基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）

兵荒马乱

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0 引言

在液压系统中经常有单泵多执行器回路，当某个执行器需要一个比较低的工作压力（该压力低于泵的供油压力）就要用到减压阀 ^[1] 。减压阀在这些系统中往往起着关键的作用，其性能的好坏对整个液压系统的性能指标影响较大。减压阀根据调节性能的不同，可以分为定差减压阀、定值减压阀以及定比减压阀，目前用的最为广泛的减压阀为定值减压阀。因此选用定值减压阀作为研究对象来讨论其仿真模型的创建方法，为进一步的分析减压阀的静动态特性提供基础，并为阀的设计与优化提供参考。

根据结构和工作原理的不同定值减压阀可以分为直动式减压阀和先导式减压阀^[2]。两种类型的减压阀对应的建模方法差异较大，下面从阀的结构特点和工作原理着手，运用AMESim软件进行对应模型的创建。

1 直动式减压阀模型

直动式减压阀的结构示意图如图1所示，阀芯在调压弹簧的作用下处于最左端位置，进油口和出油口相连通，此时减压阀口h处于最大状态，起不到减压的作用，进口压力和出口压力相等。出口油液经过阻尼孔a对阀芯形成一个向右的液压力，其值为p₂A。当出口压力增大，满足p₂A＞F（其中F为弹簧的调定压力）时，阀芯右移，减压阀口h被关小，液压油流过阀口的阻力增加，减压阀起作用。经过一个过渡过程后，阀芯会稳定在某一位置上，在不计其他阻力的前提下，阀芯可以认为仅受到液压力和弹簧力，且两者相平衡。此时出口压力p₂将基本稳定在一个确定值（该值是一个与弹簧调定压力相对应的值），且该值比p₁小。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图1

图1 直动式减压阀结构图

基于AMESim软件的直动式减压阀的建模方法可以归纳为两类，第一类方法是直接运用软件中的标准液压库HYD的现存的模型，如图2所示。可以选用RV003、RV004模型作为减压阀的仿真模型，对减压阀的主要参数如调整压力、最大压力等进行设置，并将其放入具体的回路中就可进行仿真以获得相关特性。如图3所示为研究减压阀特性的简单仿真回路。将元件1的输出压力设为20 bar，元件2的调整压力和最大压力设为10 bar和11 bar，元件3的压力在10 s内从0线性增大到14 bar，进行仿真后可以得到图4所示的减压阀的流量压降特性曲线。分析该曲线可以发现当减压阀的出口压力在10～11 bar之间，通过减压阀的流量基本不变，减压阀起到了减压作用。当出口压力大于11 bar时，经过减压阀的流量为0，说明此时减压阀已经关闭。当出口压力小于10 bar时，减压阀不起减压作用。如果考虑减压阀阀芯所受的摩擦力，通过设置相应的参数就可得到如图5所示的减压阀的死区特性，可以看出减压阀开启和关闭时不同的流量压力特性曲线。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图2

图2 减压阀图标

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图3

图3 减压阀特性曲线仿真图

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图4

图4 减压阀流量压力特性曲线图

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图5

图5 减压阀的死区特性

运用AMESim软件进行直动式减压阀模型创建的第二类方法是根据阀的工作原理综合应用软件中的标准液压库HYD、机械库以及液压元件设计库HCD来搭建。如图6所示为搭建的滑阀式直动减压阀仿真模型，通过合理的设置参数，运行仿真后可以得到图7所示的节流阀入口处的压力曲线。从该曲线可以看出在0～0.2 s这个时间段，减压阀出口处的压力出现超调现象，整个液压系统处于调节状态。之后压力的输出基本恒定，但有一个下降和上升的过程，是因为节流阀的控制信号设置引起的，能较好的反映出减压阀的工作状况。利用图6所示的模型，通过修改能影响减压阀特性的主要参数（如阻尼孔径、调压弹簧刚度等），探寻这些参数对阀的特性的影响规律，从而指导减压阀的设计。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图6

