楊忠炯， 周振峰， 周立強

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室 長沙，410083) (2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院 長沙，410083)

振動環(huán)境下插裝閥的動態(tài)特性*

楊忠炯1，2， 周振峰2， 周立強1，2

(1.中南大學(xué)高性能復(fù)雜制造國家重點實驗室 長沙，410083) (2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院 長沙，410083)

為研究強振動環(huán)境對二通插裝閥工作性能的影響，建立了振動環(huán)境下的二通插裝閥結(jié)構(gòu)模型及AMESim仿真模型,分別分析振動條件及插裝閥結(jié)構(gòu)參數(shù)對其動態(tài)特性的影響規(guī)律。研究表明：基礎(chǔ)振動會引起插裝閥閥口流量及閥芯開度出現(xiàn)波動現(xiàn)象；閥芯在穩(wěn)態(tài)時的波動程度隨基礎(chǔ)振動幅值線性增加，振動頻率大于20Hz后，波動程度明顯。較小的阻尼孔徑會使流量上升至最大值的時間增加，但通過閥口的流量更平穩(wěn)；插裝閥在開啟狀態(tài)時，閥芯波動值與閥芯質(zhì)量呈正相關(guān)關(guān)系；改變插裝閥的面積對改善流量波動現(xiàn)象效果有限；增加彈簧剛度可以改善流量波動現(xiàn)象，但會使通過閥口的流量減小。

基礎(chǔ)振動； 插裝閥； 動態(tài)特性； 振動條件； 結(jié)構(gòu)參數(shù)

引 言

二通插裝閥具有流通能力大、動作快和密封性能好等特點，在高壓大流量領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛[1]。全斷面硬巖掘進機(tunnel boring machine，簡稱為TBM)液壓系統(tǒng)具有大負載、大功率和大流量等特點，因此TBM上廣泛采用大規(guī)格的二通插裝閥[2]。例如：美國ROBBINS公司的MB264-311型TBM支撐、推進液壓系統(tǒng)共使用了16個二通插裝閥[3]；德國WIRTH公司的TB880E型TBM支撐系統(tǒng)使用了2個二通插裝閥來保證差動快進[4]。

重大工程裝備在工作時會不可避免地產(chǎn)生振動現(xiàn)象[5]，基礎(chǔ)振動會對插裝閥的工作特性造成一定影響，目前對插裝閥的工作特性研究主要集中在閥體結(jié)構(gòu)和流體動力學(xué)等方面。李淮祥[6]分析了插裝閥錐角和閥芯圓周直徑的大小對錐閥振動特性和靜態(tài)特性的影響。文獻[7]分析了錐閥入口速度、出口速度、閥口開啟度和錐角對空化效應(yīng)的影響。文獻[8]對不同開口度的閥隙流速進行仿真，得出了錐閥閥隙處壓力損失與開口度大小的關(guān)系。文獻[9]研究了插裝閥液壓系統(tǒng)中蓄能器的振動衰減影響，對錐閥的穩(wěn)定性進行了分析。目前，部分學(xué)者對模擬強振動環(huán)境的試驗臺進行了研究。張志等[10]對振動試驗臺的加速度積分方法進行了探究。黃中華等[11]對振動試驗臺的測控系統(tǒng)進行了研究。由于針對插裝閥在振動試驗臺上的性能研究較少，因此研究基礎(chǔ)振動下的插裝閥工作特性具有重要意義。

1 基礎(chǔ)振動下的插裝閥模型

典型的二通插裝閥由先導(dǎo)閥、控制蓋板和插裝件3部分構(gòu)成。插裝件由閥芯、閥套、彈簧和密封圈等組成[12]。先導(dǎo)閥、控制蓋板、閥套與閥塊采用螺釘緊固，可作為一個剛性連接的整體。振動條件下的二通插裝閥結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。X1為基礎(chǔ)振動位移，X2為閥芯運動位移，取向上的位移方向為正。閥芯開啟時開啟高度以X表示，X=X2-X1。

圖1 振動條件下的插裝閥結(jié)構(gòu)模型Fig.1 Cartridge valve structure model under vibration condition

在TBM的主機支撐系統(tǒng)中[4]截取一個簡單的二通插裝閥換向回路作為研究對象，如圖2所示。先導(dǎo)電磁閥不得電時，插裝閥入口處A腔壓力Pa與控制腔C腔壓力Pc相等，C腔承壓面積大，此時插裝閥關(guān)閉。先導(dǎo)電磁閥得電時，控制腔C腔油液回油箱，壓力Pc減小，在壓差及彈簧力的共同作用下，插裝閥閥芯打開，油液從A腔流向B腔。

