低换向冲击直动式非线性比例换向阀设计与仿真
比例换向阀具有成本低、控制简单、抗污染能力强等优点,已被广泛用于液压控制系统。但阀在换向时会产生压力冲击及噪声。压力冲击也将影响连接于液压管路的其他元件,使其产生振动及噪声,甚至使系统中各元件提前疲劳损坏,降低使用寿命。目前工程上使用的降低比例阀液压冲击的方法主要有延长换向时间[1-2],在节流边上开节流槽或做成制动锥[3],通过使用非线性规律的放大器或改变控制算法,使线性比例阀换向初期阀芯缓慢移动,产生非线性流量。但是过分延长换向时间,将使执行元件启动、制动速度降低,影响液压系统的动态性能。开节流槽的阀芯易受附加液压力的作用[4],而且会产生较大的尖峰节流噪声。做成制动锥的方式,一般适用于通过流量较大的二级比例液动阀。而非线性控制器较普通放大器结构复杂,不仅增加成本,而且模拟元件易受温度等环境条件影响,效果不稳定。改变控制率则增加了算法的复杂程度,而且延长了阀打开时间,使阀通流能力增加变慢,降低了控制系统实时性。
作者设计了阀芯导流槽为三角形的直动式非线性比例阀,该阀在与线性阀阀芯运动速度相同的情况下,流量特性曲线为非线性曲线。在AMESim软件中,建立了非线性比例阀仿真研究模型,并根据换向阀冲击试验系统进行了该阀降低换向冲击的仿真研究。研究结果表明,比例阀模型正确,可用于进一步研究。使用非线性比例阀,可以大幅降低系统换向冲击及噪声。
1 非线性比例换向阀设计
1·1 非线性比例阀特点
与线性比例阀不同,非线性比例换向阀通过对阀芯导流槽进行特殊设计,使得阀芯在打开时,初期流量增加很缓慢,流量特性曲线斜率小于线性阀流量特性曲线斜率,而阀芯打开至一定程度,阀两侧压力一致后,流量将迅速增加,并在阀芯打开至最大时,达到最大流量,即要求非线性阀芯流量Q与阀芯位移x呈非线性关系。其特性曲线示意如图1所示。
1·2 阀芯导流槽形状设计[5]
比例换向阀为滑阀型换向阀,其通过流量为:
式中:CQ为流量系数;
A为阀口通流面积;
Δp为阀口前、后压差。
对于确定系统,CQ、Δp、ρ均为常数,则由式(1)可得:
Q=k1A
其中:
又根据A=Wx,得:
Q=k1Wx
其中:W为过流面积梯度;
x为阀芯与阀套开口大小。
若令W为x的函数,如W=kx、W=kx2,则阀的通过流量与阀芯位移为非线性关系,即阀的通流能力为非线性,可以满足设计要求。而W为x的一次函数时,曲线为一定斜率直线,此时,阀流量特性曲线为抛物线。
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