液压先导锥阀开启特性的仿真分析.pdf

第 6期 总第 1 5 1 期 2 0 0 8年 1 2月 机 械 工 程 与 自 动 化 M E CHANI C AL ENGI NEERI NG AUTOMATI ON NO．6 De c ． 文章编号 1 6 7 2 6 4 1 3 2 0 0 8 0 6 0 0 1 5 0 3 液压先导锥 阀开启特性的仿真分析 陈伦军，董炳坤，张 际，李洪涛 贵州大学 机械工程学院 ，贵州 贵阳 5 5 0 0 0 3 摘要 液压先导锥阀是液压驱动系统 的最 基本 控制部件 ， 其开启特性 的优劣直接影响系统的品质 。 在对先导锥 阀的结构及工作原理分析的基础上 ． 建立 了其等效单 自由度振动模型 ， 并借助 MAT L AB仿真出在不 同参数下 锥 阀芯开 口程度随时间的变化规律曲线。 通过对 曲线 的比较 ， 从 中得出针对不同的功能要求设计锥 阀的依据 。 关键词 先导锥 阀；开启特性；振 动；MAT L AB 中图分类号 THl 3 7 ． 5 2 文献标识码 A O 引言 在液压系统中，各类阀是使系统能满足设计使用 功能的基本液压单元 ，阀的良好性能是液压系统满足 正常工作的必要前提。锥阀 是许多阀类的重要组成 部分，多数阀类的工作最小单元就是锥阀，而开启特 性是所有阀类的重要指标 。由于阀的工作状况决定了 阀的加工精度要求较高 ，各个零件之间的加工尺寸的 累积误差使得阀的特性显得极为敏感 ，不利于阀特性 的控制 ，只有合理运用和设计锥阀的芯部 ，才可以使 阀的特性达到使用要求 ，并能降低加工成本和获得较 好 的通 配性 。 锥阀的开启程度L 2 ] 不仅与油液压力、流量有关 ， 也和锥阀芯的外形有关，它主要的表现是开启程度与 压力的变化相关 。 当我们把锥阀作为先导控制单元时， 希望开启范围 当阀开启时压力到压力达到最大值 越 小越好 ，此类锥阀常采用高刚度弹性支撑和小角度锥 面设计，较小的开度意味着过阀流量的极小变化 ，这 样使得压力波动对过先导锥阀的次级压力和流量产生 较小的影响，从而使先导阀对受控单元进行稳定的预 先控 制 ，避免 了阀 自振 和受 控单元 的摆 动 。 本文在对锥阀的结构及工作原理分析的基础上 ， 建 立 了 其 等 效 单 自 由 度 振 动 模 型，并 借 助 MATL AB [ 4 ． s ] 强大的仿真功能，得出在不同参数下锥 阀芯开 口程度随时间的变化曲线，针对不同的功能要 求，确定合理的弹簧刚度 、锥阀阀芯角度和合适的阻 尼系数。 1 锥 阀的结构 锥阀的结构见图 1 。 2 液压锥阀的等效振动模型 在振动问题 中，整个液压装置或某个液压组件均 可等效成具有一定质量、弹性和阻尼的振动系统 ，通 常简化为单 自由度简谐激振力作用下的强迫振动系 统 ， 锥阀的单 自由度振动模型见图 2 。 该振动系统的运 动微分方程为 z2 z z F ／ m 。 式中主 ，主， 分别为系统加速度、速度、位移； ， 7 2 系统质 量 ； F 自振的作用力； 1 阻尼比． 一 c ／ ／ 是 ， 其中c 为 阻尼系数 ， 为弹簧刚度 ； 无 阻尼 固有 频率 ，O n 一 ／ 矗 ／ 。 1 一阀芯；2 -- 阀体 ；3 --调压弹簧 ；4 m 调压 手轮 图 1 锥 阀结构 图 系统的特征方程为 2 ， 一0。 当阻尼比 一0 零阻尼 时 收稿 日期 2 0 0 8 一 O 4 0 2 ；修回 日期 2 0 0 8 0 6 2 O 作者简介 陈伦军 1 9 5 1 一 ． 男 ， 四川成都人 ， 教授 ． 博士生导师， 主要研究方 向为机 电液传动与控制。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 6 机 械 工 程 与 自 动 化 2 0 0 8年第 6期 r ￡ ’ 。 当阻尼 比 一1 临界阻尼 时 r 一 o 当阻尼比 1 过阻尼 时 r 一一 c u ／ 。 一1 。 当阻尼 比为 O S ，使 得高压油液作用在阀芯锥面上的作用力 F 对振动阻 尼系统而言就是外部干扰力 就不同， 而引起振动阻尼 系统振动的主要原因就是该外部干扰力 F。设计锥阀 的目标便是让该干扰力尽可能地避开所设计锥阀的系 统 自振属性，即便是该干扰力接近该系统 的自振频率 范围也是不允许的。