圖2 插裝閥簡單換向回路Fig.2 Simple cartridge valve commutation circuit

2 系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

設(shè)系統(tǒng)泵源流量為q0，插裝閥閥口流量為q1，插裝閥閥芯運動導(dǎo)致控制腔體積變化引起的流量為q2，二位三通球閥的流量方程為q3。進油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的壓力分別以Pa，Pb，Pc表示，進油口A腔、出油口B腔、控制腔C腔的液壓作用面積分別以Aa，Ab，Ac表示。

插裝閥閥口的壓力-流量方程為

(1)

先導(dǎo)閥二位三通球閥的壓力-流量方程為

(2)

其中：C為流量系數(shù)，約為0.62～0.75[13]；d為先導(dǎo)電磁閥過流孔徑。

插裝閥控制腔體積變化引起的流量為

(3)

其中：Vc為C腔的體積；E為油液體積彈性模量。

插裝閥控制腔的流量連續(xù)方程為

(4)

插裝閥閥口的流量連續(xù)性方程為

(5)

假定基礎(chǔ)處于簡諧振動環(huán)境，X1=Asinωt，取向上的位移為正。忽略閥芯與閥套間的動摩擦力與閥芯重力的影響，當閥芯開啟時，根據(jù)外部激勵作用下的強迫振動理論[14]，插裝閥閥芯運動微分方程為

(6)

插裝閥所受穩(wěn)態(tài)液動力與其過流面積、閥口壓差有關(guān)，總是使插裝閥閥芯趨于關(guān)閉，其方程[15]為

Fw=-CwπDXΔPsin2α

(7)

其中：Cw為流量系數(shù)，約為0.77～0.82。

3 系統(tǒng)仿真及分析

根據(jù)數(shù)學(xué)模型方程，利用AMESim仿真軟件建立其仿真模型，如圖3所示。仿真系統(tǒng)中主要元件參數(shù)設(shè)置為：泵源排量為300ml/r，轉(zhuǎn)速為1 200r/min，溢流閥設(shè)定壓力為10MPa，其他模型參數(shù)如表1所示。插裝閥閥芯最大開啟高度為10mm，控制腔回油路阻尼孔徑為3mm，彈簧剛度為1.6×105N/m，插裝閥結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示。

圖3 振動下的插裝閥仿真模型Fig.3 Cartridge valve simulation model under vibration

參數(shù)數(shù)值參數(shù)數(shù)值E/Pa800Cf20C0.7Cq0.72d/mm4Cw0.75ρ/(kg·m-3)850α/(°)45

表2 插裝閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)表

在振動條件為振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz時，插裝閥閥口流量的仿真結(jié)果如圖4所示。由仿真結(jié)果可以得出， 基礎(chǔ)振動對插裝閥閥口流量的影響主要在于其達到平衡階段后會出現(xiàn)周期性波動現(xiàn)象。由式(1)可知，在壓力不變的情況下，插裝閥開啟高度是決定閥口流量的重要因素。

圖4 插裝閥流量仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of cartridge valve flow

3.1 基礎(chǔ)振動對閥芯開啟的影響規(guī)律

在插裝閥受到基礎(chǔ)振動(振幅A為0.005 m，頻率為100 Hz)與無振動時，閥芯開啟高度X的仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，在閥芯開啟時，基礎(chǔ)振動對其快速上升階段影響不大， 這是因為閥芯快速上升時，由于控制腔C腔壓力迅速減小，進油口A腔作用力遠大于基礎(chǔ)振動造成的閥芯慣性力，所以閥芯迅速打開。在閥芯處于動態(tài)平衡階段時，基礎(chǔ)振動會導(dǎo)致閥芯出現(xiàn)波動現(xiàn)象。這是當閥芯在液

圖5 基礎(chǔ)振動下的X仿真結(jié)果Fig.5 Simulation results of X under fundamental vibration

壓作用力、彈簧力和穩(wěn)態(tài)液動力作用下到達平衡狀態(tài)時，基礎(chǔ)振動造成的閥芯慣性力周期性變化，打破了閥芯的受力平衡，閥芯開啟高度也出現(xiàn)周期性變化規(guī)律。設(shè)定閥芯周期波動的幅值為δ，設(shè)定無振動時閥芯的開啟高度為X0，可用δ/X0的比值來反映閥芯開啟高度受基礎(chǔ)振動的影響程度。

