基于AMESim新型先導式減壓閥設計與性能分析*

王小軍，孟利民，滿 輝

(安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001)

0 引言

減壓閥作為液壓設備中的重要液壓控制元件，是將進口壓力減至某一需要的出口壓力的一種壓力控制閥[1]。減壓閥作為一個局部阻力可以變化的節流元件，通過改變節流面積，形成不同的節流效應和壓力損失，從而達到減壓的目的。減壓閥在液壓設備的夾緊系統、潤滑系統和控制系統中應用廣泛[2]。

隨著液壓技術在現代機械工業領域的廣泛應用，對于適用于高壓、超高壓液壓系統的壓力控制閥提出了越來越高的要求[3]。近年來由于傳統先導減壓閥的結構與工作原理的限制，使其調定的最高壓力有限，動作存在滯后性，不能完全滿足高壓系統中對液壓控制閥的反應靈敏性及動作準確可靠性的要求。并且已有的研究大多是只考慮減壓閥各參數對減壓閥動態性能的影響[4-6]，對先導式減壓閥的動作靈敏性和可靠性的提升與改進研究較少[7]。

本文針對傳統減壓閥所存在的減壓穩定性、靈敏性等問題，設計一種基于壓電陶瓷材料的新型先導式減壓閥。采用二位三通電磁換向閥代替傳統先導閥，利用壓電陶瓷材料受壓產生的電信號控制減壓閥動作[8]?；谛滦拖葘綔p壓閥的模型，利用AMESim軟件進行仿真，與傳統先導式減壓閥相比較，對其性能進行分析研究。

1 減壓閥的結構與工作原理

新型先導式減壓閥由主閥和先導閥組合構成，其結構如圖1所示，主要由主閥座、主閥芯、主閥彈簧、主閥底座、二位三通閥、壓電陶瓷傳感器、電控模塊、電磁閥等構成。工作時，先導閥中的壓電陶瓷傳感器受到油液壓力作用，由壓力信號產生電信號，經過電控模塊的調理電路將信號放大并轉換為適合AD量程的信號送入AD轉換器進行數模轉換，電控模塊中的單片機讀取AD轉換的結果并與給定的閾值信號比較。當出口壓力小于設定值時，即當AD轉換的結果小于閾值信號，則單片機無控制命令，電磁控制閥的線圈不帶電，電磁閥銜鐵不動，此時二位三通換向閥閥芯不動，擋住了出油口，先導閥未開啟，減壓閥主閥芯在頂部主閥彈簧力的作用下，處于最低位置，主閥口處于最大開口量的位置，相當于一個固定節流口；當出口壓力大于設定壓力時，即當AD轉換的結果大于閾值信號，則單片機發出控制命令給電磁控制閥，電磁控制閥的線圈帶電，電磁閥銜鐵移動，從而推動二位三通換向閥閥芯移動，先導閥開啟，由于阻尼孔形成壓力損失的原因，主閥芯上部壓力小于底部壓力，從而主閥芯在壓力差作用下上移，以減小主閥口的開度，由于節流效應使得減壓閥出口側壓力降低，直到達到其設定壓力。新型先導式減壓閥的工作原理如圖2所示。圖2中，p為壓力，Q為流量，A為截面積。

1-主閥底座；2-主閥座；3-主閥芯；4-主閥彈簧；5-二位三通閥；6-壓電陶瓷傳感器；7-電磁閥

圖2 新型先導式減壓閥工作原理圖

2 減壓閥仿真分析

2.1 減壓閥的AMESim建模

根據減壓閥的工作原理，利用AMESim建立新型先導式減壓閥仿真分析模型，如圖3所示。同時參照閥的參數設置仿真模型參數，如表1所示。在該系統中，除先導式減壓閥模型創建取自液壓元件設計庫外，其余元件均采用標準液壓庫創建。

圖3 基于壓電陶瓷傳感器的新型先導式減壓閥AMESim模型

2.2 仿真結果分析

2.2.1 新型先導式減壓閥與傳統先導式減壓閥的壓力特性分析

減壓閥的壓力特性是指流量不變時，輸入壓力變化引起輸出壓力變化的特性。兩種減壓閥壓力特性曲線如圖4所示。由圖4可以看出：設定出口壓力值為5 MPa，入口壓力小于該設定值時，新型先導式減壓閥和傳統先導式減壓閥的出口壓力與入口壓力基本保持一致；當入口壓力大于該設定值時，出口壓力會作出相應調整，最終會穩定在該設定值附近，但是傳統先導式減壓閥在剛超過設定值附近時壓力超調量會明顯增大，易造成壓力沖擊，這對減壓閥系統的平穩性是不利的。

2.2.2 新型先導式減壓閥與傳統先導式減壓閥的流量特性分析

流量特性是指在輸入壓力不變時，輸出流量變化引起輸出壓力變化的特性。圖5為兩種減壓閥流量特性曲線。由圖5可知：設定減壓閥入口壓力為5 MPa，出口流量由0～30 L/min逐漸增大，新型先導式減壓閥出口壓力在較小的流量2 L/min下已達到穩定狀態，而傳統先導式減壓閥出口壓力在出口流量6 L/min左右才趨于穩定，且其超調量明顯較大，震蕩明顯。

2.2.3 新型先導式減壓閥與傳統先導式減壓閥的動態性能分析

圖6為兩種減壓閥出口壓力動態曲線。由圖6可知：新型減壓閥出口壓力約在0.05 s后穩定，達到其調定壓力5 MPa；與之相比，傳統先導式減壓閥出口壓力趨于穩定時間在0.12 s，且其壓力超調量約為135%，出口壓力震蕩明顯。由此可以得出，傳統先導式減壓閥的動態響應時間長，超調量明顯增大并且震蕩明顯，而且達到穩定壓力的時間較長。與傳統先導式減壓閥比，新型先導式減壓閥出口壓力的靈敏性和穩定性有較為明顯提升。這是由于新型先導式減壓閥的先導閥是由壓電傳感器感知壓力信號，電磁閥觸發動作，靈敏性要高于傳統先導式減壓閥中先導閥的機械彈簧的觸發動作。

圖4 兩種減壓閥壓力特性曲線 圖5 兩種減壓閥流量特性曲線 圖6 兩種減壓閥出口壓力動態曲線

3 結論

本文介紹了一種基于壓電陶瓷傳感器的新型先導式減壓閥，其在傳統的先導式減壓閥的基礎上運用了壓電陶瓷材料，并以二位三通電磁換向閥代替傳統的先導機構對減壓閥主閥進行控制。通過對其結構及工作原理的分析，并利用AMESim仿真軟件搭建其分析模型，對其壓力特性、流量特性以及出口壓力動態特性進行分析研究。結果表明：與傳統的先導式減壓閥進行比較，新型先導式減壓閥具有動作靈敏性高、運行平穩、不易造成沖擊的特性。