液压先导锥阀开启特性的仿真分析

　　0　引言

　　在液压系统中,各类阀是使系统能满足设计使用功能的基本液压单元,阀的良好性能是液压系统满足正常工作的必要前提。锥阀^[1]是许多阀类的重要组成部分,多数阀类的工作最小单元就是锥阀,而开启特性是所有阀类的重要指标。由于阀的工作状况决定了阀的加工精度要求较高,各个零件之间的加工尺寸的累积误差使得阀的特性显得极为敏感,不利于阀特性的控制,只有合理运用和设计锥阀的芯部,才可以使阀的特性达到使用要求,并能降低加工成本和获得较好的通配性。

　　锥阀的开启程度^[2,3]不仅与油液压力、流量有关,也和锥阀芯的外形有关,它主要的表现是开启程度与压力的变化相关。当我们把锥阀作为先导控制单元时,希望开启范围(当阀开启时压力到压力达到最大值)越小越好,此类锥阀常采用高刚度弹性支撑和小角度锥面设计,较小的开度意味着过阀流量的极小变化,这样使得压力波动对过先导锥阀的次级压力和流量产生较小的影响,从而使先导阀对受控单元进行稳定的预先控制,避免了阀自振和受控单元的摆动。

　　本文在对锥阀的结构及工作原理分析的基础上,建立了其等效单自由度振动模型,并借助MATLAB[4,5]强大的仿真功能,得出在不同参数下锥阀芯开口程度随时间的变化曲线,针对不同的功能要求,确定合理的弹簧刚度、锥阀阀芯角度和合适的阻尼系数。

　　1　锥阀的结构

　　锥阀的结构见图1。

　　2　液压锥阀的等效振动模型

　　在振动问题中,整个液压装置或某个液压组件均可等效成具有一定质量、弹性和阻尼的振动系统,通常简化为单自由度简谐激振力作用下的强迫振动系统,锥阀的单自由度振动模型见图2。该振动系统的运动微分方程为:

　　式中:——分别为系统加速度、速度、位移;

　　m——系统质量;

　　F——自振的作用力;

　　F——阻尼比,其中c为

　　ζ——阻尼系数,k为弹簧刚度;

　　ω_n——无阻尼固有频率,。

　　系统的特征方程为:

　　当阻尼比ζ=0(零阻尼)时:

　　当阻尼比ζ=1(临界阻尼)时:

　　当阻尼比ζ>1(过阻尼)时:

　　当阻尼比为0

　　可以看出,无阻尼固有频率只是弹簧刚度k和质量m的函数,与阻尼比无关。要想使该系统振动衰减或无振动,系统阻尼比ζ必须大于0(欠阻尼)或大于1(过阻尼)。