论文部分内容阅读
摘 要：锥型阀作为一种重要的液压控制元件，在液压系统中起着关键的作用。为了研究其动态性能，选取了一级和二级锥型阀作为研究对象，介绍了其工作原理和阀芯结构，建立了动态特性的数学模型，并借助AMEsim软件对锥型阀进行了模拟仿真，重点对比分析了关键因素对两种不同结构锥型阀的影响。研究结果表明：一级和二级锥型阀在开启瞬时的响应速度和稳定性以及从动态向稳态过渡的过程两者皆有较大差异，且二级锥型阀明显优于一级锥型阀。同时关键参数对两种结构锥型阀的影响程度也各不相同。
关键词：一级锥型阀;二级锥型阀;动态性能;AMEsim仿真
DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.004
中图分类号： TH137.52
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）02-0021-06
Abstract：As an important hydraulic control element， the cone valve plays an important role in the hydraulic system. In order to study its dynamic performance， the Onestep cone valve and the twostep cone valve were selected as the research objects. Firstly， its working principle and core structure were introduced. Mathematical models of its dynamic performance were established. Then the simulation experiment was carried out on cone valves using AMEsim simulation software. Key factors impact on both cone valves with different structure that were focused on comparative analysis. Research results show that the twostep cone valve were obviously better than onestep cone valve on many areas， which are opening instantaneous response speed， stability and the process of transition from a dynamic to a steady state. And the key factors impact on the two kinds of cone valves was different.
Keywords：onestep cone valve; twostep cone valve; dynamic performance; AMEsim simulation
收稿日期： 2017-03-06
基金项目： 国家自然科学基金（51305108）;黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（1254G025）;博士后研究人员落户黑龙江科研启动资助金项目（LBHQ15069）.
作者简介：
满国佳（1991—），男，硕士研究生;
张梦俭（1991—），女，硕士研究生.
通信作者：
王晓晶（1981—），女，博士，教授，Email：[email protected].
0 引 言
随着液压技术的广泛应用，对液压工作系统的效率，精度，性能的要求也越来越高，因此小体积，高频响，压力、流量可控性好等特点成为性能优良的液压系统的重要指标[1]。锥型阀作为控制、调节执行机构的关键液压元件，具有节流调速，负载阻尼，缓冲等作用，故其对整个液压系统的性能影响显得尤为重要，因此对锥型阀的性能研究便成为了液压工程研究的重点之一[2-3]。以前学者的研究，一是通过对锥型阀的结构及流体特性进行理论分析，结合相应的实验，找出相关规律[4-6]。二是通过相应的分析软件对锥型阀进行仿真，模拟出锥型阀在不同工况下的结果，对其性能指标进行分析，继而为性能提升和结构优化提供了参考方向[7-9]。
本文以一级和二级锥型阀为研究对象，根据其结构原理进行动态特性数学建模，并基于AMEsim软件根据实体模型搭建出HCD液压元件模型，进行了仿真实验。根据仿真结果，分析了各关键因素对锥型阀动态特性的影响情况，同时重点对比分析了一级和二级锥型阀两种结构在不同工况下的动态性能，使锥型阀的动态特性研究更全面，也为锥型阀的结构的优化和进一步探究振动和噪声等问题奠定了基础。
1 锥型阀的理论分析
1.1 阀芯结构及动态模型
如图1和图2所示，分别是一级和二级锥型阀的阀芯及阀口结构示意图。本文选取外流式锥型阀进行仿真实验，即液压油的流向为P口流入T口流出。