在图 4中可以很容易看出高压油 液通过锥阀 口时的压力分布态势 ，孔 口尖边处垂直到 锥阀面上的距离最小，在该最小垂直距离上 ，高压油 液沿垂直于此锥面法 向挤压而出，所有压力矢量方向 均垂直该压力分布的法向线集 中面 ，可以简单地认为 是高压与低压的 “ 压力分割线” ， 压力在此分割线之前 是高压区。在分割线之后是低压区， 。 、S 面积是高 压射流对具有不同阀芯锥角的锥 阀的有效压力作用面 积，从图 3中可以看出阀芯锥角越大，高压油液有效 作用面积就越大。在图 4的 I 区的高压油液对锥阀芯 的作用力主要集中在有效面积 5之内，当高压油越过 高压分布法向锥面后 ， 油液压力就会由 P 。 降低至低压 P ， P 因相对于P 。 显得很小， 其对锥阀芯产生的干扰 力可以忽略不计 。 4 锥 阀特性 的仿真 分析 、 在不同弹簧刚度、阻尼系数和高压油液情况下对 锥阀芯的作用力进行分析时，借助 MA TI AB强大的 数据处理及绘 图功能来绘制其在不同参数下的曲线 ， 主要的表现特性就是通过锥阀的油液流量，对于先导 控制而言 ，通过锥阀芯的油液流量往往非常小 ，它所 承受 的工作压力 P 。 却很高， 因此可忽略经过阀芯压力 分割线的低压压力 P 。 对锥阀芯作用力的影响。 图 3 不同锥 角阀芯的受力比较 图 4 锥阀芯表面压力分 布图 4 ． 1 锥 阀在不同阻尼系数条件下的特性分析 图 5为不同阻尼系数下锥阀的特性 曲线 。图 5的 纵坐标 1 e n g t h 为锥阀芯开 口程度 ，即锥阀孔 口到阀 芯 锥 面的垂 直距离 。图 5中 k 一3 ，f 一2 ，F一3 0时 的 曲线是先导控制所需要的较好情况。比较 4 组曲线可 知 ，过大的阻尼系数会使振动阻尼系统动态响应反应 迟滞，使先导控制方式无法快速地将施控单元的控制 信号传递给受控单元 ， 阻尼系数越大迟滞的时间越长。 由前面公式可知阻尼 比 ； 91 ， 即f ≥2 是 。 Z ／km 当阻尼系数 C越接近 2 ／ 矗 ， 时，曲线的动态响应时间 就越短 ， 但动态响应时间始终大于 f 一 √ ／ 志 。良好的 锥阀芯开启特性要求无振动和动态快速响应 ，提高锥 阀的阻尼系数是主要的解决方法。 对于多数先导控制， 采用了对锥阀芯增加阻尼尾碟的增阻结构 。 4 ． 2 锥 阀在 不 同弹簧 刚度 及作 用力 条件 下 的特 性分 析 在图 6中展示了弹簧刚度 、锥阀角度和阀芯位移 量之间的关系，在 0 1 即有阻尼衰减条件 时， 弹 簧刚度 的增大意味着位移量减少和动态响应快速性 即灵敏性 提高 ，同时随弹簧刚度的增大，振动的峰 值也相应减少。由图 6也可知 ，高压射流在锥面上产 生的外作用力增大则在弹簧刚度不变的情况下阀芯振 动峰值也随之增大。为了让锥 阀少振动 ，只有增加阻 尼系数和锥阀高压射流作用力，但若将锥面角度加到 足够大，使高压射流作用力足够大．过大的高压射流 作用力反而使振动加剧 ， 通过如图 6所示的 k 一3 ， 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 0 8年 第 6期 陈伦 军，等 液压先导锥阀开启特性 的仿 真分析 1 7 0 ． 5 ， F一3 0和 尼 一3 ， 一0 ． 5 ， F一5 O两种情况的比较， 可以说明这一点。 r、 厂 ＼ ＼ - V 、 ＼ 3 ， 幸1 6 ， } o ＼ k 3 ，c bl O ， B O 妊 a _4 3 0 k 3 ， 幸2 ， F 3 p 一．1 t ● l 7 O 1 O 2 Q 3 O 4 0 5 O 6 O 7 O 8O t ／ s 3 0 2 5 2 0 l 1 5 器1 0 5 0 图 5 不 同阻尼 系数下的特性 曲线 ，一 、 I 、 ＼ l ，喜 O ． 5 ， T 5 0 ／ 、 - | ／ ⋯ 1 ，{ O ． 5 。 3 0 r ● ⋯一’ f ， ‘ l，、． ． 3 ，{≯U ． 5， iF 5 0 一 ．， ～ 一 - 3 ，‘ O ． 5。 3 O 作用力变化不大，不会因作用力的变化而对振动阻尼 系统增加一个变化的振动源；在弹簧刚度一定时，对 高压油液作用力要求较小 ，锥阀芯开度也会较小，使 用小锥度角的设计正好符合这一点。选择合理的弹簧 刚度、 锥阀角度和阻尼系数c ， 避开阀自振的作用力 F， 会获得性能良好 的先导控制 。 图 7不同弹簧 刚度及作用力 下的特性 曲线 5结论 液压锥阀是液压驱动系统的最基本控制部件 ，其 性能的优劣直接影响系统的品质，因此，对锥阀的设 计显得至关重要 。