主动控制的直动式溢流阀压力特性分析

刘桓龙，季晓伟，柯 坚，吴文海

（西南交通大学 机械工程学院，四川 成都 610031）

1 引言

直动式溢流阀既可单独使用，也可作为先导式溢流阀的先导阀使用，主要采用溢流阀结构，利用弹簧直接对阀芯加载，调定其工作压力。作为一种重要的压力阀，溢流阀几乎应用在每个液压系统中。普通溢流阀阀芯系统的低阻尼特点让阀芯不容易稳定，造成溢流阀的动态压力特性较差甚至使得系统不能正常工作。因此，针对溢流阀的不稳定现象，众多学者和工程技术人员进行了大量的研究[1-4]，主要都是探讨孔道结构参数、固定阻尼、阀芯结构和油液含气量等对溢流阀其振动特性的影响，并提出一些改善振动特性的阀芯结构，未涉及到采用主动控制的方法。

借鉴主动控制的思路，提出采用主动控制提高溢流阀阀芯稳定性的方法。在溢流阀前腔增加一个活塞腔，通过主动控制活塞的往复运动，动态改变溢流阀前腔的容积大小，从而快速平衡压力波动，使溢流阀具有较强的阀芯稳定能力和一定的适应参数变化的能力。

2 溢流阀主动减振控制的工作原理

溢流阀主动减振控制技术的关键内容是在溢流阀前腔增加一套可变容积装置，包括活塞、活塞弹簧、作动器、压力传感器、控制器等。可变容积装置通过活塞的往复运动，动态改变溢流阀前腔的容积，来平衡由于外部激励以及阀芯振荡带来的压力波动，加速阀芯的平衡。主动减振溢流阀的原理结构，如图1所示。

图1中，调压螺母用于给调压弹簧施加预紧力来调定阀的额定压力。力传感器用于检测调压弹簧的预紧力，预紧力与压力阀的额定压力成线性关系，可以通过检测预紧力值得知压力阀的额定压力。油压传感器用于检测溢流阀入口的实时油液压力值。减振过程分成两个阶段。第一阶段，入口压力上升期间，压力值在控制器阈值以下时，活塞被动运动，由活塞弹簧承担一级减振；第二阶段，压力上升到控制器阈值以上时，活塞在作动器的驱动下主动运动，实现溢流阀的主动减振。控制器阈值的设定是为了避免溢流阀在压力上升期间过早触发主动减振装置，只有在入口实时压力达到阀值后才会触发主动减振装置。依据溢流阀入口压力波动范围设定阈值为额定压力的0.85倍。

控制器采集力传感器的数据与油压传感器的数据，并将力传感器采集到的调压弹簧预紧力值转化为压力阀工作的额定压力，作为参考压力。入口压力上升到控制器阈值以上时，控制器通过入口实时压力值与参考压力值的偏差来控制作动器动作。当入口压力低于参考压力时，作动器推动活塞向左运动，通过压缩前腔容积的方式来提高入口压力；当入口压力高于参考压力时，活塞向右运动，通过增大前腔容积的方式来降低入口压力。通过改变前腔容积的方式来平衡溢流阀入口压力，此过程在削弱入口压力波动的同时，也加快了阀芯的稳定。

3 压力特性仿真分析

以小流量中压直动式溢流阀为例，利用AMESim软件初步仿真计算了其压力动态特性，分析了主要参数对其性能的影响，仿真计算模型，如图2所示。仿真计算的基本参数，如表1所示。

表1 基本参数Tab.1 Basic Parameters

利用图2的模型，设定好相关参数后，在AMESim中对阀的压力动态响应特性进行了仿真计算，为了提高仿真精度，观察详细的压力变化，仿真步长取为0.00001s。对于该结构类型的主动减振溢流阀，减小阀芯的粘性阻尼系数进行了多次计算，发现粘性系数大于1时均能稳定，表明该结构具有较强的阀芯稳定能力。在相同的参数条件下，对普通溢流阀也进行了计算，当粘性系数小于7N/（m·s-1）时，普通溢流阀无法稳定，振动很大。为方便比较分析，选择在普通溢流阀能够稳定的情况下进行对比，取阀芯的粘性系数为10N/（m·s-1）。计算主动减振溢流阀的压力响应曲线，并把普通溢流阀的曲线绘制在一起，如图3所示。由图3中可以看出，普通溢流阀由于阀芯的低阻尼特性，在初始激励下不易稳定，压力波动的幅值也较大，而主动减振溢流阀压力波动幅值小，稳定速度快。并且主动减振装置的存在不影响溢流阀的额定工作压力。由于活塞弹簧一级减振的存在，使得压力上升时间略微增加。

