某型定值减压阀输出特性研究.pdf

BHydraulics Pneumatics&Seals/No.1.2024doi:10.3969/j.issn.1008-0813.2024.01.014某型定值减压阀输出特性研究刘?雨,王晋芝,谢文龙（1.中航力源液压股份有限公司，贵州贵阳5 5 0 0 18；2.苏州力源液压有限公司，江苏苏州2 15 15 1）摘要：针对某型定值减压阀在系统压力上升过程中，出现输出压力迟缓及爬升现象，利用AMESim软件搭建定值减压阀模型进行仿真分析，得出了阀芯结构及尺寸公差分布是定值减压阀出现不同的品质差异的主要原因，并基于AMESim软件对阀芯关键尺寸进行了多目标优化，最后，通过试验验证了仿真结果的准确性。关键词：定值减压阀AMESim；目标优化；研究中图分类号：TH137Abstract:Focus on the pressure slower climbing faults of fixed pressure reducing valve for system pressure building process,Establishedsimulation model of fixed pressure reducing valve based on AMESim sofware,and concluded that the main reason for the dference of qualitywas that the spool structure and dimension tolerances,and started multi-objective optimization for key size based on AMESim software.Finally,through the experiment verify the correctness of the relevant simulation conclusion.Key words:fixed pressure reducing valve;AMESim;multi-objective optimization;study0引言BVD平衡阀是一种广泛应用于行走机械和卷扬机械的控制阀，与行走和卷扬减速机中的液压马达配套使用,其主要为行走机械和卷扬机械提供制动并防止负载发生突变时出现失速滑落。其中，定值减压阀是BVD平衡阀的核心组件之一,其直接决定了机械制动器的启闭特性的优劣。某型带BVD平衡阀的马达中,发现定值减压阀在1.5MPa以下输出压力明显迟缓，使得制动器开启不完全，而2.5 MPa以上压力爬升无法稳定，使得制动器压力超过最高允许压力。以上现象导致刹车片异常磨损和制动器腔壁破损，进而导致行走和卷扬系统的制动功能丧失,严重时甚至发生安全事故。为了解决上述问题，利用AMESim软件搭建定值减压阀的仿真模型，对比分析仿真与试验结果，优化了定值减压阀的性能收稿日期：2 0 2 3-0 2-0 7作者简介：刘雨（1990-）,男,贵州遵义人,工程师,硕士，主要从事液压泵及马达的研发设计工作。文献标志码：A文章编号：10 0 8-0 8 13(2 0 2 4)0 1-0 0 7 9-0 5Study on Characteristics of Fixed Pressure Reducing ValveLIU Yu,WANG Jin-zhi,XIE Wen-long?(1.China AVIC Liyuan Hydraulic Inc.,Guiyang 550018,China;2.Liyuan Hydraulic(Suzhou)Co.,Ltd.,Suzhou 215151,China)3.溢流阀4.平衡阀5.补油单向阀6.梭阀7.液控阀8.定值减压阀图1履带行走液压系统1定值减压阀功能简介履带行走液压系统原理图如图1所示，A,B口为工作油口,Br为制动器控制油口,S口为补油口,T为泄油口。