调速阀外控恒压结构优化设计及仿真分析

2022-08-06徐化文李忠利

液压与气动 2022年7期

陶柳，徐化文，李忠利

(四川省冲压发动机先进制造技术工程实验室，四川德阳 618000)

引言

液压传动系统中，调速阀是控制流量的主要元件，其原理是将节流口前、后压力油分别引到定差式减压阀阀芯的两端，通过压差产生的液压推力和弹簧的弹力相平衡。当节流口的出口压力随负载变化时，定差式减压阀阀芯受力平衡被打破，阀芯移动，通过定差式减压阀阀芯移动来改变减压阀口开口度的大小进行压力补偿，使定差式减压阀阀芯移动到一个新的平衡位置稳定工作，保证节流口前、后压差基本不变，进而保证通过阀的流量恒定[1-3]。

但是定差式减压阀阀芯上的弹簧的弹力并不是固定不变，其弹力与弹簧的压缩量有关，而弹簧的压缩量会随定差式减压阀阀芯的位置变化而变化，进而使节流口前后压力发生改变，最终影响通过阀的流量及执行元件因素的稳定性。因此，在速度控制精度要求特别高的场合，现有调速阀无法满足其要求[4-7]。

鉴于此，设计了一种外控恒压调速阀，对阀的动态特性进行了分析，并利用AMESim仿真软件建立了仿真模型，对比分析了两种阀控液压回路流量稳定性，仿真结果表明，外控恒压调速阀对系统流量稳定性的提升有显著作用。

1 外控恒压调速阀结构及回路工作原理

外控恒压调速阀结构及回路原理如图1所示，结合以下工作过程中3种工作情况，具体分析了其工作原理。

1.液压泵 2.溢流阀 3.外控恒压调速阀 4.液压缸 5.调节旋钮 6.节流阀芯 7.节流阀弹簧 8.控制活塞 9.阻尼口 10.减压阀芯图1 外控恒压调速阀结构及回路原理图Fig.1 Structure and circuit diagram of external control constant pressure speed control valve

(1) 负载不变。节流口开口度h2一定，负载恒定不变时，调速阀出油口压力p3不变，调速阀的进油口压力p1为溢流阀调定值，减压阀稳定工作后，p2也稳定不变，故根据阀芯的受力平衡方程得p2-p3=(p1×S1)/S。式中，S1为控制活塞作用面积，S为减压阀芯有效作用面积。由于此时节流口开口度h2不变，节流口前、后压差恒定不变，故流过节流口的流量不变，保证了液压缸速度稳定不变。

(2) 负载增加。负载增大，导致p3压力升高，减压阀阀口开口度h1增大，减压作用减弱，p2增加，当p2增加到满足p2-p3=(p1×S1)/S时，减压阀阀芯9在一个新的位置达到受力平衡，重新稳定工作，保证了节流口前、后压差恒定不变，此时若节流口的开口度h2不变，则流过节流口的流量不变，保证了液压缸速度在负载增大时仍然稳定不变。

(3) 负载降低。负载减小，导致p3压力降低，减压阀阀芯9向开口减小的方向移动，其减压作用增强，导致p2降低，当p2降低到满足p2-p3=(p1×S1)/S时，减压阀阀芯9在一个新的位置达到受力平衡，保证了节流口前、后压差恒定不变，此时若节流口的开口度h2不变，则流过节流口的流量不变，保证了液压缸速度在负载减小时仍然稳定不变。

2 外控恒压调速阀控制回路数学模型分析

外控恒压调速阀调速回路如图1所示，通过减压阀阀口的流量方程为[8-10]：

(1)

通过节流阀阀口的流量方程为：

(2)

式中，Q1——通过减压阀阀口的流量

Q2——通过节流阀阀口的流量

C1——减压阀阀口的流量系数

C2——节流阀阀口的流量系数

W1——减压阀阀口的面积梯度

W2——节流阀阀口的面积梯度

m——减压阀阀口的初始开口量

n——节流阀阀口的设定开口量

ρ——油液的密度

p1——调速阀的进口压力

p2——节流阀的入口压力

p3——调速阀的出口压力

忽略阀芯与阀体之间的摩擦力，则减压阀阀芯的力平衡方程为：

p1×S1=S(p2-p3)+Fs

(3)

Fs=2C1CvW1m(p1-p2)cosθ

(4)

式中，S——减压阀阀芯的有效作用面积

Fs——稳态液动力

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Cv——流速系数

θ——液流流入减压阀阀口的入流角

S1——控制活塞的有效作用面积

根据流量连续性方程：

Q1=Q2

(5)

