一种用于起重机起升系统的液压平衡阀动态特性分析.pdf

液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 l 2期 一 种用于起重机起升系统的 液压平衡阀动态特性分析 高 玉侠 长春职业技术学院 工程分院， 吉林 长春1 3 0 0 3 3 摘要 平衡阀的动态特性决定 了起重机 的起升性能 ， 对其结构进行优化 ， 参 数进行 匹配是提高起重机性能的重要途径 。 该文对某型平 衡 阀结 构和原理进行 了深入研究 ， 找 出影 响其动态特性 的因素 ， 并利用 A ME S i m软件进行仿真分析 ， 在保证 系统稳定的前提下 ， 提出优 化措施 ． 并取得了一定效果 。 关键词 起重机 ； 平衡 阀； 动态特性 ； A ME S i m仿 真 中图分 类号 T H1 3 7 ． 5 2 ； T H 2 1 3 ． 7 文献标识码 A 文章 编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 1 2 0 0 7 2 ～ 0 3 Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c Ana l y s i s o f Ba l a nc e Va l ve f o r Cr a n e L i i ng Hy d r a u l i c S y s t e m G A0 YM 0 C h a n g c h u n V o c a t i o n a l I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y S c h o o l o f E n g i n e e r i n g T e c h n o l o gy ， C h a n g c h u n 1 3 0 0 3 3 ， C h i n a Ab s t r a c t V a l v e s d e t e r mi n e t h e d y n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e c r a n e l i ft i n g p e r f o r ma n c e ，i t s s t r u c t u r e o p t i mi z a t i o n ， p a r a me t e r ma t c h i n g i s a n i mp o r t a n t wa y t o i mp r o v e t h e p e rf o rm a n c e o f the c r a n e ． I n t h i s p a p e r ， a c e rt a i n t y p e o f b a l a n c e v alv e s t ruc t u r e a n d p rin c i p l e i n d e p t h r e s e a r c h t o i d e n t i f y t h e f a c t o r s tha t a f f e c t i t s d y n a mi c c h a r a c t e ris t i c s ， a n d u s i n g AMES i m s i mu l a t i o n s o f t wa r e ， t o e n s u r e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m u n d e r t h e p r e mi s e o f o p t i mi z a t i o n me a s u r e s p r o p o s e d a n d a c h i e v e d c e rt a i n r e s u l t s ． Ke y wo r d s c r a n e； b ala n c e v a l v e ； d y n a mi c c h a r a c t e ri s t i c s ； AME S i m s i mu l a t i o n O 引言 平衡 阀是起重机起升 系统中的关键部件 ．用来平 衡 负载 ， 对负载下 落工况进行控制 ， 防止其超速下 降 ， 使起升系统具有较好的微动性能。本文通过对一种应 用于起重机起升系统的平衡 阀进行研究 ．找出影响其 动态特性 的因素 ． 并利用 A ME S i m软件进行仿真分析 ． 提 出优化意见 ．为进一步提高起升系统稳定性提供一 定 的参考意见 1 平衡 阀的工作 原理 平衡阀有很 多类型 ．图 1为串联一 先导控制式结 构 ． 该平衡阀所需控制压力小 ． 并可减少压力波动对控 制活塞的影响 ． 动态性能较好[1 J 。 为了进一步研究平衡 阀的工作原理 ．从 以下两个 阶段进行分析 1 吊重上升阶段 当吊重上升时， 控制 口X不通人液压油 ． 平衡 阀在 收稿 日期 2 0 1 3 0 6 1 3 作者简介 高玉侠 1 9 7 8 一 ， 女 ， 吉林农安人 ， 工程师 ， 硕士 ， 主要从 事数控机 床与液压传动系统设计。 7 2 弹簧作用下处于关闭状态 ， 这时液压油从 A口进入 ， 推 动主阀芯 向右移动 ， 使 阀口打开 ， 然后从 B口流 出， 马 达在油液作用下起升重物。此时平衡 阀阀芯开启状态 如 图 2所示 。 X X l 一 控制活塞2 一 压缩弹簧3 一 先导 阀芯 4 一 主阀芯5 一 主 阀芯控制弹簧 图 1 平衡阀结构 图 2 吊重上升阶段 平衡 阀阀芯开启状态 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 2 吊重下落阶段 当吊重下落时． 控制油从 X 口进入 ． 作用于控制活 塞上． 