基于AMESim的调速阀泄漏问题研究

2023-08-08孟利民

黑龙江工业学院学报(综合版) 2023年6期

周琪,孟利民,2

(1.安徽理工大学机械工程学院,安徽淮南 232001;2.流体动力与机电系统国家重点实验室,浙江杭州 310000)

工程机械是完成工程作业的重要基础,由于工程作业对机械设备性能要求较高,使得绝大多数工程机械的液压传动系统构造都较为复杂。液压传动系统以传递动力和运动为主要功能,其工作依赖各液压元件相互配合,将压力油输送至执行元件并输出满足特定性能要求的载荷[1]。在液压传动系统中,调速阀是控制流量的主要元件,在稳定执行元件速度和阻尼孔压差方面有着十分重要的地位。由于液压传动的这种液体介质工作运行的特点,使得其一旦出现系统故障都较为隐蔽,难以被及时发现,这就导致了液压传动故障对工程作业实施产生较大影响[2]。

泄漏是液压传动系统中无法避免的故障问题之一。从工作介质状态上看,泄漏可分为外漏和内漏,外漏是指工作介质从系统内部泄漏到外部环境中。内漏是指由于高、低压侧压力差的存在以及零件磨损、密封失效等原因,使工作介质在系统内部由高压侧流向低压侧。外漏常因为管道或其他元件破裂引起工作介质流出,这种情况下易于被发现并检修。而内漏通常在液压元件生产之初就已经存在,元件以及密封件的表面粗糙度、形位精度、尺寸精度等都会影响初始泄漏状态,而内漏本身也会随着液压系统的工作而产生变化,例如活塞与活塞腔长期工作磨损,介质温度改变而产生的微小形变等都会引起泄漏状态发生改变。泄漏本身是一种非常严重的液压系统故障,常见的会造成环境污染资源浪费,对于液压系统本身,泄漏会引起工作压力不足,甚至造成停机[3-4]。

鉴于此,本文针对调速阀进行不同泄漏状态下的工作特性分析,总结流量压力特性,分析得到内漏影响调速回路工作的原因,并提出改良对策。

1 调速阀的结构及工作原理

传统调速阀结构及工作回路如图1所示,调速阀由节流阀和定差减压阀串联而成,调速阀的进口压力经溢流阀调定,基本保持为P1。当负载一定时,节流阀开度保持不变,压力油进入调速阀后经减压阀减压后降为P2,调速阀的出口压力P3也同负载一样保持不变。当回路稳定工作时,忽略阀芯自重,摩擦力和液动力,P2压力油经垂直阻尼孔进入阀芯非弹簧腔,P3压力油经水平阻尼孔流入阀芯弹簧腔,由此可以得到其阀芯平衡方程如式(1)所示。

1.液压泵 2.调速阀体 3.定差减压阀活塞 4.定差减压阀弹簧 5.溢流 6.调节旋钮 7.节流阀阀芯 8.节流阀递升 9.液太坏缸图1 调速阀结构及工作原理图

p2S=p3S+KΔx+Fs

(1)

式(1)中:S——定差减压阀弹簧腔面积[5-7]

K——定差减压阀弹簧刚度

Δx——定差减压阀弹簧形变量

Fs——稳态液动力[8]

2 调速阀泄漏的流动特性方程

基于调速阀的工作原理可知,阀体由定差减压阀与节流阀组合而成,其内部达到压力平衡的过程依靠阀芯在阀腔内运动。如图2所示。阀芯与阀腔之间存在缝隙,随着压力油的进入,环形缝隙的进出口产生如图2所示压差,形成的压力油流程称为缝隙流,由于阀体本身大小限制,忽略科特流即周向的剪切流动。基于此,得到环形缝隙流流量特性方程[9-10]。

图2 缝隙流产生原理图

2.1 同心环形缝隙流

当阀体与阀芯间配合安装仅受到加工精度影响时(一般在阀体竖直放置时存在),阀芯与阀腔的轴线重合,缝隙横截面形状为同心圆环,该状态下系统工作产生的泄漏量如式(2)所示。

(2)

其缝隙实际宽度δ与缝隙进出口端的压降Δp如式(3)、式(4)所示。

(3)

Δp=p1-p2

(4)

式(2)-式(4)中:

q——缝隙流流量

d——阀腔直径

d0——阀芯直径

μ——压力油运动粘度

L——阀腔与阀芯的轴向接触长度

p1——缝隙进口压力

p2——缝隙出口压力

2.2 偏心环形缝隙流

当阀体工作时其摆放位置非竖直状态下,阀芯受到重力影响会向下偏移,阀芯与阀腔的轴线不重合,缝隙横截面形状为偏心圆环,该状态下系统工作产生的泄漏量如式(5)所示,偏心率计算公式如式(6)所示。

(5)

(6)

式(6)中:

ε——偏心率

e——偏心距

2.3 最大偏心环形缝隙流

当阀体尺寸较大时,阀芯受重力影响较大,偏心尺寸加剧,小缝隙侧相对于大缝隙侧几乎可以忽略不计时,缝隙横截面近似为内切圆环,该状态下系统工作产生的泄漏量如式(7)所示。

(7)