1.2 流量方程
其阀口型式为环形节流口，因此计算该环形阀口的流量可以近似使用小孔流量方程来求解[10]，故经过节流阀口的流量为：
1.3 流量连续性方程
结合阀芯结构及工作原理，并考虑到油液的可压缩性，则阀腔中流量連续性方程可表述为：
1.4 阀芯力平衡方程
上述锥型阀的动态特性数学方程（1）、（2）、（3）对下一步参数的设置具有重要的意义。 2 建立锥型阀仿真模型
2.1 建立AMEsim模型
由于研究各因素对锥型阀性能的影响，因此本文采用AMEsim的元件级建模[11-12]。HCD库为用户提供了丰富可选的液压元件的组件模型[13]。
图3和图4分别是一级和二级锥型阀AMEsim动态仿真模型。在建模的过程中，为了使所建立的仿真模型更接近实际，对模型进行了必要的简化和替换[14]。本文认为温度恒定;考虑到阀芯的惯性效应的影响，加入了质量块子模型来模拟阀芯惯性效果;加入可变容积子模型来模拟液压泵到节流阀之间的油路过程;为了防止出口处发生油液倒流现象，加入了单向阀[15]。对于二级锥型阀特别加入了恒定容积来模拟阀腔。
2.2 参数设置
搭建完成一级和二级锥型阀的AMEsim仿真模型后，对子模型的参数设置也是仿真实验的关键，将影响着仿真结果的准确性[16-17]。
2.2.1 閥芯结构参数
针对一级和二级两种结构的锥型阀，其阀芯结构具体参数如表1所示。
2.2.2 子模型参数设置
根据上述数学模型，对子模型参数进行相关设置。具体如表2所示。其中有些参数需要在具体的分析中动态取值，故没有一一列举。
3 动态特性仿真及影响因素分析
在AMEsim的仿真模式下，通过给定非研究变量的某一确定值，再逐一改变研究变量的值，获得各影响因素的仿真结果[18]。并对比和分析一级和二级锥型阀流量的动态特性。
将一级和二级锥型阀的仿真参数中所有变量对应取得相同的数值，其中系统压力4MPa、开口度3mm、弹簧刚度60.24N/mm、背压可调节流口直径1.5mm，进行仿真实验。获得流量特性曲线如图5和图6所示，其中一级锥型阀在开启时较为平稳，流量增加的速度先增大后减小，达到峰值后回落至稳定流量的过渡过程有波动，且波动时间较长;二级锥型阀在启动瞬时流量剧增，随后即有振荡，但是过渡到稳定流量值时运行平稳无波动。说明二级节流阀在开启的瞬间易引起油液的脉动;但二级锥型阀的响应速度快于一级锥型阀，且从流量峰值过渡至稳定值时快速平稳。
3.1 系统压力的影响
系统压力作为锥型阀的入口压力，对其动态特性有重要的影响。将非研究变量设置成开口度3mm，弹簧刚度60.24N/mm，背压可调节流阀直径1.5mm。研究变量系统压力梯度取值依次为2、4、5MPa，分别进行仿真模拟。
从图7至10可以看出，一级和二级锥型阀的稳态流量值皆随着压力的增大而增大。一级锥型阀流量达到稳定值需要的时间随着压力的增大而减小。二级锥型阀在开启瞬时流量振荡强度几乎不受系统压力的影响。
3.2 弹簧刚度的影响
弹簧不仅影响着锥型阀启闭特性，而且具有维持稳定性的作用[19-20]，因此弹簧的选择至关重要。非研究变量的设置为开口度3mm，系统压力4MPa，背压可调节流阀直径1.5mm。研究变量弹簧刚度依次取值50.24、55.24、60.24N/mm。弹簧预压力依次设置为1104.3、1094.3、1084.3N。
从图11至14可以看出。一级锥型阀受弹簧刚度的影响较大，弹簧刚度越大锥型阀的开启越延迟。同时弹簧刚度越小锥型阀的动态流量的波动越大，波动时间越长。二级锥型阀和一级锥型阀相比，弹簧刚度对流量动态特性的影响集中表现在了阀开启的瞬时，弹簧刚度越低则流量的振荡强度越大，但达到稳态流量所需的时间比一级阀短。
3.3 背压的影响
在实际工作中，根据具体工作要求，背压的选择也不尽相同，因此背压也是重要影响因素之一[21]。非研究变量设置为系统压力4MPa，开口度3mm，弹簧刚度60.24N/mm，研究变量背压可调节流口直径依次设置为1mm、1.5mm、2mm。
从图15～18可以看出，背压越小，锥型阀的流量稳态值越大，且流量达到稳定值的时间也越短。说明背压对于锥型阀的流量动态变化趋势几乎无影响，但背压越小响应速度越快。
4 结 论
本文借助AMEsim软件搭建了一级和二级锥型阀的模型，并通过将影响因素作为研究变量进行了仿真分析，得到以下结论：
1）二级锥型阀相比一级锥型阀，在开启瞬间有振荡不稳定，但二级阀的响应速度快于一级阀，且流量峰值过渡至稳定值快速平稳。
2）系统压力对一级和二级锥型阀的稳态流量影响都比较大，且压力越大稳态流量越大，对动态过程影响不大。背压对流量动态变化趋势影响不大，但背压越小，流量达到稳定值的时间越短。
3）弹簧刚度对一级锥型阀的影响较大，弹簧刚度越大锥型阀的开启会有延迟，且弹簧刚度越小，锥型阀的动态流量变化的波动越大，波动时间越长;二级阀和一级阀相比，弹簧刚度主要在锥型阀开启的瞬时影响较大，弹簧刚度越小则流量的振荡强度越大，但其稳态效果基本恒定，影响不大。
参 考 文 献：
[1] 许仰曾. 我国液压工业与技术的发展现状与展望的战略思考[C]// 中国机械工程学会流体传动与控制分会全国流体传动与控制学术会议. 2010：1.
