先導(dǎo)式SMC減壓閥的靜動(dòng)態(tài)特性仿真分析

    先導(dǎo)式SMC減壓閥的靜動(dòng)態(tài)特性仿真分析
    由于其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)整個(gè)回路的工作狀態(tài)有影響，因此，需對(duì)減壓閥的工作特性進(jìn)行研究。針對(duì)典型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)式減壓閥，建立其數(shù)學(xué)模型和仿真模型，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)其輸出壓力、流量等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可對(duì)減壓閥的工作狀態(tài)和內(nèi)部機(jī)制有更深刻的理解。仿真結(jié)果表明: 利用AMESim 進(jìn)行仿真具有建模簡(jiǎn)便、模型、運(yùn)算快捷的，能夠有效節(jié)省試驗(yàn)和設(shè)計(jì)成本。
    SMC減壓閥是一種利用氣液流經(jīng)閥口節(jié)流作用產(chǎn)生壓力損失從而使出口壓力( 二次壓力) 小于入口壓力( 一次壓力) 的壓力調(diào)節(jié)閥，內(nèi)部通常利用結(jié)構(gòu)元件作用和壓力差的平衡從而保持穩(wěn)定輸出壓力。定壓輸出減壓閥從結(jié)構(gòu)上可以分為直動(dòng)式減壓閥和先導(dǎo)式減壓閥。先導(dǎo)式減壓閥雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但在靜態(tài)特性和穩(wěn)定性上優(yōu)于直動(dòng)式減壓閥，在中高壓氣液動(dòng)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。減壓閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對(duì)于整個(gè)回路系統(tǒng)的工作狀態(tài)有影響，因此，在液動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，有必要對(duì)減壓閥的工作特性進(jìn)行研究分析。
    1、SMC減壓閥的基本結(jié)構(gòu)
    SMC減壓閥主要由壓力調(diào)整機(jī)構(gòu)( 先導(dǎo)控制閥) 和流量控制機(jī)構(gòu)( 主閥) 兩部分組成，如圖1所示。先導(dǎo)式減壓閥的輸出壓力通過(guò)調(diào)整先導(dǎo)閥調(diào)節(jié)螺栓改變調(diào)壓彈簧的彈力得到。一次壓力油液從進(jìn)油口進(jìn)入高壓腔，經(jīng)過(guò)主閥芯與閥套間的節(jié)流縫隙，得到二次壓力，然后從出油口流出。二次壓力腔通過(guò)小孔或溝槽與主閥芯底部容腔相通，且通過(guò)主閥芯中部阻尼孔流入主閥芯上部容腔，進(jìn)而利用通孔將液壓力作用于先導(dǎo)閥的錐形閥芯上。
    當(dāng)二次壓力小于小設(shè)定輸出壓力時(shí)，先導(dǎo)閥的閥芯關(guān)閉，主閥芯在平衡彈簧作用下處于位置，此時(shí)主閥芯與閥套的節(jié)流縫隙大，控制窗口處于全開(kāi)狀態(tài)，主閥芯阻尼孔中無(wú)油液流動(dòng)，進(jìn)出容腔短接，減壓閥處于非工作狀態(tài)。當(dāng)二次壓力升高時(shí)，先導(dǎo)閥前腔壓力高于調(diào)節(jié)彈簧力，則先導(dǎo)閥打開(kāi)， 產(chǎn)生先導(dǎo)流量， 主閥閥芯底腔壓力升高，在壓力差的作用下克服平衡彈簧力向上移動(dòng)，主閥芯與閥套的節(jié)流縫隙減小，即控制窗口減小，二次壓力降低，經(jīng)過(guò)相互作用，直到作用在主閥閥芯上的液壓差與平衡彈簧的彈力在新的位置上達(dá)到平衡為止。
    SMC減壓閥此時(shí)，二次壓力為設(shè)定輸出壓力，而先導(dǎo)閥的閥芯處于微小開(kāi)啟的平衡狀態(tài)，而經(jīng)先導(dǎo)閥流出的油液流回油缸。當(dāng)輸入壓力或油液流量在一定范圍變化時(shí)，由于主閥芯與閥套間的節(jié)流縫隙變化相對(duì)量較小，且滑閥面積較大，可以使得輸出壓力始終保持在設(shè)定壓力附近，穩(wěn)定性較。
    介紹了氣體先導(dǎo)式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節(jié)流數(shù)學(xué)模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
    1、先導(dǎo)式減壓閥的概述
    減壓閥是一種自動(dòng)降低管路工作壓力的專門裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過(guò)高的區(qū)域、礦井和氣體管路等。隨著工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩(wěn)定，過(guò)流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間短，減壓和卸壓時(shí)間短，壓力調(diào)率低，開(kāi)展減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究，有利于了解其控制能力和狀態(tài)。
    2、先導(dǎo)式減壓閥的工作原理
    先導(dǎo)式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、先導(dǎo)閥芯、先導(dǎo)閥座、先導(dǎo)活塞和調(diào)整彈簧等組成(圖1) 。擰動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘，壓縮調(diào)整彈簧，頂開(kāi)先導(dǎo)閥芯，介質(zhì)從進(jìn)口側(cè)進(jìn)入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，使主閥打開(kāi)，由閥后壓力平衡調(diào)節(jié)彈簧的壓力改變導(dǎo)閥的開(kāi)度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開(kāi)度使閥后壓力保持恒定。
    SMC減壓閥假設(shè)氣體為氣體，滿足氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過(guò)程的溫度變化和節(jié)流處的阻尼，工作過(guò)程中節(jié)流處流量系數(shù)不變; 各容腔內(nèi)的壓力場(chǎng)均勻分布，氣源為恒壓源。
    SMC減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性兩種。靜態(tài)特性是指在穩(wěn)定流動(dòng)狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進(jìn)口壓力或流量等參數(shù)間的函數(shù)關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指在進(jìn)口壓力或流量突然變化或其他擾動(dòng)因素的作用下，減壓閥出口壓力與時(shí)間的函數(shù)關(guān)系。
    4.1、靜態(tài)特性
    靜態(tài)仿真結(jié)果如圖3 所示，P1為進(jìn)口試驗(yàn)壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗(yàn)數(shù)據(jù)，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進(jìn)口試驗(yàn)壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗(yàn)結(jié)果分析，進(jìn)口壓力為20 MPa 時(shí)，其試驗(yàn)數(shù)據(jù)和仿真P2 - 20數(shù)據(jù)變化
    趨勢(shì)基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過(guò)適當(dāng)振蕩后壓力逐漸穩(wěn)定，調(diào)量較小僅為3%，終試驗(yàn)數(shù)據(jù)穩(wěn)定在4. 35 MPa，P2 - 20穩(wěn)定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內(nèi)，模型較準(zhǔn)確。利用模型仿真的進(jìn)口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對(duì)比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線可以發(fā)現(xiàn)，三條曲線變化趨勢(shì)相同。在穩(wěn)定階段壓力波動(dòng)狀態(tài)*一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進(jìn)口壓力越小則出口壓力也越小，但比進(jìn)口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設(shè)計(jì)要求。
    進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗(yàn)和仿真數(shù)據(jù)
    1. P1—進(jìn)口試驗(yàn)數(shù)據(jù) 2. P2—出口試驗(yàn)數(shù)據(jù) 3. P2 - 20—仿真進(jìn)口壓力為20MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù) 4. P2 - 15—仿真進(jìn)口壓力為15MPa 時(shí)的出口數(shù)據(jù) 5. P2 - 10—仿真進(jìn)口壓力為10MPa 時(shí)的出口數(shù)