劉昱杰，徐 春，胡旭明

(中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院，北京 100029)

蛇形管彎管機(jī)是加工大型電站鍋爐元件蛇形管的重要設(shè)備[1]。為了保證蛇形管的加工質(zhì)量，需要保持蛇形管彎管機(jī)關(guān)鍵元件減壓閥出口壓力的穩(wěn)定。然而傳統(tǒng)直動(dòng)式減壓閥工作時(shí)，存在出口壓力超調(diào)量大、穩(wěn)定性差等問(wèn)題[2-4]，嚴(yán)重影響了蛇形管的加工質(zhì)量，進(jìn)而制約了鍋爐性能的發(fā)揮。鑒于此，本文設(shè)計(jì)了一種環(huán)形阻尼新型減壓閥，在分析閥工作原理的基礎(chǔ)上，利用AMESim仿真軟件建立閥的仿真模型并進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了模型的正確性及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性，所得研究結(jié)論對(duì)減壓閥的改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。

1 環(huán)形阻尼新型減壓閥結(jié)構(gòu)及工作原理

設(shè)計(jì)的環(huán)形阻尼新型減壓閥結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖1所示，該新型減壓閥由傳統(tǒng)的直動(dòng)式減壓閥和由穩(wěn)壓活塞及穩(wěn)壓活塞腔形成的環(huán)形阻尼孔并聯(lián)而成。工作過(guò)程中，利用環(huán)形阻尼孔的節(jié)流作用來(lái)加快轉(zhuǎn)換、吸收減壓閥工作時(shí)的壓力振動(dòng)[5-7]：當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力高于減壓閥動(dòng)作壓力時(shí)，主閥芯在液壓力的作用下，克服彈簧力和摩擦力的作用使閥口變小，實(shí)現(xiàn)減壓。環(huán)形阻尼孔的節(jié)流阻尼作用使減壓閥的開啟過(guò)程變得平穩(wěn)。

1—調(diào)節(jié)螺母；2—左端蓋；3—閥體；4—調(diào)壓彈簧；5—主閥芯；6—穩(wěn)壓活塞；7—右端蓋

2 AMESim建模及仿真分析

2.1 模型建立

根據(jù)環(huán)形阻尼新型減壓閥的結(jié)構(gòu)及工作原理，利用 AMESim 仿真平臺(tái)提供的元件設(shè)計(jì)庫(kù)平臺(tái)，搭建傳統(tǒng)直動(dòng)式減壓閥液壓回路及環(huán)形阻尼新型減壓閥液壓回路仿真模型[8-9],如圖2所示，減壓閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 減壓閥主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 兩種不同減壓閥動(dòng)態(tài)回路AMESim仿真模型

2.2 仿真分析

2.2.1仿真驗(yàn)證分析

傳統(tǒng)減壓閥出口壓力變化曲線和環(huán)形阻尼新型減壓閥出口壓力變化曲線如圖3所示。由圖3(a)可以看出，傳統(tǒng)減壓閥出口壓力峰值約為7.21 MPa，穩(wěn)定壓力約為3.81 MPa，達(dá)到穩(wěn)定壓力所需時(shí)間約為0.40 s，壓力波動(dòng)幅值和頻率較大；由圖3(b)可以看出，環(huán)形阻尼新型減壓閥出口壓力峰值約為7.18 MPa，穩(wěn)定壓力約為3.81 MPa，達(dá)到穩(wěn)定壓力所需時(shí)間約為0.06 s，壓力波動(dòng)幅值和頻率較小。仿真驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)環(huán)形阻尼新型減壓閥提升彎管機(jī)液壓系統(tǒng)回路壓力沖擊幅值、頻率及響應(yīng)時(shí)間等性能的可行性。

圖3 減壓閥出口壓力變化曲線

將表1中主閥彈簧預(yù)緊力300 N、主閥閥芯直徑10 mm代入減壓閥出口壓力計(jì)算公式P=F/A,，式中P為減壓閥出口壓力，F(xiàn)為調(diào)壓彈簧預(yù)緊力，A為主閥閥芯作用面積，計(jì)算得出減壓閥出口穩(wěn)定壓力為3.83 MPa，與仿真所得穩(wěn)定壓力值基本一致，證明了所建立模型的正確性和精確性。