[2] 陈晋市，刘昕晖，元万荣，等.典型液压节流阀口的动态特性[J].西南交通大学学报，2012，47（2）：325.
[3] 刘桓龙， 唐银， 邓斌，等. 阻尼结构对锥阀压力特性的影响[J]. 科学技术与工程， 2015， 15（16）：58.
[4] 张健， 姜继海， 白云峰，等. 锥型节流阀压力特性仿真与试验[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2015， 43（4）：64.
[5] 陆亮.液压节流阀中的空化流动与噪声[D].杭州：浙江大学，2012：6. [6] FALES Roger.Stability and Performance Analysis of a Metering Poppet Valve[J].International Journal of Fluid Power， 2006， 7（2）： 11.
[7] NIE Songlin， HUANG Guohe， LI Yongping， et al. Research on Low Cavitation in Water Hydraulic Twostage Throttle Poppet Valve[J]. Journal of Process Mechanical Engineering， 2006， 220（3）： 167.
[8] KUMAGAI K，RYU S，OTA M，et al. Investigation of Poppet Valve Vibration with Cavitation[J]. International Journal of Fluid Power，2015， 50（50）： 1.
[9] 金胜秋.基于AMESim的液压同步阀的仿真分析及结构研究[D].长春：吉林大学，2009：9.
[10]牛雪虹.水压比例节流阀的设计及仿真研究[D].兰州：兰州理工大学，2013：10.
[11]王继努， 李天富， 段方亮，等. AMESim在液压元件仿真中的应用研究[J]. 液压气动与密封， 2011， 31（3）：1.
[12]陶柳， 朱石沙， 王云， 等. 基于AMESim节流调速回路仿真及实验研究[J]. 機床与液压， 2017， 45（2）：96.
[13]梁全，谢基晨，聂利卫. 液压系统AMESim计算机仿真进阶教程[M].北京：机械工业出版社， 2016：109.
[14]袁士豪，殷晨波，刘世豪. 基于AMESim的平衡阀动态性能分析[J].农业机械学报，2013，44（8）：273.
[15]刘秀梅， 贺杰， 龙正， 等. 结构尺寸对二级节流阀空化流动特性的影响[J]. 振动与冲击， 2015， 34（23）：143.
[16]张宪宇，陈小虎，何庆飞， 等. 基于AMESim液压元件设计库的液压系统建模与仿真研究[J].机床与液压，2012，40（13）：172.
[17]杨扬， 张翼. 基于AMESim的锥阀和球阀式液压阀动态特性分析[J]. 煤矿机械， 2015， 36（4）：154.
[18]陈晋市， 王国强， 龚勋，等. 插装式单向溢流阀特性[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2016， 46（2）： 465.
[19]赖振宇. 大流量高响应比例节流阀的研究[D].杭州：浙江大学，2007：12.
[20]訚耀保， 赵艳培， Hongson Phamxuan. 锥型阀芯的高压气动减压阀设计分析[J]. 流体传动与控制， 2011（2）：1.
