差动式溢流阀的仿真研究及性能分析

　　传统的溢流阀的设计、分析方法是基于一种半经验的方法。即按照阀的静态性能要求,根据经验确定阀的结构型式和参数,经过试验获得阀的静、动态性能;当阀的性能不满足设计要求时,需要再经过设计调整阀的相应结构参数,然后重新试验获得改进后的阀的静、动态性能。这就势必造成一个反复由设计到试验的研制过程,其带来的问题是:设计周期长,设计成本高^[1]。为了解决这一问题,针对确定的溢流阀的结构型式,根据静态性能要求,初步确定溢流阀的结构参数,运用MATLAB命令实现其动态特性的仿真研究与参数修正,并利用试验验证其动态特性,以达到改善阀的过渡过程品质,实现性能优化的目的。

　　1 差动式溢流阀的结构及工作原理

　　螺纹插装式差动溢流阀的工作原理如图1所示。该溢流阀的调定压力由调节螺柱1调整,并由螺母2锁紧。当进口压力P₁小于调压弹簧的调定压力时,阀芯6在弹簧力的作用下处于右端位置,阀口关闭。当阀的进口压力大于调压弹簧的调定压力时,阀芯6左移,阀口打开,溢流阀溢流,依靠阀芯差动面积上的液压力与弹簧力平衡的原理工作。阀芯6采用锥阀式结构,与阀套8采用线接触,故密封性好。阀芯6的表面上加工均压槽以减少不平衡的径向力。运用阀芯6中间细长孔的阻尼形成的压力差的反馈作用,稳定阀芯运动,同时也防止了调压弹簧腔形成封闭油室而影响阀芯的运动^[2]。

　　2 差动式溢流阀数学模型的建立

　　图2为差动式溢流阀计算原理图^[3]。阀的进口压力由弹簧调定。当阀的进口流量发生变化时,进口油压也发生变化,由此引起阀芯的移动,从而改变通流面积,力图使压力恢复到原调定值上。因此,根据控制系统理论,可将溢流阀看成是一个闭环调节系统,它的输入是进口流量的变化,而输出是进口压力的变化,反馈是阀芯的位移。溢流阀的动态特性主要是研究进口流量与进口油压之间的关系。由于线性控制理论的分析方法可以直接判断出阀的各个环节和参数对于阀的性能的影响,因此采用传递函数法建立数学模型^[4]。

　　根据阀芯受力得阀芯力平衡方程为:

　　式中: A₃₂-阀芯的差动面积, A₃₂=; A₃-阀芯大端的面积; A₂-溢流阀阀口的通流面积; m-运动件的质量,它等于阀芯质量及三分之一弹簧质量之和; B-阀芯的粘性阻尼系数; B_t-瞬态液动力产生的阻尼系数, B_t=C_dwL; F_s-作用在阀芯上的稳态液动力,其表达式为:; K_D-稳态液动力系数; C_v-速度系数; C_d-阀口的流量系数;w-阀口面积梯度;θ-油流与阀芯轴线夹角; L-阻尼长度; K_s-调压弹簧刚度; x₁-阀口开度为零时的弹簧预压缩量; x-阀芯位移。