图3 普通锥阀与主动减振锥阀的压力响应对比Fig.3 General Cone Valve and Active Control Cone Valve Pressure Response Comparison

4 活塞结构参数对压力特性的影响

4.1 活塞直径的影响

考虑到溢流阀前腔的尺寸限制，活塞直径不能太大，针对4mm、6mm、8mm的小直径活塞进行仿真分析，得到压力动态响应曲线，如图4所示。由于压力在未上升到控制器阈值时，不触发作动器，活塞弹簧承担了一级减振。因此活塞直径越大，活塞弹簧的受力越大，压缩量增大，压力上升时间略微增加。但是，在增大活塞直径的同时，也会带来作动器产生单位位移时溢流阀前腔体积变化量的增大，能够更有效地平衡入口压力，稳定阀芯。为弥补上升时间增加的不足，在选择大的活塞直径时可以匹配较大刚度的活塞弹簧。

图4 活塞直径对压力响应的影响Fig.4 Effect of Piston Diameter on the Pressure Response

4.2 活塞弹簧的影响

活塞弹簧用于平衡作动器的受力，保证溢流阀压力稳定后作动器可以不输出力。由于在未触发作动器主动运动阶段，活塞弹簧会产生一定的压缩量，作动器被动运动。在选择活塞弹簧的刚度时，要考虑作动器的位移限制，弹簧刚度过小则会超出作动器的位移范围；刚度过大则会导致作动器主动运动阶段所需要的输出力过大，因此要选择合适的活塞弹簧刚度。针对3MPa的工作压力和6mm的活塞直径，计算得出活塞弹簧的刚度在（10～20）N/mm的范围内比较合理。对10N/mm、15/mm、20/mm的活塞弹簧刚度进行仿真分析。图5中可以看出，活塞弹簧的刚度对溢流阀入口的压力动态特性影响不大，但是要做好与活塞直径以及作动器输出力范围的合理匹配。

图5 活塞弹簧的刚度对压力响应的影响Fig.5 The Piston Spring Stiffness on the Influence of Pressure Response

5 不同工况下的适应能力分析

5.1 不同的额定工作压力

在保证溢流阀其它参数相同的情况下，分析弹簧预紧力分别为300N、1000N、2200N时的压力响应特性。普通溢流阀在中、高压下由于较强的激励与低阻尼，往往不能稳定，或稳定较慢。从图6中可以看出主动减振溢流阀在低、中、高压下都能很快稳定，且压力波动幅值小。但由于额定压力的增大会带来活塞弹簧受力的增加，因此在一级减振阶段中，由于低的活塞弹簧刚度会导致压力上升时间的增加，因此在高压场合使用时可以考虑适当增加活塞弹簧的刚度。

图6 不同工作压力下的适应能力Fig.6 The Ability to Adapt to Different Working Pressure

5.2 不同工作流量

为考察主动减振溢流阀对不同工作流量的适应能力，针对10L/min、25L/min、40L/min三种不同工作流量进行了仿真分析。

图7 不同工作流量下的适应能力Fig.7 The Ability to Adapt to Different Work Flow

溢流阀的结构参数限制了其工作的流量范围，因此只能在一定流量范围内考察其工况适应能力。如图7所示，主动减振溢流阀能够在不同工作流量下快速稳定阀芯，且压力波动小。

5.3 不同油液体积弹性模量

在该主动减振系统中，体积弹性模量直接影响油液体积压缩时的压力上升特性，因此需要考察主动减振溢流阀对不同油液体积弹性模量的适应能力。针对800MPa、1100MPa、1700MPa三种油液体积弹性模量进行分析，结果如下。普通溢流阀在油液体积弹性模量过小时很难稳定，如图8所示。主动减振溢流阀在不同体积弹性模量下都能很快稳定，表明主动减振效果对油液的体积弹性模量不敏感。

图8 不同体积弹性模量下的适应能力Fig.8 The Ability to Adapt to Different Bulk Modulus

6 结论

（1）主动减振溢流阀具有较好的压力动态稳定特性，在阀芯粘性系数较小的情况下仍可以处于稳定状态。通过计算发现，活塞直径是影响减振性能的关键参数，作动器的位移范围与输出力范围限制了活塞弹簧的刚度，要做好三者之间的匹配关系。（2）设计的主动减振溢流阀能够适用于低、中、高压，不同的工作流量以及不同的油液体积弹性模量的场合，克服普通溢流阀在不同工况下适应能力差的缺点。

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