如何理解流量控制阀的Amesim仿真方法

流量控制阀,是指可以调节流经阀的液体流量,使之不受阀两侧压力变化影响的液压阀。这类阀的重要用途之一是调节执行元件的运行速度,因此也曾被普遍叫做调速阀。在最新国标《GB/T 17446—2012 流体传动系统及元件  词汇》中,“调速阀”的叫法已不再被采用,因此,本文使用了“流量控制阀”的说法。

一、流量控制阀的基本原理

流量控制阀通常由节流阀和定压差阀组成,因此我们先从节流阀和定差阀说起。

1.1 节流阀

节流阀是通过改变阀的开口面积,进而改变阀的液阻,以改变液体流量的液压阀,其大致结构如图1所示。

图1 节流阀示意图

关于节流阀,大家要知道以下两点:

  • 节流阀开口越大,液阻越小,液体越容易流通,反之则液体越难流通;
  • 当节流阀开口一定时,阀两侧的压差和通过的流量互为因果。

生活中有一种很常见的节流阀,就是水龙头。如果水网的压力保持恒定,而水龙头外的大气压力也基本是恒定的,那么可以认为水龙头两侧压差恒定,水流大小只与水龙头的开度有关,我们只需要打开水龙头到不同开度就可以获得想要的水流;如果水网的压力是变化的,忽大忽小,那么我们就无法或者很难得到固定的水流大小。

由以上例子可以看出,要想方便地通过调节节流阀开口获得所需的恒定流量,关键在于如何保持节流阀两侧压差恒定,而这就需要用到定压差阀。

1.2 定压差阀

定压差阀又被称为压差平衡元件,或压力补偿阀,一般与其他阀联合使用,大致结构如图2所示。

图2 定压差阀示意图

图2中,阀芯2在控制压力P1、P2和弹簧力Fs共同作用下保持平衡,假设阀芯两侧控制压力作用面积为A,则有:

通常情况下,弹簧1的刚度很小,阀芯2的运动范围也很小,因此Fs基本保持恒定。基于此,我们可以认为在阀的正常工作范围内,控制压差ΔP是恒定的,等于弹簧产生的压力。

需要指出的是,定压差阀对进出口的油液也具有节流效应,即出口压力小于进口压力。如图2所示,阀芯越靠左,开口A越小,节流效应越明显;反之,则节流效应会减弱。因此,“定压差”的说法是就“控制压差恒定”而言的;如果从进出口压力变化来看,也可称其为减压阀。如果将进出口分别与控制腔1和2联通,就构成了定差减压阀。

1.3 流量控制阀

将上述节流阀和定压差阀串联组合,就可以得到如图3所示的二通流量控制阀。其中,节流口2两侧的压力分别联通到定压差元件1的两个控制压力口,这样,在阀的正常工作范围内,节流口2两侧压差Pc-P2基本恒定,通过的流量只与其开口大小有关,不受阀两侧压力P1、P2变化的影响。

图3 二通流量控制阀示意图

二通流量控制阀对流量的调节过程如下:

  • 如果负载压力P2增大,则定压差阀芯1右移,定压差元件开口增大、液阻减小,Pc增大,直至P2、Pc和弹簧压力共同作用于阀芯1达到新的平衡,节流口两侧压差基本保持不变,流量也基本保持不变;如果负载压力P2减小,则有相反的调节过程,也可以保持流量恒定。

当然,这里提到的二通流量控制阀只是流量控制阀的一种,这类阀还有许多其他形式,比如三通流量控制阀、定压差阀后置型(注:图3所示为定压差阀前置型)等等。总体上来讲,它们的基本原理都是用定压差元件确保节流口两侧压差恒定,因此本文主要介绍二通流量控制阀的仿真方法,抛砖引玉。大家在做仿真分析时,可以根据具体阀的形式和仿真需求灵活建模。

二、二通流量控制阀的仿真方法

2.1 仿真模型的建立

二通流量控制阀的Amesim仿真模型如图4所示。关于该模型的元件子模型、参数等的详细设置,本文不再做过多说明。

图4 二通流量控制阀仿真模型图

2.2 仿真结果分析

仿真结果如图5所示。可以看出,尽管负载压力呈正弦变化,但节流口两侧压差保持恒定,基本维持在8.3 bar左右;通过阀的流量大小也不受负载压力变化的影响,它仅由节流口的开口信号决定。

图5 二通流量控制阀仿真结果曲线

改变仿真条件,保持节流口开口不变并逐渐增大出口压力再次仿真(注:详细仿真模型见模型文件FlowRegulator_2.ame,下载链接见文末),得到进出口压差变化时二通流量控制阀对流量的调节过程,如图6所示。可以看出,当进出口压差从20 bar变化到180 bar时,定压差阀芯位移有约0.4 mm的改变;同时,弹簧力大约增加2 N,节流口两侧压差大约增加0.01 bar,流经阀的流量也有相应的改变。当然,这些变化相对微小,可以忽略,因此可以认为二通流量控制阀起到了维持流量恒定的作用。

图6 进出口压差改变时阀的调节过程曲线

除此之外,本文的仿真模型还可用于分析更多二通流量控制阀的特性,比如液动力对阀响应的影响等等,本文不再详细叙述,有兴趣的小伙伴们可以进一步思考。

三、几点注意事项

  1. 流量控制阀正常工作是有条件的,这一点很重要!文中多次提到“在阀的正常工作范围内”,并对文字进行了加粗,就是为了提醒大家注意。如果阀两侧的压差低于弹簧压力,定压差阀芯移动到开口最大的位置后,二通流量控制阀就相当于两个串联的节流阀,通过的流量随压差的减小而减小,也就不能起到调节流量的作用了。事实上,液压领域的大部分元件正常工作都是有条件的,超出正常工作的范围就无法起到相应的作用。所以,我们在元件的设计选用和建模仿真时,一定要从基本原理出发对它们计算和分析,万万不可望文生义!
  2. 图7所示为二通流量控制阀更详细的结构示意图。如果仔细分析的话,其工作原理和图3是完全一致的,因此也可参考本文的建模方式(注:也可以根据需要对节流阀做更详细建模)。

有人可能会问,图7中的阀有更多腔和通道等,这些结构在模型中如何体现呢?对此,笔者的观点是,之所以会有这些更具体、更复杂的结构,主要是考虑了油液的流动和元件的加工装配;我们在仿真建模时,要更关注仿真对象背后的物理规律和数学模型,而不必过于在意其具体结构,尤其是那些对原理和性能影响较小的结构,可以根据仿真目的做适当简化。

Scroll to Top