的主要对象为电液换向阀主阀，所以对系统中的其他液压元件使用仿真平台设计好的标准元件，主要涉及的元件有单向阀、溢流阀、液压缸、负载和液压泵。使用力学信号源代替电磁铁的动力输入，使用球形元件模拟球阀，可限制行程的质量块模拟先导阀芯的质量和开口度；使用固定腔活塞、球形阀口和可限制行程的质量块模拟主阀芯1，用于模拟主阀的一级阀芯；使用带弹簧活塞、球形阀口（带锐边阀座）、锥阀阀芯、可限制行程的质量块和活塞模拟主阀芯2，用于模拟主阀的二级阀芯，确保先导阀的关键参数都能在仿真模型中予以模拟。根据国标规定和电液换向阀的结构参数设置仿真模型的参数，设定仿真总时长为0.5 s，模拟计算步长为0.005 s，设置好参数后开始仿真。

图2 电液换向阀工作系统AMESim模型

3 仿真结果分析

图3是一、二级阀芯的位移图，由图可知一级阀芯的开启时间约为0.015 s，二级阀芯的导通时间约为0.14 s，二级阀芯的导通时间滞后约0.065 s。换向阀主阀的工作原理是，一、二级阀芯顺序导通，主要由阀芯的结构和流体压力决定，一级阀芯开启后阀芯位移不断增大至9 mm后停止，动作持续时间约0.03 s，此时阀口T关闭，二级阀芯导通后经过0.09 s完全打开，此时阀芯的口开度为8 mm，进回油口P－A导通，二级阀芯开启速度比一级阀芯开启速度慢，主要是进由于回油口导通后阀芯背压增大、复位弹簧弹力增大以及密封圈非线性阻尼变化。

图3一、二级阀芯的位移图

图4 为换向阀阀口流量，0.14 s时阀口流量开始增加，说明二级阀芯开始导通，0.2 s时阀口流量趋于稳定，稳定流量约为1 020 L/min，而此时二级阀芯的开口度约4 mm，说明阀口流量在二级阀芯打开至约50.0%时不再变化。图5为阀口流量峰值部分放大图，由图可知阀口峰值流量约1 290 L/min，阀口流量超调量约26.5%，峰值流量较阀的设计流量超出较多，且阀芯导通过程中伴随较为明显的振动现象，在0.18 s时振动得到有效缓解，此时阀芯开口度约2.8 mm，由此可知阀芯振动的主要原因是在开口度较低（低于35.0%）时阀口压力与控制腔压力波动造成阀芯受力突变引起的，控制腔容积突然增大时流体由于阻尼口的限制作用而不能及时得到补充，造成腔内流体压力降低，二级阀芯受到的推力减弱，控制腔流体、阀芯与进回液口流体互相耦合而引发振动。

图4 换向阀阀口流量图

图5阀口流量峰值部分放大图

图6 为换向阀主阀的出口压力图，阀口压力在0.148 s时激增至27.1 MPa（271 bar），此时阀芯的位移约0.5 mm（开口度占全行程约6.25%），随后阀芯产生振动现象，经历0.035 s后阀芯的位移约2.7 mm，阀口压力稳定在25.0 MPa（250 bar）附近，此后阀口压力、流量均不再变化，换向阀稳定导通。阀口压力超调量约为8.4%，较高的压力冲击容易使阀芯和阀座受到损伤，同时频繁的振动容易加速缩短密封圈的使用寿命。

图6 主阀出口压力图

分析发现：阀口开度在0.5~2.8 mm（占全行程约6.25%~35.0%）时阀芯产生冲击和振动，主要原因是阀口压力与控制腔压力波动；进回油P-A口流量在阀芯位移为4 mm（占全行程约50.0%）后就不再变化，说明阀口流量与阀芯开口度存在阶段性关系，需要后期通过试验予以验证。

4 控制口直径的影响

换向阀控制孔的尺寸会影响油液进入控制腔的流量和压力分布，最终在与阀芯、阀口流体压力的耦合过程中产生不同的动态特性，对控制孔直径分别为0.6 mm、1.0 mm、1.2 mm进行分析，改变控制孔的直径参数后进行仿真，并把三种情况下的同种仿真结果合并到同一张图上对比分析。

图7为不同控制孔直径下的阀芯位移图，由图可知，控制孔直径越小二级阀芯的开启时间越长，且阀芯的动作速度也会明显减慢，阀芯完成开启的时间也进一步延长。不同控制孔直径下的阀芯速度分布可由图8进一步得出，控制口直径约1 mm时阀芯速度在0.09 m/s附近波动，控制口直径为0.6 mm时阀芯速度在0.05 m/s附近波动，三种情况下阀芯均出现振动现象，控制口直径越小阀芯振动幅度越小，且越容易趋于稳定，说明较小的控制口直径容易保持阀芯启动过程稳定，但也会牺牲阀芯的开启时间。