A或B工作压力经定值减压阀Br口后输出压力使制动器开启，同时打开平衡阀允许马达旋转工作。其中,制动器开启压力范围为1 1.8 MPa,BVD平衡79品质，为BVD平衡阀用定值减压阀的设计提供了重要参考。BSBrA1.制动器2.马达AGL87654液压气动与密封/2 0 2 4年第1期阀梭阀开启压力为1.9 3.2 MPa,定值减压阀Br口输出压力为12.5 MPa，三者间最佳的匹配关系如图2所示。进口压力台阶1Br口弹簧面OC4(1.93.2 MPa)梭阀开启压力3(11.8 MPa)制动器压力10图2 各液压元件最佳匹配关系在行走启停过程中,BVD平衡阀梭阀、定值减压阀、机械制动器之间的开启顺序如下：（1）马达进口压力小于1MPa,Br口压力清零，制动器腔内压力为零,以避免制动器刹车功能削弱；（2）马达进口压力在11.8 MPa之间,Br口压力与进口压力同步上升，制动器腔内压力升高压缩弹簧，直至制动器完全打开；（3）马达进口压力为1.9MPa时梭阀初开启，允许行走动作,进口压力在1.9 2.5 MPa阶段,进口压力与Br口压力同步上升,梭阀开度增大；（4）马达进口压力在2.5 3.2 MPa阶段，马达进口压力逐渐完成梭阀的最大开启，定值减压阀使得制动腔压力限制在最大保护2.5 MPa。综上所述，定值减压阀需要完成制动器的预开启、平衡阀的次开启（可行走）、制动器内腔压力最大限制及制动器释放速度的控制。因此,定值减压阀与平衡阀、制动器的匹配及输出特性直接影响了主机行走启停功能的优劣。2仿真分析2.1工作原理BVD平衡阀用定值减压阀结构示意图如图3 所示，初始状态下，阀芯在弹簧的作用下处于左位，进口油液经阀套外缝隙进入阀芯左端尾部,Br口与回油口通过阀芯与阀套间隙沟通。当进口压力增大时,进口油液推动阀芯向右移动,且经阀芯中孔与Br 口沟通，当压力逐渐增大时，阀芯台阶1逐渐使得阀套孔关闭，在节流的作用下，阀芯尾部压力下降，最终使得Br口压力维持在设定压力左右。80阀套阀芯台阶2图3 定定值减压阀结构示意图阀输出压力(12.5 MPa)12进口压力/MPa回油口2.2仿真建模为提升定值减压阀的性能品质，基于AMESim搭建如图4定值减压阀的仿真模型。335A定值减压阀BPO图4AMESim仿真模型如图4所示，进口压力油液经阀芯控制进入Br口，输出一个控制压力至制动器,相关参数设置如表1所示。表1仿真模型参数设置结构名称阀芯直径/mm阀芯与阀套A处配合间隙/mm阀套与阀体B处配合间隙/mm阀芯与阀套C处配合间隙/mm阀芯D处台阶面高度/mm阀芯E处台阶面高度/mm定值减压阀弹簧刚度/Nmm一阀芯台阶面至阀套孔距离/mm阀芯台阶面距离/mm制动器容腔尺寸/mm制动器行程/mm制动器弹簧刚度/Nmm-1制动器弹簧预紧力/NBCHPBrEEoWo-d1028/mm,10个3000M制动器DEFOGF数值60.020.020.020.20.45232.90.7$177.71.51023800Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.20242.3优化分析定值减压阀产品性能包含快速建压、压损最小、建压范围1.5 MPa、延迟时间约小于0.6 s这4项核心要求，主要涉及AH 这8 个主要设计参数；因此，建立以下2 个优化目标以分析AH的最优匹配参数：（1）加压过程中,Br口建压快速,压损最小；（2）停车后，Br口压力延迟时间约为0.6 s。针对的优化目标(1）的处理方法如图5 所示，分别指定进口压力为1.2,2.6 MPa两处进行仿真计算，优化目标是该值与理想值之差最小。3.0-理想值2.5一计算值全范围内的差值为零0.5时即为最优目标解101进口压力/MPa图5 优化目标(1)图解针对的优化目标(2)的处理方法如图6 所示,在进口压力瞬间取消后,Br口由于制动器保压作用存在延迟释放时间；可指定停车后0.5 s，优化目标为Br口压力的计算值与理想值之差为最小。