图6 滑阀式直动减压阀仿真模型

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图7

图7 节流阀入口处压力随时间的变化曲线

2 先导式减压阀模型

先导式减压阀相对直动式减压阀性能更好，应用也更为广泛 ^[3] 。它主要是利用液压油经过缝隙时的液阻减压效应，其工作原理图如图8所示。系统中的压力油从减压阀的p₁口（进油口）流入，然后通过减压缝隙h后，再从阀的p₂口（出油口）流出。流出的油液一部分从出油口流出并到后续的执行机构，与此同时另一部分油液也分成两路，一路经过图中所示的a通道到达主阀芯的下腔，另外一路经过细长孔b来到主阀芯的上腔，并最终作用在先导锥阀芯上，液压油向锥阀芯施加了一个方向向左的力。当p₂低于调定压力F_s时，锥阀关闭，主阀芯上下油腔的压力相等（p₂=p₃），减压阀口h开得最大，减压阀处于不工作状态。当分支油路负载增加，p₂升高导致p₃高于调定压力时，锥阀打开，主阀上腔少量油液流回油箱，由于阻尼孔b的存在，主阀上腔压力低于下腔压力，当该压力差产生向上的力足够大，主阀芯上移。减压阀口h变小，减压作用增强，从而使得出油口的压力下降，当该压力值下降到一定的值，减压阀的两个阀芯又重新达到受力平衡状态，此时对主阀芯进行受力分析可以获得下述方程：

p₂=p₃+F_s/A

可见，p₂<p₃且基本保持恒定。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图8

图8 先导式减压阀工作原理图

对于先导式减压阀的仿真模型的创建，可以在理解减压阀工作原理的前提下，运用AMESim中的三个库（HYD库、HCD库和Mechanical库）中包含的基本元件来搭建。通过确定减压阀的压力有效作用面，确认减压阀的两个独立运动部件即主阀阀芯和先导阀阀芯，最后确认阀的通流面积等几个步骤 ^[4,5] ，搭建出如图9所示的先导式减压阀仿真模型。该模型采用孔径可变的节流阀模拟负载的变化，设置的主要参数如下：主阀阀芯质量为0.036 kg，活塞直径为16 mm，弹簧刚度4.2 N/mm, 主阀弹簧预压缩量11 mm，主阀阀芯在零位置处的负重叠长度3.1 mm，主阀阻尼孔0.8 mm，导阀阀芯质量为0.016 kg，导阀阀芯直径为10 mm，弹簧刚度160 N/mm, 导阀阻尼孔1.2 mm。分别设置液压源的输出压力为2 bar，5 bar和10 bar，在相同的负载条件下，可以得到图10所示的减压阀出口处的压力曲线。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图9

图9 先导式减压阀模型

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图10

图10 先导式减压阀的压力特性曲线

分析图10的结果，可以看到当减压阀的入口压力为2 bar时，阀的输出压力近似于2 bar，因为此时减压阀口处于常开状态，减压阀没有工作。当减压阀的入口压力为5 bar和10 bar时，入口压力超过了阀的调定压力，减压阀起作用，输出压力基本稳定在2.5 bar附近。为了验证模型的正确性，利用学校的TC-GY01型液压传动与PLC控制综合实验台，进行油路连接以测试先导式减压阀的出口压力，如图11所示。测试前先根据仿真参数调节减压阀，并通过改变减压阀的入口压力来观测减压阀的出口压力。从测试的结果来看基本和上述仿真结果吻合。根据上述结果可以看出所建模型是正确的。进一步的修改减压阀的关键参数，就可以研究阀的各种静动态特性。

基于AMESim的减压阀的建模与分析（液压气动与密封）的图11

图11 先导式减压阀的出口压力实验

3 结语

本文在分析直动式和先导式减压阀结构特点和工作原理的基础上，依据主流液压仿真软件AMESim的建模机理，讨论了两种减压阀仿真模型创建的方法。所建立的模型具有通用性，针对具体的减压阀，可以在文中模型的基础上，根据阀的实际结构和几何参数进行微小调整就可以。模型还可用于减压阀的故障分析和样机的设计与优化，因此具有一定的工程参考价值。

参考文献

[1] 贾铭新.液压传动与控制［M］.北京：国防工业出版社，2001.

[2] 吴世特.先导式气动减压阀性能分析及实验研究［D］.杭州:浙江理工大学,2017.

[3] 廖友军,余金伟.液压传动与气动技术［M］.北京：北京邮电大学出版社，2012.

[4] 程萍,惠相君.基于AMESim的顺序阀特性分析与故障仿真［J］.机械，2015,(9).

[5] 惠相君.基于AMESim的溢流阀的建模与分析［J］.液压气动与密封，2016,(11).

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