3.1.1 基礎(chǔ)振動幅值A(chǔ)的影響

為研究基礎(chǔ)振動幅值A(chǔ)對閥芯開啟時的影響規(guī)律，設(shè)立3組仿真試驗。由中國鐵建重工集團在越南工地的測試報告顯示，TBM左側(cè)撐靴振動頻率主要集中在100 Hz以內(nèi)，故仿真試驗頻率分別取f為80，60和30 Hz。記錄閥芯周期波動幅值δ與穩(wěn)態(tài)平衡值X0的仿真結(jié)果，δ/X0的比值如圖6所示?？梢?，閥芯在穩(wěn)態(tài)平衡時的波動比值δ/X0隨基礎(chǔ)振動幅值A(chǔ)的增加而線性增加。

圖6 δ/X0比值隨振幅變化曲線Fig.6 Curves of δ/X0 ratio changing with amplitude

3.1.2 基礎(chǔ)振動頻率f的影響

為研究基礎(chǔ)振動頻率f對閥芯開啟時的影響規(guī)律，同樣設(shè)立3組仿真試驗，振動幅值分別為A=0.01 m，A=0.007 5 m，A=0.005 m，δ/X0的比值如圖7所示。由圖7可知，當基礎(chǔ)振動頻率增加時，閥芯在穩(wěn)態(tài)波動時的比值首先會緩慢增加，這是因為振動頻率較小時閥芯所受慣性力數(shù)值不大，對閥芯平衡影響不大；當振動頻率超過20 Hz時，閥芯波動比值才急劇增加。

圖7 δ/X0比值隨頻率變化曲線Fig.7 Curves of δ/X0 ratio changing with frequency

3.2 閥體結(jié)構(gòu)對動態(tài)特性的影響規(guī)律

3.2.1 阻尼孔徑的影響

為研究控制腔C腔與先導(dǎo)閥之間的阻尼塞孔徑對插裝閥動態(tài)特性的影響規(guī)律，在阻尼塞孔徑可選規(guī)格中分別選擇Φ為1.5，2和3 mm 3組進行仿真試驗，修改圖3所示模型中的阻尼孔直徑，插裝閥流量仿真結(jié)果如圖8所示?？刂魄籆腔的壓力變化如圖9所示。由圖8可知，當阻尼孔徑變大時，插裝閥閥口流量達到最大值所需時間減小且流量波動幅度增加。這是由于阻尼孔徑增加后，阻尼孔的流通能力增加，控制腔C腔的壓力下降時間減?。煌瑫r控制腔的體積變化率加大，導(dǎo)致插裝閥閥芯波動值變大，進一步引起流量波動值變大。

圖8 插裝閥閥口流量Fig.8 The outlet flow of cartridge valve

圖9 控制腔壓力變化曲線Fig.9 Pressure variation curves of controlled chamber

3.2.2 閥芯質(zhì)量對閥芯穩(wěn)態(tài)平衡的影響

設(shè)閥芯質(zhì)量分別為m=0.125 kg，m=0.1 kg和m=0.075 kg的3組仿真試驗，閥芯開啟高度X在穩(wěn)態(tài)平衡后的仿真結(jié)果如圖10所示。由圖10可知，插裝閥閥芯在穩(wěn)態(tài)平衡階段的波動值與插裝閥的質(zhì)量呈正相關(guān)性，質(zhì)量越大，其波動值亦越大。

圖10 不同閥芯質(zhì)量下的X仿真結(jié)果Fig.10 Simulation results of X under different spool mass

3.2.3 面積比的影響

插裝閥進油口A腔面積與控制腔C腔面積比值A(chǔ)a/Ac稱為其面積比，常見的面積比有1∶1.07，1∶1.5，1∶2.0幾種，根據(jù)上述3種面積比進行仿真試驗，插裝閥閥口流量仿真結(jié)果如圖11所示。由圖11可知，插裝閥流量值隨面積比的減小而顯著減小，而到達流量最大值的時間及波動幅值并無太大差異，這是因為面積Aa的減小造成插裝閥閥口的過流面積減小，閥口流量必然隨之減小。

圖11 不同面積比的流量仿真結(jié)果Fig.11 Simulation results of flow under different area ratio

3.2.4 彈簧剛度的影響

取彈簧剛度分別為1.2×105，1.6×105和2.0×105N/m進行仿真試驗，閥芯達到穩(wěn)態(tài)平衡后的仿真結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，隨著彈簧剛度的增加，插裝閥閥芯波動值會減小，其開啟高度也減小，因此增加彈簧剛度能減弱閥芯波動程度，但同時會使通過其閥口的流量減小。

圖12 不同彈簧剛度下的X仿真結(jié)果Fig.12 Simulation results of X under different spring stiffness