2.5差值为零即2.0为最优解1.5x_1=0.5011.0y_1=12.09470.5理想值一计算值00.10.20.30.40.50.60.7时间/s图6目标优化函数二围绕着以上2 个优化目标，在AMESim建立优化函数如图7 所示。ControlsResponsesExportnameUsed Units Default value Low level Highm0.02C1mmmmC2mmmm/m0.452.9-0.7图7控制参数及控制目标2.4设计参数贡献度分析针对目标(1)制定目标函数一,分别满足进口压力1.2MPa和2.6 MPa时最优值,各参数尺寸对目标函数一的贡献度如图8 所示。DF1D/FC1C1/DBB/D01020304050607080贡献度%(a)进口压力1.2 MPaDFD/FA/FAB010(b)进口压力2.6 MPa23Compound Output Parameters,0.010.050.020.020.020.2口贡献度口贡献度2030405060贡献度%4图8 各尺寸对目标函数一贡献度针对目标(2)制定目标函数二,要求满足进口压力瞬间消除后,延迟0.5 s时Br口压力与最优值差，各参数尺寸对目标函数二的贡献度如图9所示。EBB/EC1/EC1B/C1/EB/C101020 304050607080贡献度%图9各尺寸对目标函数二贡献度贡献度可综合得出各结构尺寸对阀性能的影响大小,各参数尺寸对不同目标函数一、二得出的贡献度图谱汇总如表2 所示。由表2 可知,D尺寸最重要,E,F尺寸次之,D和E尺寸功能都为节流作用，贡献度严重相，故不允许设计成相同的尺寸；此外需要严格控制B和C值公差。2.5仿真优化对原始设计的故障溯源0.010.010.010.2200.22.5-0.5口贡献度0.050:05Export Hal Expression0.050.8min_aim_1globMin(aim_1)0.825min_aim_2Min(restrict(aim_1,7,8)3.3-1min_aim_3Min(restrict(aim_1,0.6,1)工经贡献度分析后,可知尺寸重要度依次为D,E,F,B,C 值;且D 和E不允许设计成相近值,否则不能同时实现目标一、目标二的功能要求。原始设计和改进后设计的阀芯对比如图10 所示。如图10 所示，原始设计中,D和E尺寸设计成相同槽孔，导致常见故障不是停车刹车过快，就是制动Br口压力减压缓慢导致烧伤刹车片，因此采用大小槽结81液压气动与密封/2 0 2 4年第1期构，同时满足2 个优化目标函数的要求。同时，在设计及制造中未严格控制B,C尺寸，常常出现高压时Br口压力爬升失调。优化后的仿真结果如图11所示。表2 结构尺寸设计重要度分析贡献度结构目标一1.2 MPa2.6 MPaA0B0C10C20D75%E0F12%G0H0图10改进前后阀芯结构差别3.00.502.52.01.51.00.500.20.40.60.81.01.21.4时间/s图11改进前后阀芯差别82如图11所示,改进后制动腔压力与理论曲线基本一致，从而避免了相关故障的发生。3验证试验为验证仿真结果的正确性，对某型带定值减压阀的BVD平衡阀开展试验,改进前后Br口建压试验结果设计指导分析对比如图12 所示。目标二（依据数值占比）0.5%00.5%7%次重要（严格公差减半）05%0059%0076%36%00000(a)旧有结构大小双槽(b)改进结构123进口压力/MPa3.0一般（适当减小公差）一般（需减小公差）无意义(等同C1)极重要（严格控制）重要(控制尺寸)重要（控制公差）无意义（放宽公差）无意义（放宽公差）单槽45670.503.02.52.01.00.50图12 改进前后Br口建压过程对比如图12 所示，原结构Br口压力与理想值相差较大，而优化后的结构Br口压力与理想值接近，定值减压阀的性能得到提高，试验结果与仿真值基本吻合。改进前后刹车延迟时间试验结果对比如图13所示。