[21]刘会永. 背压对液压系统的影响[J]. 机械工程师， 2016（9）：152.
（编辑：关 毅）
关键词：一级锥型阀;二级锥型阀;动态性能;AMEsim仿真
DOI：10.15938/j.jhust.2019.02.004
中图分类号： TH137.52
文献标志码： A
文章编号： 1007-2683（2019）02-0021-06
Abstract：As an important hydraulic control element， the cone valve plays an important role in the hydraulic system. In order to study its dynamic performance， the Onestep cone valve and the twostep cone valve were selected as the research objects. Firstly， its working principle and core structure were introduced. Mathematical models of its dynamic performance were established. Then the simulation experiment was carried out on cone valves using AMEsim simulation software. Key factors impact on both cone valves with different structure that were focused on comparative analysis. Research results show that the twostep cone valve were obviously better than onestep cone valve on many areas， which are opening instantaneous response speed， stability and the process of transition from a dynamic to a steady state. And the key factors impact on the two kinds of cone valves was different.
Keywords：onestep cone valve; twostep cone valve; dynamic performance; AMEsim simulation
收稿日期： 2017-03-06
基金项目： 国家自然科学基金（51305108）;黑龙江省普通高等学校青年学术骨干支持计划项目（1254G025）;博士后研究人员落户黑龙江科研启动资助金项目（LBHQ15069）.
作者简介：
满国佳（1991—），男，硕士研究生;
张梦俭（1991—），女，硕士研究生.
通信作者：
王晓晶（1981—），女，博士，教授，Email：[email protected].
0 引 言
随着液压技术的广泛应用，对液压工作系统的效率，精度，性能的要求也越来越高，因此小体积，高频响，压力、流量可控性好等特点成为性能优良的液压系统的重要指标[1]。锥型阀作为控制、调节执行机构的关键液压元件，具有节流调速，负载阻尼，缓冲等作用，故其对整个液压系统的性能影响显得尤为重要，因此对锥型阀的性能研究便成为了液压工程研究的重点之一[2-3]。以前学者的研究，一是通过对锥型阀的结构及流体特性进行理论分析，结合相应的实验，找出相关规律[4-6]。二是通过相应的分析软件对锥型阀进行仿真，模拟出锥型阀在不同工况下的结果，对其性能指标进行分析，继而为性能提升和结构优化提供了参考方向[7-9]。
本文以一级和二级锥型阀为研究对象，根据其结构原理进行动态特性数学建模，并基于AMEsim软件根据实体模型搭建出HCD液压元件模型，进行了仿真实验。根据仿真结果，分析了各关键因素对锥型阀动态特性的影响情况，同时重点对比分析了一级和二级锥型阀两种结构在不同工况下的动态性能，使锥型阀的动态特性研究更全面，也为锥型阀的结构的优化和进一步探究振动和噪声等问题奠定了基础。
1 锥型阀的理论分析
1.1 阀芯结构及动态模型
如图1和图2所示，分别是一级和二级锥型阀的阀芯及阀口结构示意图。本文选取外流式锥型阀进行仿真实验，即液压油的流向为P口流入T口流出。
1.2 流量方程
其阀口型式为环形节流口，因此计算该环形阀口的流量可以近似使用小孔流量方程来求解[10]，故经过节流阀口的流量为：
1.3 流量连续性方程
结合阀芯结构及工作原理，并考虑到油液的可压缩性，则阀腔中流量連续性方程可表述为：
