, ,, 　, , ，

(1.廣東工業(yè)大學 機電工程學院， 廣東 廣州　510006； 2.佛山市恒力泰機械有限公司， 廣東 佛山　528031)

引言

減壓閥是一種利用液流流過縫隙產(chǎn)生壓降的原理，使出口油壓低于進口油壓的壓力控制閥。帶限壓保護作用的減壓閥在閥體上有一個泄油通道，當工作回路中壓力瞬間升高時，液壓油可以通過該通道流回油箱，防止減壓閥內(nèi)部以及整個回路的壓力升高。某公司的YP3500型陶瓷磚壓機的頂出機構(gòu)上就使用了DR-6DP1型帶限壓保護作用的減壓閥，起到了很好的保護效果。

本研究利用AMESim提供的HCD庫構(gòu)建這種帶限壓保護作用減壓閥的仿真模型，并搭建實驗回路。通過仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)對比來驗證仿真模型的正確性，對其限壓保護作用進行仿真。

1　帶有限壓保護作用減壓閥的工作原理

DR-6DP1型減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1所示，輸出壓力作為閥的驅(qū)動壓力經(jīng)過通道6進入閥芯右腔，作用在閥芯的右端面，使閥芯開口有關閉的趨勢。彈簧力作用在閥芯的左端面上，使閥芯有打開的趨勢。當這兩個力達到平衡時，閥便處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)。

圖1　減壓閥結(jié)構(gòu)圖

與普通減壓閥不同的是，該減壓閥有一個泄油口T(Y)。當外界負載突然增大時，減壓閥出口A的壓力瞬間升高。這時高壓油液經(jīng)過通道6作用在閥芯右端面上的力大于彈簧力，推動閥芯向左運動。當閥芯運動到一定距離時，閥芯8右側(cè)開口打開，使出口A與油箱接通。這時出口壓力降低，閥芯開始向右移動，保護開口減小。當開口減小到零時，A口的高壓油推動閥芯向左運動，如此往復達到動態(tài)平衡。當外界負載恢復正常時，彈簧推動閥芯向右運動，A口壓力降低到彈簧調(diào)定的壓力，然后保持平衡，減壓閥正常工作。

2　仿真模型

根據(jù)減壓閥的工作原理，應用AMESim 的HCD 庫構(gòu)造該帶有限壓保護作用的減壓閥模型如圖2中框線內(nèi)部分所示。

圖2　減壓閥的仿真模型

該模型中，考慮到液體的壓縮性，用容積源9和16來分別模擬減壓閥的進、出油口的容積，容積源17來模擬減壓閥彈簧腔的容積；用彈簧模塊8模擬彈簧和彈簧腔；用質(zhì)量塊7來模擬減壓閥閥芯以及桿的質(zhì)量；用模塊5來模擬減壓閥閥芯，在閥芯兩側(cè)便形成了進油口P和出油口A。

模塊4是一個輔助閥芯，用來實現(xiàn)該減壓閥的保護功能，該閥芯零位移時的開口量為0。減壓閥正常工作時該閥口緊閉，不影響減壓閥的正常工作。當外界負載增加時，減壓閥出口壓力隨之升高，這樣出口油液會推動閥芯向左移動壓縮彈簧，當彈簧壓縮到一定程度時，閥芯4打開，減壓閥出口處的高壓油直接接回油箱，防止出口壓力的持續(xù)升高，達到了保護減壓閥的目的；由于減壓閥工作時會有一定的泄漏量，所以用HCD庫中的泄漏模塊2來模擬彈簧腔與閥芯之間的泄漏；用單向閥13來模擬圖1中的單向閥5。

該模型考慮了液體的壓縮性、泄漏等一系列因素，和實際的減壓閥結(jié)構(gòu)很接近。為了能夠準確地驗證該模型的合理性，以某公司的直動式DR-6DP1-53210Y減壓閥作為參考來設置仿真模型參數(shù)，具體參數(shù)如表1所示。

表1　仿真系統(tǒng)參數(shù)

3　仿真分析

應用表1中參數(shù)進行仿真，得到了減壓閥的出口壓力p出與回路流量Q隨時間變化曲線如圖3所示，閥口開口量l隨時間變化曲線如圖4所示。

圖3　減壓閥出口壓力和流量曲線

圖4　閥開口量曲線

由圖3可知，起始時刻減壓閥出口壓力為205 bar， 主閥芯的開口量由初始時的0.9 mm瞬間減小到0 mm附近。隨著節(jié)流閥13開口量的增加，通過閥芯的流量隨之增大，則閥芯開口量也隨之增加，次級壓力逐漸降低。

由減壓閥的基本原理可知，減壓閥的壓力流量特性與減壓閥彈簧的剛度有關。圖5為某公司給出的該型號減壓閥的5條壓力流量曲線，這5條曲線是5種彈簧剛度不同的減壓閥的壓力流量曲線，這5種閥出口最高調(diào)定壓力分別為25 bar、75 bar、150 bar、210 bar、315 bar。改變仿真模型中的彈簧剛度和彈簧預壓縮力如表2所示， 我們得到如圖6所示的5條壓力流量曲線。

分別對這兩組曲線進行分析， 得到理論曲線的斜率K1、仿真曲線的斜率K2數(shù)值大小如表3所示。該曲線斜率反映的是隨著流量的增加，出口壓力的減小速度?？芍瑑蓷l曲線最大誤差為3.2%，仿真模型中減壓閥出口壓力隨流量增加而減小的速度與給定的理論曲線是非常接近的。

表2　5種減壓閥模型彈簧的參數(shù)