4.54.03.53.0252.01.51.00.500.8图13改进前后刹车延迟时间对比如图13 所示，改进前后结构压力延迟时间近似，均满足指标要求，说明改进后的结构不影响原结构的刹车延迟时间。11制动器最大开启点制动器0.5 s测试值1.2 MPa制动器最初开启点停车延迟时间1.01.22345进口压力/MPa(a)原结构2345进口压力/MPa(b)改进结构一旧有阀*优花改进阀1.41.6时间/s67671.82.0Hydraulics Pneumatics&Seals/No.1.20242梁全,苏齐莹.液压系统AMESim计算机仿真指南M.北4结论京：机械工业出版社,2 0 14.8本研究基于AMESim软件对定值减压阀进行了仿3王积伟.液压传动M.北京：机械工业出版社,2 0 0 6.4王晋芝，刘雨，杨华，等.液压操作手柄控制系统优化设计真建模和分析，得到了原有结构存在重大设计缺陷的J.液压气动与密封,2 0 2 0,40(11):5 1-5 5.根本原因，并通过多目标优化对定值减压阀阀芯进行5吴晓明，高殿荣.液压变量泵（马达)变量调节原理与应用了优化。试验结果表明，改进后的结构在不改变刹车M.北京：机械工业出版社,2 0 18.延时时间的基础上可以提高定值减压阀的建压性能，6黄浩，陈义训，金晓宏.一种液压多功能集成阀试验台设从而提高主机的刹车性能，减小相关故障率。计与研究J.机电工程,2 0 2 2,3 9（6）：8 3 9-8 45.参考文献7范宜霖，王剑，雷艳，等.动态压差控制阀流场及流量控制1付永领,齐海涛.LMS Imagine.LAB AMESim系统建模和特性研究J.流体机械,2 0 2 2,5 0（1）：6 8-7 4.仿真M.北京：北京航空航天大学出版社,2 0 11.引用本文：刘雨，王晋芝，谢文龙.某型定值减压阀输出特性研究J.液压气动与密封,2 0 2 4,44（1）：7 9-8 3.LIU Yu,WANG Jinzhi,XIE Wenlong.Study on Characteristics of Fixed Pressure Reducing Valve J.Hydraulics Pneumatics&Seals,2024,44(1):79 83.+中国液压液力气动密封工业年鉴（2 0 2 1）出版发行2023年11月2 2 日，由中国液压气动密封件工业协会编撰、机械工业出版社有限公司出版的中国液压液力气动密封工业年鉴（2 0 2 1）首发仪式在江苏省常州市举行，仪式由协会新媒体主管李享主持，协会秘书长赵曼琳介绍了年鉴的编订情况及其对于广大企业的价值，年鉴主要作者畅谈了编撰年鉴的体会，机械工业出版社有限公司社长助理、机械分社社长丁诚介绍年鉴的出版工作情况，并祝贺年鉴出版，协会理事长杜旭东、秘书长赵曼琳，机械工业出版社有限公司策划编辑张秀恩共同启动年鉴发布。最后，主持人启动年鉴7 折优惠征订，为感谢广大读者，特延长优惠期一个月，有意者请扫以下二维码进行联系，全文链接：https:/ 0 2 3 年第12 期T/CHPSA YY001-2023 T/CMES 24017-2023移动机械非金属液压油箱性能要求和试验方法标准发布2023年11月2 2 日，中国液气密协会在江苏常州举办了T/CHPSAYY001-2023T/CMES24017-2023移动机械非金属液压油箱性能要求和试验方法标准发布仪式，中国液气密协会理事长杜旭东、燕山大学机械工程学院副院长姚静、江苏恒立液压科技有限公司总裁助理李冬明等出席了仪式，仪式由液气密协会秘书长助理付华主持，液气密协会赵曼琳秘书长强调了标准化工作的重要性并宣布标准发布，张青松老师代表中国机械工程学会致辞,姚静副院长代表标准第一起草单位讲话，翟富刚教授代表标准制订工作组介绍标准主要内容。本项标准是中国液气密协会提出和归口的第一项团体标准,意义重大,标准由燕山大学牵头起草，,由中国液气密协会和中国机械工程学会联合发布，具有双标准号，特色鲜明，实现“产教融合、校企合作、产学研用、协同发展”，全文链接：https:/ 0 2 3 年第12 期83