高壓氣動溢流閥動態(tài)特性分析

1、高壓氣動溢流閥動態(tài)特性分析溢流閥是各種氣液壓設備中重要的壓力控制單元，在工程機械、汽車工業(yè)、航空航天、船舶交通等各個領域中有著廣泛的應用。重量輕、尺寸小、靈敏度高、穩(wěn)定性好是各行各業(yè)在溢流閥設計中面臨的共性問題。因此，分析不同環(huán)境參數(shù)、結構參數(shù)對溢流閥動態(tài)響應特性的影響，以提高其工作性能，保障高壓氣動系統(tǒng)的安全是問題分析的關鍵。目前，國內外對溢流閥的研究和應用還主要側重于液壓環(huán)境、低氣壓環(huán)境，常用的方法是根據(jù)經驗確定有關參數(shù)，通過試驗來檢驗其特性，并修正設計參數(shù)。對于高壓氣動溢流閥的研究還較少，為了獲得理想的動態(tài)品質，得知溢流閥真實工作狀態(tài)下其內部結構參數(shù)的變化對其動態(tài)特性的影響很有意義。本文

2、以高壓氣體作用下氣動溢流閥為研究對象，運用AMESim中的PCD庫進行建模仿真，分析在不同氣壓、阻尼孔直徑、彈簧剛度作用下，閥芯的動態(tài)響應特性。溢流閥數(shù)學原理溢流閥工作原理為當系統(tǒng)的壓力達到或超過溢流閥的調節(jié)壓力時，系統(tǒng)的氣體通過閥口溢往大氣，以維持系統(tǒng)壓力峰值不會超過設定值，防止系統(tǒng)壓力過載，保障執(zhí)行機構、閥和系統(tǒng)的安全。高壓腔的壓力瞬態(tài)峰求解動態(tài)特性需要高壓腔的壓力瞬態(tài)峰求解動態(tài)特性需要值與波動情況、負載或控制機構的響應速度。建立動態(tài)模型，通常是一組以時間為獨立變量的微分方程。高壓氣動閥口流量公式：式中：Ave為有效面積，p為閥口入口壓力，k為絕熱指數(shù)，空氣k=1.4,R為氣體常數(shù)，干空氣

3、R=287.1J/（kg力，T為閥口入口溫度。當閥芯只在氣壓力、彈簧力和重力作用下處于平衡狀態(tài)，閥芯運動時的動力學平衡方程為：式中：Qvacosa項是閥口的穩(wěn)態(tài)氣動力，Me為閥芯運動的當量質量，y為閥芯位移，a為聲速，民為氣體流出閥口時的方向與閥芯軸線夾角，K為彈簧剛度，B為變向粘性阻力系數(shù)，F(xiàn)r為閥芯與閥套之間的干摩擦力，C為單向粘性阻力。閥腔連續(xù)性方程為：式中：兀DvpS361雇泄漏量，8為環(huán)縫間隙，l為環(huán)縫密封長度，v為氣體運動粘度，V為彈簧腔容積。通過式（2）、（3）得出閥芯動態(tài)特性的二元二階非線性微分方程組，即氣動溢流閥的動態(tài)數(shù)學模型：式中：Cv為閥口收縮系數(shù)，無量綱。針對溢流閥的幾

4、何參數(shù)，當輸入一個壓力信號，通過求解上述微分方程組，即可求得閥的動態(tài)響應過程。溢流閥AMESim模型AMESim提供了一個系統(tǒng)及工程的完整平臺，從其豐富的氣動庫和氣動元件設計庫可以搭建氣路系統(tǒng)。但是，其中的氣路控制閥門種類較為單一，不能滿足氣動系統(tǒng)設計要求，需要根據(jù)氣路控制的結構設計原理，利用PCD庫（氣動元件庫）的子模型組合建立控制閥的模型。通過PCD庫建立的溢流閥仿真模型，如圖1所示。仿真分析設定圖1溢流閥的參數(shù)，其中作為輸入信號的環(huán)境參數(shù)氣瓶壓力分別為20MPa、25MPa、30MPa進行變化；作為結構參數(shù)的彈簧剛度分別為40N/mm、50N/mm、60N/mm進行變化；阻尼孔直徑分別為

5、2mm、2.5mm、3mm進行變化；分析閥芯的動態(tài)響應特征。從圖2可以看出：氣瓶壓力值的大小對閥芯的輸出位移的動態(tài)品質影響較大。氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態(tài)響應頻率越小，閥芯的振蕩次數(shù)越少。從圖3可以看出：彈簧剛度的大小對閥芯的輸出位移的動態(tài)品質稍有影響。彈簧剛度越大，閥芯的動態(tài)響應頻率越小，閥芯的振蕩次數(shù)越少；但是對溢流閥閥芯起始響應時間的影響敏感度不高。從圖4可以看出，阻尼孔直徑在小范圍之間變化時，閥芯響應的起始響應時間、動態(tài)響應頻率幾乎沒有變化，對溢流閥動態(tài)性能影響不明顯。結論通過AMESim對溢流閥進行建模和仿真，得出了氣瓶充氣壓力、彈簧剛度、阻尼孔直徑等參數(shù)對溢流閥動態(tài)品質的影響。結果表明，氣瓶充氣壓力值越大，溢流閥閥芯起始響應時間越短，閥芯的動態(tài)響應頻率越小。彈簧剛度越大，閥芯的動態(tài)響應頻率