对于图中所示执行元件而言，活塞的受力平衡方程为：

p3A=p4B+Fx

(6)

液压缸活塞的运动速度为：

(7)

式中，A——液压缸大腔的作用面积

B——液压缸小腔的作用面积

p4——液压缸小腔回油压力

由上述回路特性方程可知，工作过程中，调速阀节流口压差只与进油口压力相关，保持恒定不变，不受传统调速阀补偿弹簧压缩量的影响，进而提高了系统中速度控制精度。

3 AMESim仿真研究

3.1 模型建立

根据外控恒压调速阀结构及回路工作原理[11-14]，利用AMESim软件搭建元件及回路仿真模型如图2、图3所示。

图3 外控恒压调速阀及回路AMESim仿真模型Fig.3 AMESim simulation model of external control constant pressure speed control valve and loop

3.2 参数设置

根据外控恒压调速阀结构及工作原理，设定AMESim各主要模块的参数如表1所示，其他参数保持默认。

表1 参数设置Tab.1 Parameter settings

3.3 仿真分析

1) 模型正确性及精确性验证

设定回路负载变化曲线如图4所示，可变负载在0～10 s内输入信号由0 N线性增加到6000 N，仿真时间为10 s，仿真步长为0.01 s，进行仿真。仿真得到两种调速阀回路节流阀口压差及流量曲线如图5、图6所示。

图4 液压缸负载输入变化曲线Fig.4 Input change curve of hydraulic cylinder load

图5为传统调速阀回路节流阀口压差及流量变化曲线图。由图可知，随着负载的变化，两种调速阀回路节流口补偿压差基本保持1.50 MPa；两种调速阀节流口流量保持24.5 L/min。节流阀口补偿压差和流量与实际工况一致。

图5 传统调速阀回路节流阀口压差及流量变化曲线Fig.5 Pressure difference and flow change curve of throttle valve port in traditional speed control valve circuit

压力补偿压差计算公式为：

(8)

并将表1中主阀弹簧预紧力的大小117 N、主阀阀芯直径10 mm代入式(14)，计算得出减压阀出口稳定压力为1.51 MPa，与仿真结果基本一致，证明了所建立模型的正确性和精确性。

2) 性能优化提升验证

由图5可知，节流阀口前后压差随着外负载的增加，由开始的1.50 MPa降低到1.32 MPa；节流口的流量由开始的24.5 L/min降低到23.0 L/min。

图6为外控恒压调速阀回路节流阀口压差及流量曲线，由图可知，节流阀口前后压差随着外负载的增加，保持1.50 MPa恒定不变；节流口的流量随着外负载的增加保持24.5 L/min恒定不变。

图6 外控恒压调速阀回路节流阀口压差及流量曲线Fig.6 Pressure difference and flow curve of throttle port of external control constant pressure speed control valve circuit

传统调速阀利用压力补偿作用来保持其节流口前后的压差不受负载变化的影响，进而稳定流量，然而其压差并非绝对的恒定值，受到阀开口大小即补偿弹簧压缩量的影响，通过对比两种调速阀动态回路仿真模型中调速阀工作之后其节流口前后压差及通过的流量随线性变化负载的变化情况证明了外控恒压调速阀对系统流量稳定性的提升作用显著。

3) 关键结构参数优化分析

外控恒压调速阀中保持外控压力恒定关键结构为控制活塞前端阻尼孔，阻尼口直径设置过大，将影响外控压力的稳定性；阻尼口直径设置过小，能量损耗增加。因此利用AMESim后处理功能，设定控制活塞前端阻尼孔直径为0.5，1.0，1.5，2.0 mm对控制活塞前端阻尼孔直径优化分析，研究其对阀流量特性的影响。仿真得到不同控制活塞前端阻尼孔直径下，调速阀节流阀口流量曲线如图7所示。

图7 不同阻尼孔直径下调速阀节流阀口流量变化曲线Fig.7 Change curve of throttle port of speed regulating valve under different diameter of damping hole

从仿真结果可知：随着控制活塞前端阻尼孔直径的增加，节流阀出口的流量保持24.5 L/min恒定不变；随着控制活塞前端阻尼孔直径的增加，节流阀口流量超调量逐渐增加，响应时间逐渐减小：控制活塞前端阻尼孔直径由0.5 mm增加到2.5 mm时，流量峰值由34.6 L/min增加至39.6 L/min，达到稳定流量响应时间由0.3 s降低到0.02 s；控制活塞前端阻尼孔直径由2.0 mm增加到2.5 mm时，达到流量稳定的时间基本不变，流量峰值由38.5 L/min增加至39.6 L/min。