4 結(jié) 論

1) 基礎(chǔ)振動對插裝閥開啟時的影響主要體現(xiàn)是：閥芯在平衡階段會出現(xiàn)周期性波動現(xiàn)象，閥口流量值不穩(wěn)定。

2) 閥芯在穩(wěn)態(tài)時的波動比值δ/X0隨基礎(chǔ)振動幅值A(chǔ)線性增加；只有振動頻率超過20Hz，閥芯波動比值δ/X0才隨振動頻率的增加而急劇增加。

3) 在振動環(huán)境下，選擇較小的阻尼孔徑和較小的閥芯質(zhì)量可以改善閥口流量波動現(xiàn)象；在保證流量足夠的前提下應(yīng)盡量選擇剛度較大的彈簧。

[1] 毛衛(wèi)平.液壓閥[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009:144-146.

[2] 黃人豪. 二通插裝閥和比例控制技術(shù)在中國重大工程和裝備中的應(yīng)用[J]. 流體傳動與控制，2004(1)：24-30.

Huang Renhao. Applications of hydraulic catridge valve and proportional control technology[J].Fluid Power Transmission and Control, 2004(1)：24-30.(in Chinese)

[3] 杜彥良，杜立杰.全斷面巖石隧道掘進機—系統(tǒng)原理與集成設(shè)計[M].武漢：華中科技大學(xué)出版社，2010: 119-124.

[4] 周賽群.全斷面硬巖掘進機(TBM)驅(qū)動系統(tǒng)的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2008.

[5] Zhang Kuan，Yu Hai，Liu Zhi，et al. Dynamic characteristic analysis of TBM tunneling in mixed-face conditions [J]. Simulation Modelling Practice and Theory，2010，18(7)：1019-1031.

[6] 李淮祥.液壓錐閥的振動特性研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2012.

[7] Gao Hong,Fu Xin,Yang Huaiyong, et al. Numerical investigation of cavitating flow behind the cone of a poppet valve in water hydraulic system[J]. Journal of Zhejiang University,2002,3 (4):395-400.

[8] 何衛(wèi)衛(wèi)，劉浩輝，宋金朋.水壓錐閥流場的CFD計算與分析[J]．機械管理開發(fā)，2010，25(3)：34-37．

He Weiwei,Liu Haohui,Song Jinpeng. Analysis and CFD simulation of the flow field in water hydraulics poppet valve[J]．Mechanical Management and Development,2010,25(3):34-37.(in Chinese)

[9] Li Zhongfu. Effects of accumulator on stabilization of direct acting poppet valve and its system[J]. Journal of China University of Mining & Technology,1998,8 (1):80-83.

[10]張志，孟少平，周臻，等. 振動臺試驗加速度積分方法[J].振動、測試與診斷，2013，33(4)：627-633.

Zhang Zhi, Meng Shaoping, Zhou Zhen, et al. Numerical integration method of acceleration recodes for shaking table test[J]. Journal of Vibration, Measurent & Diagnosis, 2013，33(4)：627-633.(in Chinese)

[11]黃中華，劉質(zhì)，胡瓊,等.工程機械混合動力系統(tǒng)實驗臺測控系統(tǒng)[J]. 振動、測試與診斷，2013，33(1)：144-148.

Hang Zhonghua, Liu Zhi, Hu Qiong, et al. Test bench control system of construction machinery hybrid power system[J]. Journal of Vibration, Measurent & Diagnosis, 2013，33(1)：144-148.(in Chinese)

[12]袁子榮，吳張永，袁銳波，等.新型液壓元件及系統(tǒng)集成技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2011:110-113.

[13]何存興.液壓元件[M].北京：機械工業(yè)出版社，1982:395-398.

[14]任明章.機械振動的分析與控制以及計算方法[M] .北京：機械工業(yè)出版社，2011:57-63.

[15]宋鴻堯，丁忠堯.液壓閥設(shè)計與計算[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，1980:60-65.

10.16450/j.cnki.issn.1004-6801.2016.01.003

??研究發(fā)展計劃(“九七三”計劃)資助項目(2013CB035404)

2013-12-27；修回日期：2014-03-07

TH137.5; TP391.9

楊忠炯，男，1964年7月生，教授。主要研究方向為車輛傳動及液壓元件性能分析。曾發(fā)表《Dynamic characteristics of hydraulic power steering system with accumulator in load-haul-dump vehicle》(《Journal of Central South University of Technology》2004，Vol.11，No.4)等論文。 E-mail：yzj7072@126．com 通信作者簡介：周振峰，男，1989年11月生，碩士。主要研究方向為液壓元件性能分析。 E-mail：corpse1114@163.com