本文利用 MATL AB仿真出锥阀在 不同参数下锥阀芯开口程度随时间的变化曲线。通过 对曲线的分析 ，得出针对锥阀的功能要求 ，是选择合 理的弹簧刚度、 锥阀芯角度和合适的阻尼系数的依据。 图 7为不 同作用力及 弹簧刚度条件 下的特性 曲 线 。从图 7中可看出增大弹簧刚度能显著地缩短锥阀 快速反应的时间 即提高响应速度 ，但高压油液对锥 阀的作用力则与此 响应 时间无关 ，这也 印证 了 t 公式，同时减轻锥阀芯质量也同样有效。 综上所述 ，因先导控制 阀所流过高压油液流量较 小 ，不要求锥阀开口程度大 ，阀芯未开启和开启后的 [ 2 ] 雷天觉． 新编液压工程手册[ M] ． 北京 北京理工大学出 版社 ， 2 0 0 5 ． t- 3 3 路 甬祥 ． 液压气动技术 手册 [ M] ． 北京 机械工业 出版社 ， 2 002 ． 1- 4 3 薛定 宇 ， 陈 阳泉． 基 于 MA TL AB ／ S I MUL I N K 的 系统仿 真技术与应用[ M] ． 北京 清华大学 出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 5 ] 王 正林 ， 王胜 开 ， 陈 国顺 ． MAT L AB ／ S I MUL I NK 与控制 系统仿真[ M] ． 北京 电子工业出版社， 2 0 0 6 ． S i mu l a t i o n a nd An a l y s i s o n t he Ope n i ng Cha r a c t e r o f Hy dr a u l i c Pi l o t Co n e Va l v e C HE N L u n j u n ， D O NG B i n g k u n ， Z HA N G j i ， L I H o n g - t a o Co l l e g e o f M e c h a nic a l En g i n e e r i n g， Gu i z h o u Un i v e r s i t y， Gu i y a n g 5 5 0 0 0 3， Chi n a Ab s t r a c t Th e c o n e v a l v e i s t h e mo s t b a s i c c o n t r o l u n i t i n h y d r a u l i c s y s t e ms ． I t s o p e n i n g c h a r a c t e r wi l l d i r e c t l y i n f l u e n c e t h e s y s t e m q u a l i t y ． B a s e d o n a n a l y s i s o f t h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p r i n c i p l e o f h y d r a u l i c c o n e v a l v e， t h i s p a p e r h a s e s t a b l i s h e d i t s e q u i v a l e n t v i b r a t i o n mo d e l ， a n d d r a ws t h e f i g u r e s b y M ATL AB o n t h e d i f f e r e n t p a r a me t e r s ． F r o m t h e r e s u l t s 。 a c o n c l u s i o n t h a t t h e h y d r a u l i c c o n e v a l v e s h o u l d b e d e s i g n e d i n v i e w o f t h e d i f f e r e n t f u n c t io n r e q u i r e me n t c a n b e d r a wn ． Ke y wo r d s p i l o t c o n e v a l v e ； o p e n i n g c h a r a c t e r ； v i b r a t i o n； M ATLAB m 8 6 4 2 暑＼ L { ∞ c ．【 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m