圖6　5條仿真壓力流量曲線

表3　兩組曲線斜率對比表

為了進一步驗證所建立模型的準確性，在實驗室對DR6DP1-53210Y型號減壓閥進行性能測試。該減壓閥的出口調(diào)定壓力最高為210 bar，其壓力流量特性如圖5和圖6中曲線所示。實驗回路如圖7所示，該實驗將減壓閥與伺服閥串接在回路中，計算機發(fā)出的數(shù)字信號，經(jīng)過數(shù)模轉(zhuǎn)換后，作用在伺服閥上來控制其開口大小，實現(xiàn)回路中流量大小的控制。同時通過流量傳感器檢測回路中流量的大小，壓力傳感器2檢測減壓閥出口的壓力。然后用LabVIEW軟件編寫采集程序，用數(shù)據(jù)采集卡把壓力和流量信號采集到電腦中。

圖7　實驗回路連接圖

由減壓閥的基本原理可知，改變減壓閥彈簧的預壓縮力，可以調(diào)節(jié)減壓閥出口壓力的大小。通過調(diào)節(jié)彈簧的預壓縮力，分別將減壓閥的出口壓力調(diào)到50 bar、 70 bar進行實驗，所測得的數(shù)據(jù)通過MATLAB軟件處理后，得到減壓閥的實際壓力流量圖像如圖8所示。由圖像可知，隨著流量的增加，減壓閥出口壓力雖然有所波動，但是整體趨勢在降低，通過曲線擬合后得到如圖9所示直線，兩條直線的斜率分別為：K70=0.247、K50=0.238。

圖8　減壓閥出口壓力-流量點狀圖

圖9　減壓閥出口壓力-流量曲線

然后用仿真模型2(見表2，出口壓力為210 bar)的預壓縮力分別設為200 N、140 N，使減壓閥的出口壓力調(diào)為70 bar、50 bar進行仿真分析，得到壓力流量曲線如圖10所示。經(jīng)過測量得兩曲線斜率分別為：K70=0.251、K50=0.241，與實驗結(jié)果吻合，進一步說明模型的正確性。

圖10　仿真模型2出口壓力流量曲線

4　過載時性能分析

減壓閥在工作時，外界負載的變化很容易在減壓閥內(nèi)部差生瞬間的高壓，這對于減壓閥的壽命和工作穩(wěn)定性是十分不利的。我們通過此模型來模擬減壓閥受到外界沖擊時內(nèi)部壓力的變化情況。圖11為不帶限壓保護作用減壓閥的實驗回路圖，其中液壓缸作為負載，通過突然給液壓缸施加外力來模擬外界沖擊。

圖11　普通減壓閥回路

通過控制信號改變力F的大小來模擬外部載荷的變化。仿真時間為2 s，前1 s控制信號輸入的力大小為6000 N，減壓閥彈簧調(diào)定的壓力為200 bar，液壓缸在油液的驅(qū)動下開始運動。在1 s時刻突然將力的輸入信號擴大三倍，得到此時減壓閥的出口壓力如圖12中曲線1所示。

圖12　減壓閥出口壓力

由圖可知，仿真開始后，減壓閥出口壓力在200 bar 并保持穩(wěn)定。在1 s時由于外界負載的增加，減壓閥出口的壓力突然上升，達到正常工作壓力的3倍以上，隨后趨于平穩(wěn)。在1.5 s時負載恢復到初始大

小，減壓閥出口壓力降低，經(jīng)過一定波動后保持穩(wěn)定。

然后把同樣變化的負載接在該帶有限壓保護作用的減壓閥上，如圖13所示。得到減壓閥的出口壓力如圖12中曲線2所示，當外界載荷突然增加時，減壓閥出口的壓力開始上升，但是由于保護閥芯的作用，出口壓力沒有突然增加，而是保持在220 bar左右。當負載恢復后出口壓力又趨于平穩(wěn)，減壓閥正常工作。

圖13　帶限壓保護作用減壓閥回路

可見對于普通減壓閥來說，由于負載變化而產(chǎn)生的壓力沖擊力是很大的，而帶限壓保護的減壓閥可以把這種沖擊力降到很低，使減壓閥的壽命以及工作穩(wěn)定性都得到了很大的提高。

5　結(jié)論

(1) 利用AMESim的HCD庫建立了帶限壓保護作用的減壓閥的仿真模型，通過其仿真結(jié)果與理論曲線、實驗數(shù)據(jù)的對比，可知該模型是比較準確的，具有一定的參考價值；

(2) 經(jīng)過仿真分析，減壓閥在工作時由于外界載荷的突變，內(nèi)部壓力有可能會突然升高，這對減壓閥以及整個液壓回路都會帶來很大的影響；

(3) 帶有限壓保護作用減壓閥的內(nèi)部泄油通道，在外界負載突然升高的情況下，可以使減壓閥出口油液直接與油箱接通，防止出口壓力進一步升高，可有效降低外界載荷突變對減壓閥的影響。

參考文獻：

[1]許福玲，陳堯明.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2007.

[2]余旋，陳海虹，鄭瑜，等.基于AMESim的減壓閥建模與仿真分析[J].起重運輸機械，2011，(10)：32-35.

[3]袁哲.陶瓷磚壓機的仿真控制研究與能耗分析[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2013.

[4]蔣興平.基于AMESim的陶瓷磚壓機壓制過程液壓系統(tǒng)的仿真研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2012.

[5]陳開容.陶瓷磚壓機頂出機構(gòu)的仿真分析和控制研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學，2012.

[6]付永領,祁曉野．LMS Imagine.Lab AMESim系統(tǒng)建模和仿真參考手冊[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.