1.4 阀芯力平衡方程
上述锥型阀的动态特性数学方程（1）、（2）、（3）对下一步参数的设置具有重要的意义。 2 建立锥型阀仿真模型
2.1 建立AMEsim模型
由于研究各因素对锥型阀性能的影响，因此本文采用AMEsim的元件级建模[11-12]。HCD库为用户提供了丰富可选的液压元件的组件模型[13]。
图3和图4分别是一级和二级锥型阀AMEsim动态仿真模型。在建模的过程中，为了使所建立的仿真模型更接近实际，对模型进行了必要的简化和替换[14]。本文认为温度恒定;考虑到阀芯的惯性效应的影响，加入了质量块子模型来模拟阀芯惯性效果;加入可变容积子模型来模拟液压泵到节流阀之间的油路过程;为了防止出口处发生油液倒流现象，加入了单向阀[15]。对于二级锥型阀特别加入了恒定容积来模拟阀腔。
2.2 参数设置
搭建完成一级和二级锥型阀的AMEsim仿真模型后，对子模型的参数设置也是仿真实验的关键，将影响着仿真结果的准确性[16-17]。
2.2.1 閥芯结构参数
针对一级和二级两种结构的锥型阀，其阀芯结构具体参数如表1所示。
2.2.2 子模型参数设置
根据上述数学模型，对子模型参数进行相关设置。具体如表2所示。其中有些参数需要在具体的分析中动态取值，故没有一一列举。
3 动态特性仿真及影响因素分析
在AMEsim的仿真模式下，通过给定非研究变量的某一确定值，再逐一改变研究变量的值，获得各影响因素的仿真结果[18]。并对比和分析一级和二级锥型阀流量的动态特性。
将一级和二级锥型阀的仿真参数中所有变量对应取得相同的数值，其中系统压力4MPa、开口度3mm、弹簧刚度60.24N/mm、背压可调节流口直径1.5mm，进行仿真实验。获得流量特性曲线如图5和图6所示，其中一级锥型阀在开启时较为平稳，流量增加的速度先增大后减小，达到峰值后回落至稳定流量的过渡过程有波动，且波动时间较长;二级锥型阀在启动瞬时流量剧增，随后即有振荡，但是过渡到稳定流量值时运行平稳无波动。说明二级节流阀在开启的瞬间易引起油液的脉动;但二级锥型阀的响应速度快于一级锥型阀，且从流量峰值过渡至稳定值时快速平稳。
3.1 系统压力的影响
系统压力作为锥型阀的入口压力，对其动态特性有重要的影响。将非研究变量设置成开口度3mm，弹簧刚度60.24N/mm，背压可调节流阀直径1.5mm。研究变量系统压力梯度取值依次为2、4、5MPa，分别进行仿真模拟。
从图7至10可以看出，一级和二级锥型阀的稳态流量值皆随着压力的增大而增大。一级锥型阀流量达到稳定值需要的时间随着压力的增大而减小。二级锥型阀在开启瞬时流量振荡强度几乎不受系统压力的影响。
3.2 弹簧刚度的影响
弹簧不仅影响着锥型阀启闭特性，而且具有维持稳定性的作用[19-20]，因此弹簧的选择至关重要。非研究变量的设置为开口度3mm，系统压力4MPa，背压可调节流阀直径1.5mm。研究变量弹簧刚度依次取值50.24、55.24、60.24N/mm。弹簧预压力依次设置为1104.3、1094.3、1084.3N。
从图11至14可以看出。一级锥型阀受弹簧刚度的影响较大，弹簧刚度越大锥型阀的开启越延迟。同时弹簧刚度越小锥型阀的动态流量的波动越大，波动时间越长。二级锥型阀和一级锥型阀相比，弹簧刚度对流量动态特性的影响集中表现在了阀开启的瞬时，弹簧刚度越低则流量的振荡强度越大，但达到稳态流量所需的时间比一级阀短。
3.3 背压的影响
在实际工作中，根据具体工作要求，背压的选择也不尽相同，因此背压也是重要影响因素之一[21]。非研究变量设置为系统压力4MPa，开口度3mm，弹簧刚度60.24N/mm，研究变量背压可调节流口直径依次设置为1mm、1.5mm、2mm。
从图15～18可以看出，背压越小，锥型阀的流量稳态值越大，且流量达到稳定值的时间也越短。说明背压对于锥型阀的流量动态变化趋势几乎无影响，但背压越小响应速度越快。
4 结 论
本文借助AMEsim软件搭建了一级和二级锥型阀的模型，并通过将影响因素作为研究变量进行了仿真分析，得到以下结论：
1）二级锥型阀相比一级锥型阀，在开启瞬间有振荡不稳定，但二级阀的响应速度快于一级阀，且流量峰值过渡至稳定值快速平稳。
2）系统压力对一级和二级锥型阀的稳态流量影响都比较大，且压力越大稳态流量越大，对动态过程影响不大。背压对流量动态变化趋势影响不大，但背压越小，流量达到稳定值的时间越短。
3）弹簧刚度对一级锥型阀的影响较大，弹簧刚度越大锥型阀的开启会有延迟，且弹簧刚度越小，锥型阀的动态流量变化的波动越大，波动时间越长;二级阀和一级阀相比，弹簧刚度主要在锥型阀开启的瞬时影响较大，弹簧刚度越小则流量的振荡强度越大，但其稳态效果基本恒定，影响不大。
参 考 文 献：
[1] 许仰曾. 我国液压工业与技术的发展现状与展望的战略思考[C]// 中国机械工程学会流体传动与控制分会全国流体传动与控制学术会议. 2010：1.