通常情况下鉴于零件的加工精度,各元件表面不存在完全光滑,故最大偏心环形缝隙流的情况几乎不会出现。缝隙流的运动主要依靠粘性力,质量力忽略不计[11],因而上述公式的使用需要阀腔直径远大于缝隙宽度,本文远大于取两个数量级,即100倍。缝隙流为造成内漏的主要原因,其存在会对回路内部的理论流量进行分流,当缝隙流过大时,实际流量不足,会影响负载的工作状态。

3 调速回路AMESim泄漏模拟仿真

3.1 模型建立

根据调速阀结构及调速回路工作状况,利用AMESim软件HCD库等建立液压回路仿真模型如图3所示[12-15]。

图3 调速阀及回路AMESim无泄漏仿真模型

3.2 初始参数设置

根据理论分析的条件设定,忽略元件内部摩擦,油液温度变化引起的粘度变化。在恒定负载工作条件下,设定AMESim主要仿真模块参数如表1所示,其余参数保持默认。

表1 HCD模块参数设置

其中,基于AMESim软件,引入节流阀开度这一概念,它指在回路某一工作状态下,节流阀阀芯未覆盖的阻尼孔过流面积与实际过流面积的比值。开度为常数参数,间接用于反映节流阀芯与阻尼孔在腔体内的相对位置。

3.3 模型准确性及可行性分析

经多次对比仿真,调速回路在工作2s时间内均能达到稳态,鉴于此,设定回路工作时间为10s,确保终态时回路工况稳定,为获得更为精确的仿真曲线,取仿真步长为0.001s。带入表1中参数,理论压强值如式(8)所示。

(8)

式(8)中:D——液压缸无杆腔直径

F——恒定外载荷

A——液压缸无杆腔直径

回路工作时液压缸进油口压力仿真变化如图4所示,稳态压强为2.0373MPa。

图4 液压缸进口压力变化曲线

基于调速阀工作原理,当系统达到稳态时负载不变即工作压力不变。如图4所示,系统稳态时工作压强未有明显波动,结合上述验证,其计算值与仿真值基本一致,证明仿真模型可行。

3.4 调速回路泄漏仿真

基于调速回路无泄漏模型,借助AMESim软件泄漏模块建立泄漏模型,根据环形缝隙流公式使用要求,泄漏模块参数设置如表2所示。基于表中数据,建立调速回路泄漏模型,如图5所示。

表2 泄漏模块参数设置

图5 调速阀及回路AMESim泄漏仿真模型

3.4.1 变负载状态流量特性分析

元件磨损是长期工作形成的结果,在此期间回路可能针对不同负载进行工作,针对同一缝隙参数不同负载情况进行仿真模拟。

设定对照负载分别为1000N,1500N,2000N。无泄漏状态下,回路达到稳态时的工作流量如图6所示。

图6 不同负载无泄漏状态下回路流量变化曲线

当阀内存在泄漏时,回路达到稳态的流量及环形缝隙流变化情况如图7、图8所示。

图7 不同负载内漏状态下回路流量变化曲线

图8 不同负载情况下缝隙流量变化曲线

由图7和图8可知,对比无泄漏和泄漏状态下的回路流量变化曲线,可以发现在恒定压力5MPa的工作条件下,回路稳态流量随着负载的增大而降低,同时缝隙流量随负载的增加而增加,因此当系统出现内漏时稳态流量有了小幅度下降。计算可得,缝隙流与内漏态回路流量之和与理论仿真流量基本吻合。

鉴于此得到如下结论,当系统出现内漏时,回路稳态流量降低,泄漏量随负载的改变正向变化。

3.4.2 恒定负载不同缝隙流量特性分析

基上述结论,为深入分析缝隙尺寸对内漏的影响及泄漏量对执行元件的工作影响,对缝隙尺寸进行更改并重复上述仿真。取恒定负载为1500N。

考虑实际工作中,阀芯与阀腔间相对位移一般不发生变化,随着系统工作时间增加,腔体内磨损加剧使配合缝隙变大,因此改变缝隙宽度,其余参数如表1、表2所示,并进行模拟仿真。不同缝隙宽度下回路稳态流量变化及执行元件速度变化曲线如图9和图10所示。

图9 不同泄漏状态下回路流量变化曲线

图10 不同堵塞状态下执行元件速度变化曲线

由图9和图10可知,不同缝隙状态下的流量与速度曲线在初始0.2s时间内有所不同,其原因在于当液压缸无杆腔油液充满时活塞才会开始运动,随后直至稳态,二者曲线完全一致。从图像趋势上看,在缝隙宽度为0.05mm和0.075mm时二者的变化趋势趋于一致,当缝隙宽度增加到0.1mm时,图像变化基本丧失波动性。

3.5 系统介质流态分析

针对上述图像变化趋势,为更加准确的了解不同泄漏情况下的工作状态,对回路雷诺数进行计算。由于不同介质对于液压传动系统的影响不同,粘度大元件磨损加剧,粘度小系统泄漏严重,国际上要求压力油的粘度指数在95以上即可满足常规液压系统使用。选取回路中介质为L—HM68号压力油,液压系统的最优工作温度为40±2℃[16],取工作温度为40℃,此温度下压力油的密度ρ为870kg/m3,动力粘度μ为0.542pa·s,粘度指数为100,当系统没有内漏时,执行元件速度为0.0585m/s,达到稳态工作时的雷诺数如式(8)所示。

(8)

当系统出现泄漏时,将不同泄漏程度下的三组数据带入公式(8)中,计算得到各状态下的雷诺数,如表3所示。