控制活塞推动先导阀芯与主阀芯向右移动 ． 使平衡 阀阀口开启 此时由马达流回的液压油经过平衡阀 B口 流 向A 15。当控制油压力不断变化时， 平稳阀阀 口开度 也随之发生变化 。 由于阀口的节流作用 。 控制马达转速 。 使 吊重平稳下落 ． 防止因重力作用发生超速下滑现象 ． 避 免发生事故。此时平衡 阀阀芯开启状态如图 3所示。 x 图 3 吊 重 下 落 阶 段 平 衡 阀 阀 芯 开 眉 状 态 2 平衡阀数学模型 通过分析原理可知 ．平衡 阀对液压油的控制作用 主要在起重机负载下 降工况 ．为研究平衡 阀的动态特 性 以及各参数对液压起升系统动态特性的影响 ．在此 工况下建立数学模型[ 2 ] 。 1 主 阀芯流量连续性方程 r _ Q b C A 、 ／ 1 V P 式 中 一 通过平衡阀的流量 ； A 平衡 阀通流面积 C 。广一 流量系数 ； p A , p B 一平衡 阀A， 油 口压力。 2 主阀芯受力平衡方程 p 1 - p 2 式中A ， A厂主阀芯外部、 内部有效工作面积 ； p 主阀芯内部液压力 ； B _一 主阀芯的粘性阻尼系数 ； _一 主阀芯质量 ； 主阀芯位移 一 液压油在主阀芯上产生的液动力。 3 控制 口流量连续性方程 Q y ， 3 式中 p 控制油 口流量 ； A一控制活塞左端作用面积 y 控制活塞位移 p 控制活塞左端压力 ； 控制活塞左腔容积 4 控制活塞受力平衡方程 p 3 - p 仰 2 y 柏 d y K d y K a Y o F d 4 式 中 ， 控制活塞和先导阀芯总质量 K．厂 一弹簧刚度 ； p 控制活塞右端压力 ； A厂控制活塞右端作用面积 ； 。广 _ _粘性阻尼系数 ； 厂一作用在先导阀芯上 的液动力 ； y 厂弹簧预先压缩量。 通过对数学模型 的分析 ．能够找 出影响平衡阀动 态特性 的主要参数 ． 对其合理匹配 ． 可以改善平衡阀的 动态特性 ， 从而提高系统稳定性。 3 仿真分析 1 AME S i m 模 型 为 了进一步研究平衡 阀的动态特性 ．根据平衡 阀 结构 ．利用 A ME S i m软件 中液压元件设计库建立仿真 模型[3 4 1 。 如图 4所示。 2 仿真分析 在负载下落工况 ， 当控制 口X通入液压油后 ． 先导 2 阀芯在控制活塞的作用下 ， 带动主阀芯运动 ， 平衡 阀开 启 ． 选取适 当参数进行仿真分析 ， 平衡阀控制压力与 阀 口通流面积之 间关系如图 5所示 从 图 5中可 以看出 ． 由于弹簧的作用 ． 平衡阀开始 处于关闭状态 。 当控制压力达到 0 ． 1 8 MP a 即开启压力 1 一 控制端 阻尼孔2 一 控制活塞3 一 先 导阀4 一 主 阀 图 4 平衡阀仿真模型 下转第 7 7页 7 3 Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s S e a l s ／ No ． 1 2 ． 2 0 1 3 上接第 7 3页 时 。 平衡 阀才开启 ， 进人工作状态。当控制压力不断增 大时． 随着 阀口开度 的增加 ． 通流面积也 随之增加 。当 控制压力达到 0 ． 4 6 MP a 时 ． 阀 口达到最 大开度 ． 通流面 积达到最大 为研究平衡 阀的动态特性对 系统稳定性 的影 响 ． 在负载下落工况对系统的压力进行仿真分析 ．如图 6 所 示 2 8 2 4 2 O 1 2 8 4 控制压力／ ] ／I P a 图 5平衡 阀动态特性 曲线 0 2 4 6 8 1 O 1 2 l 4 1 6 时间／ s 图 6 负载下落时 系统压力 从 图中可以看 出． 在负载下落工况 ， 系统压力有很 大波动 ， 最大波动幅度可达到 4 MP a ， 对起重机稳定性 影响很大 3 优化措施 为了解决平衡 阀对系统稳定性的影 响，对平衡 阀 结构进行优化 ， 减小平衡阀控制 口阻尼孔 直径圈， 然后 再进行仿真分析 。 得到优化后 的系统压力曲线 ， 如图 7 所 示 图 7优 化 后 系 统 压 力 曲线 优化后 ． 系统压力波动明显减弱 ． 说明平衡 阀控制 口阻尼孔直径对系统稳定性有很大影响 ．即减小阻尼 孔直径 ， 可以提高系统稳定性。但是 ， 阻尼孔直径也不 能随意减小 ． 直径过小会增加压力损失 ． 并使起升效率 降低 。因此应该在保证系统工作正常的情况下 。 采用最 佳孔径 ． 提高系统稳定性 。 4结 论 本文通过对平衡阀动态特性的分析 ． 找出其结构中 对系统稳定性产生影响的因素 ． 在不改变系统工作安全 的情况下 ， 通过仿真的方法对控制 口阻尼孔直径进行优 化改进 ． 仿 真结果表明。 平衡 阀控制 E l 阻尼孔直径大小 对系统稳定性会产生直接影响 。 减小直径大小 ． 可以提 高系统稳定性 ， 优化方法可行 。 有一定实用意义 。 参考 文 献 [ 1 ] 潘权， 颜 荣庆， 李 自光． 新 型液压平衡 阀动态特性研究 [ J ] ． 长沙 交通学院学报，2 0 0 3 ， 1 9 3 1 9 ～ 2 3 ． 『 2 ] 姚平 喜， 张恒 ， 等． 负载敏感平衡 阀动态特 性仿真及 参数优化 研究 [ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 1 ， 4 2 9 3 3 ． 『 3 ] 李坤 ， 贾跃虎 ， 刘天勋 ． 基 于 A ME S i m 的螺 纹插装式 平衡 阀动 态特性仿真研究[ J 】 ． 液压气动与密封， 2 0 1 2 ， 3 4 1 - 4 3 ． 『 4 ] 付永领， 祁晓野． A ME S i m系统建模和仿真一 从入门到精通 『 M1 ． 北 京 北京航空航天大学出版社，2 0 0 6 ． [ 5 ] 吴卫 峰． 液压 系统液压脉动研 究[ J ] ． 浙江工业大学学 报， 2 0 0 5 ， f 6 6 9 6 7 0 1 ．