2.2.2環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響仿真分析

保持環(huán)形阻尼孔間隙寬度為0.25 mm，利用AMESim批處理功能，設(shè)定環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度分別為15，25，30 mm，研究環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度的變化對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響。仿真得到不同環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度的減壓閥出口壓力曲線，如圖4所示。由圖可以看出，環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度的變化對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)性能有一定的影響。在一定范圍內(nèi)，隨著環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度的增加，減壓閥出口壓力波動(dòng)時(shí)間逐漸縮短，壓力波動(dòng)的幅值及頻率逐漸降低，最終穩(wěn)定壓力值較理論計(jì)算值也有所降低。

圖4 不同環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度減壓閥出口壓力曲線

2.2.3環(huán)形阻尼孔間隙寬度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響仿真分析

保持環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度為30 mm，利用AMESim批處理功能，設(shè)定環(huán)形阻尼孔間隙寬度分別為1.0,0.5,0.1 mm，研究環(huán)形阻尼孔間隙寬度對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響。仿真得到不同環(huán)形阻尼孔間隙寬度的減壓閥出口壓力曲線，如圖5所示。由圖5可以看出，環(huán)形阻尼孔間隙寬度對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)性能的影響較大。在一定范圍內(nèi)，隨著環(huán)形阻尼孔間隙寬度的減小，減壓閥出口壓力波動(dòng)時(shí)間逐漸縮短，壓力波動(dòng)的幅值及頻率逐漸降低，穩(wěn)定壓力值較理論計(jì)算值有所降低。當(dāng)環(huán)形阻尼孔間隙寬度小于某個(gè)臨界值時(shí)，本文實(shí)例中為0.1 mm，減壓閥出口穩(wěn)定壓力減小明顯，調(diào)壓偏差大。

圖5 不同環(huán)形阻尼間隙寬度下減壓閥出口壓力曲線

2.2.4穩(wěn)壓活塞質(zhì)量對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性影響仿真分析

保持環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度為30 mm、環(huán)形阻尼孔間隙寬度為0.25 mm，利用AMESim批處理功能設(shè)定穩(wěn)壓活塞質(zhì)量分別為0.25,1.00,1.50 kg，研究活塞質(zhì)量的變化對(duì)閥動(dòng)態(tài)特性的影響。仿真得到不同穩(wěn)壓活塞質(zhì)量的減壓閥出口壓力曲線，如圖6所示。由圖6可以看出，減壓閥穩(wěn)壓活塞質(zhì)量對(duì)減壓閥動(dòng)態(tài)性能的影響較小。在一定范圍內(nèi)，即使活塞質(zhì)量增加，減壓閥出口壓力沖擊的幅值和頻率、閥響應(yīng)時(shí)間及最終穩(wěn)定壓力值也基本保持不變。

圖6 不同穩(wěn)壓活塞質(zhì)量下減壓閥出口壓力曲線

3 結(jié)論

本文對(duì)傳統(tǒng)直動(dòng)式減壓閥結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，設(shè)計(jì)了一種環(huán)形阻尼新型減壓閥，利用AMESim仿真軟件建立閥仿真模型，仿真分析了環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度、環(huán)形阻尼孔間隙寬度以及穩(wěn)壓活塞質(zhì)量對(duì)閥動(dòng)態(tài)性能的影響，得到如下結(jié)論：

1)隨著環(huán)形阻尼孔長(zhǎng)度的增加，減壓閥出口壓力波動(dòng)時(shí)間逐漸縮短，壓力波動(dòng)的幅值及頻率逐漸減小，穩(wěn)定壓力值較理論計(jì)算值低。

2)隨著環(huán)形阻尼孔間隙寬度的減小，減壓閥出口壓力波動(dòng)時(shí)間逐漸縮短，壓力波動(dòng)的幅值及頻率逐漸減小，穩(wěn)定壓力值較理論計(jì)算值低。當(dāng)環(huán)形阻尼孔間隙寬度低于某個(gè)臨界值時(shí)，減壓閥出口最終穩(wěn)定壓力減低明顯，調(diào)壓偏差大。

3)隨著活塞質(zhì)量的增加，減壓閥出口壓力沖擊的幅值和頻率、閥響應(yīng)時(shí)間及最終穩(wěn)定壓力基本保持不變。

本文所得結(jié)論對(duì)減壓閥的改進(jìn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值。