[2] 陈晋市，刘昕晖，元万荣，等.典型液压节流阀口的动态特性[J].西南交通大学学报，2012，47（2）：325.
[3] 刘桓龙， 唐银， 邓斌，等. 阻尼结构对锥阀压力特性的影响[J]. 科学技术与工程， 2015， 15（16）：58.
[4] 张健， 姜继海， 白云峰，等. 锥型节流阀压力特性仿真与试验[J]. 华中科技大学学报（自然科学版）， 2015， 43（4）：64.
[5] 陆亮.液压节流阀中的空化流动与噪声[D].杭州：浙江大学，2012：6. [6] FALES Roger.Stability and Performance Analysis of a Metering Poppet Valve[J].International Journal of Fluid Power， 2006， 7（2）： 11.
[7] NIE Songlin， HUANG Guohe， LI Yongping， et al. Research on Low Cavitation in Water Hydraulic Twostage Throttle Poppet Valve[J]. Journal of Process Mechanical Engineering， 2006， 220（3）： 167.
[8] KUMAGAI K，RYU S，OTA M，et al. Investigation of Poppet Valve Vibration with Cavitation[J]. International Journal of Fluid Power，2015， 50（50）： 1.
[9] 金胜秋.基于AMESim的液压同步阀的仿真分析及结构研究[D].长春：吉林大学，2009：9.
[10]牛雪虹.水压比例节流阀的设计及仿真研究[D].兰州：兰州理工大学，2013：10.
[11]王继努， 李天富， 段方亮，等. AMESim在液压元件仿真中的应用研究[J]. 液压气动与密封， 2011， 31（3）：1.
[12]陶柳， 朱石沙， 王云， 等. 基于AMESim节流调速回路仿真及实验研究[J]. 機床与液压， 2017， 45（2）：96.
[13]梁全，谢基晨，聂利卫. 液压系统AMESim计算机仿真进阶教程[M].北京：机械工业出版社， 2016：109.
[14]袁士豪，殷晨波，刘世豪. 基于AMESim的平衡阀动态性能分析[J].农业机械学报，2013，44（8）：273.
[15]刘秀梅， 贺杰， 龙正， 等. 结构尺寸对二级节流阀空化流动特性的影响[J]. 振动与冲击， 2015， 34（23）：143.
[16]张宪宇，陈小虎，何庆飞， 等. 基于AMESim液压元件设计库的液压系统建模与仿真研究[J].机床与液压，2012，40（13）：172.
[17]杨扬， 张翼. 基于AMESim的锥阀和球阀式液压阀动态特性分析[J]. 煤矿机械， 2015， 36（4）：154.
[18]陈晋市， 王国强， 龚勋，等. 插装式单向溢流阀特性[J]. 吉林大学学报（工学版）， 2016， 46（2）： 465.
[19]赖振宇. 大流量高响应比例节流阀的研究[D].杭州：浙江大学，2007：12.
[20]訚耀保， 赵艳培， Hongson Phamxuan. 锥型阀芯的高压气动减压阀设计分析[J]. 流体传动与控制， 2011（2）：1.
[21]刘会永. 背压对液压系统的影响[J]. 机械工程师， 2016（9）：152.
（编辑：关 毅）