1、基于 SimulationX 的电控卸荷阀仿真与分析 孟涛 航空工业太原航空仪表有限公司流程与信息化部 摘 要： 以某泵站电控卸荷阀为例, 在分析其结构特点与工作原理的基础上, 建立卸荷系统数学模型, 确定影响卸荷阀性能的关键参数.运用 SimulationX 软件搭建仿真模型, 分析主阀芯控制腔体积、电磁先导阀流量特性与频响 3 个关键参数对卸荷阀特性的具体影响.通过该项研究可为该电控卸荷阀的优化设计提供一定参考作用.关键词： 卸荷阀; 电磁先导阀; 关键参数; 仿真分析; 作者简介：孟涛 (1976-) , 男, 工程师, 学士, 研究方向为企业信息化与智能制造.E-mail:收稿日期：2
2、017-09-25Simulation and Analysis of Electronic Control Unloading Valve Based on SimulationXMENG Tao Department of Process and Information, AVIC Taiyuan Aero-Instruments Co., Ltd.; Abstract： Taking the electric control unloading valve of a pump station for example, based on the analysis of its struct
3、ural characteristics and working principles, a mathematical model of unloading system was established, and key parameters affecting the performance of unloading valve were determined.SimulationX software was used to build the simulation model to analyze the specific influence of three key parameters
4、 including control cavity volume of the main valve plug, flow characteristics of the solenoid pilot operated valve and frequency response on the unloading valve characteristics.The study can provide reference for the optimal design of the electric control unloading valve.Keyword： unloading valve; so
5、lenoid pilot operated valve; key parameters; simulation analysis; Received： 2017-09-25电控卸荷阀是泵站系统中作为压力控制和过载保护的关键元件1.“卸荷”就是在系统不需要输送高压液体时, 使泵在接近零输出功率状态下运转, 从而节省功率消耗, 减少系统发热, 延长泵使用寿命2.电控卸荷阀性能好坏直接影响整个液压系统工作的稳定性和可靠性, 因此, 研究影响其性能的主要因素3, 进而优化设计, 对提高泵站系统的供液质量与节能效果有重要作用.1 电控卸荷阀的结构与工作原理本文所研究的电控卸荷阀是由电磁换向阀与卸荷溢流阀
6、组合而成4.结构如图1 所示, 其主要结构分为单向阀、主阀、电磁先导阀 3 个部分.单向阀出口与工作系统相连, 主阀出口与回液管路相连.单向阀与主阀均采用插装阀结构, 流量大、密封性好.电磁先导阀为两位三通换向阀, 实现对先导油液的控制5.图 1 电控卸荷阀结构图 Fig.1 Structure of electronic control unloading valve 下载原图卸荷阀工作原理如图 2 所示.油液从进油口 P 进入卸荷阀, 增压时, 通过单向阀出口 A 向工作系统输送高压液体;卸荷时, 通过主阀出口 T 流回液箱.卸荷主阀的开启取决于控制系统对电磁先导阀的电信号.当工作系统压力
7、大于控制系统设定压力时, 电磁先导阀失电关闭, A 与 T 连通, 主阀芯弹簧腔与回液连通, 泵出口液体打开主阀芯流回液箱;当负载端压力小于控制系统设定压力时, 电磁先导阀得电开启, A 与 P 连通, 主阀芯弹簧腔与工作液体连通, 由于主阀芯弹簧腔受力面积大于阀口受力面积, 在工作液体压力下主阀芯关闭, 泵向系统输送高压液.图 2 泵站卸荷阀工作原理 Fig.2 Working principle of unloading valve 下载原图2 模型建立与分析衡量卸荷阀性能好坏的指标为工作系统出口处的压力变化特性, 即增压与卸荷时该处允许的压力变化范围与所需时间4, 称为动态特性.影响卸荷
8、阀动态特性的因素很复杂, 除阀自身结构参数之外, 还受到系统中管路及其他零件动态特性的影响.本研究忽略其他零件动态特性影响以及过液孔的液阻、阀芯自重与液压卡紧力的影响, 假定阀出口压力为 0, 建立数学模型.主阀芯运动微分方程式中:F s为作用在主阀上的稳态液动力;F t为作用在主阀上的瞬态液动力;F f为主阀芯与阀套间的摩擦力.通过主阀口的流量方程单向阀芯运动微分方程式中:F sA为作用在单向阀的稳态液动力;F tA为作用在单向阀的瞬态液动力;F fA为单向阀阀芯与阀套间的摩擦力.电磁先导阀流量方程电磁先导阀压力方程当失电 AT 连通时当得电 AP 连通时总流量方程主阀芯开启控制腔流量连续性
9、方程式中:p 2、p 1为主阀芯上下腔的液压力, Pa;p A为单向阀出口压力, Pa;A 2、A 1为主阀芯上下腔的作用面积, m;K 1、K A为主阀、单向阀的弹簧刚度, N/m;y 0、x A0为主阀、单向阀的弹簧预压缩量, m;y、x A为主阀芯、单向阀芯的位移, m;m1、m A为主阀、单向阀的质量, kg;C d1、C d2为主阀、先导阀阀口的流量系数;D1、d 2为主阀、先导阀出口直径, m; 1为主阀芯阀口半锥角;d 0为阻尼孔直径, m; 为液体密度, kg/m; 为液体运动黏度, m/s;K 为液体弹性模量, MPa;V 0为主阀芯控制腔体积, m.由式 (1) 到式 (9
10、) 知, p 2的响应速度主要由 V0与 q2决定;p A与 p2之差影响电磁先导阀流量 q2;而 q2同时受 d2以及响应速度的影响.综上所述, 对电控卸荷阀性能起关键作用的参数为电磁先导阀通径、响应速度和主阀芯控制腔体积.下面分别对其各自影响进行仿真分析.3 建模仿真仿真工具采用德国 ITI 公司开发的 SimulationX 软件, 该软件作为工程系统高级建模和多学科仿真软件平台, 可以实现复杂系统的综合设计、分析和优化任务6-7.根据电控卸荷阀工作原理, 在 SimulationX 软件中搭建的电控卸荷阀仿真测试系统模型如图 3 所示.图 3 电控卸荷阀仿真模型 Fig.3 Simul
11、ation model of electromic control unloading valve 下载原图其中单向阀芯、主阀芯与电磁先导阀采用液压库与机械库元件, 控制系统采用信号库元件进行简化, 工作系统负载通过节流口来模拟.模型主要参数见表 1.表 1 模型主要参数 Table 1 Parameters of model 下载原表 4 结果分析本研究中, 初设最小计算步长 10s, 最小输出步长 0.001 s, 仿真时间为 10 s, 系统设定卸荷压力为 31 MPa, 恢复压力为 29 MPa, 波动值为 2 MPa.仿真结果如下.1) 其余参数不变, 分别设定控制腔体积为 50、2
12、00 和 500 cm, 进行批处理运算, 获得系统压力曲线如图 4 所示.各体积下压力范围见表 2.图 4 不同控制腔体积下压力 Fig.4 Pressures of different control cavity volumes 下载原图由图 4 与表 2 可看出, 控制腔体积越大, 系统压力波动越大, 压力偏离系统设定值越远, 但控制腔体积过小, 会导致主阀芯动作行程不足, 阀口开度过小阻力损失增大, 影响卸荷效果.在实际设计中, 当主阀芯动作行程满足要求的情况下, 应尽量减小控制腔体积.表 2 不同控制腔体积下压力范围 Table 2 Pressure range of different control cavity volumes 下载原表
