先导式SMC减压阀的静动态特性仿真分析

    先导式SMC减压阀的静动态特性仿真分析
    由于其静态和动态特性对整个回路的工作状态有影响，因此，需对减压阀的工作特性进行研究。针对典型结构的先导式减压阀，建立其数学模型和仿真模型，根据仿真结果对其输出压力、流量等静态和动态特性进行分析，可对减压阀的工作状态和内部机制有更深刻的理解。仿真结果表明: 利用AMESim 进行仿真具有建模简便、模型、运算快捷的，能够有效节省试验和设计成本。
    SMC减压阀是一种利用气液流经阀口节流作用产生压力损失从而使出口压力( 二次压力) 小于入口压力( 一次压力) 的压力调节阀，内部通常利用结构元件作用和压力差的平衡从而保持稳定输出压力。定压输出减压阀从结构上可以分为直动式减压阀和先导式减压阀。先导式减压阀虽然结构复杂，但在静态特性和稳定性上优于直动式减压阀，在中高压气液动系统中得到广泛应用。减压阀的静态和动态特性对于整个回路系统的工作状态有影响，因此，在液动系统设计中，有必要对减压阀的工作特性进行研究分析。
    1、SMC减压阀的基本结构
    SMC减压阀主要由压力调整机构( 先导控制阀) 和流量控制机构( 主阀) 两部分组成，如图1所示。先导式减压阀的输出压力通过调整先导阀调节螺栓改变调压弹簧的弹力得到。一次压力油液从进油口进入高压腔，经过主阀芯与阀套间的节流缝隙，得到二次压力，然后从出油口流出。二次压力腔通过小孔或沟槽与主阀芯底部容腔相通，且通过主阀芯中部阻尼孔流入主阀芯上部容腔，进而利用通孔将液压力作用于先导阀的锥形阀芯上。
    当二次压力小于小设定输出压力时，先导阀的阀芯关闭，主阀芯在平衡弹簧作用下处于位置，此时主阀芯与阀套的节流缝隙大，控制窗口处于全开状态，主阀芯阻尼孔中无油液流动，进出容腔短接，减压阀处于非工作状态。当二次压力升高时，先导阀前腔压力高于调节弹簧力，则先导阀打开， 产生先导流量， 主阀阀芯底腔压力升高，在压力差的作用下克服平衡弹簧力向上移动，主阀芯与阀套的节流缝隙减小，即控制窗口减小，二次压力降低，经过相互作用，直到作用在主阀阀芯上的液压差与平衡弹簧的弹力在新的位置上达到平衡为止。
    SMC减压阀此时，二次压力为设定输出压力，而先导阀的阀芯处于微小开启的平衡状态，而经先导阀流出的油液流回油缸。当输入压力或油液流量在一定范围变化时，由于主阀芯与阀套间的节流缝隙变化相对量较小，且滑阀面积较大，可以使得输出压力始终保持在设定压力附近，稳定性较。
    介绍了气体先导式减压阀的工作原理，建立了减压阀阀芯节流数学模型，分析了减压阀静态特性和动态特性。
    1、先导式减压阀的概述
    减压阀是一种自动降低管路工作压力的专门装置，作用是在给定减压范围后，将阀前管路较高的压力降低至阀后管路所需的水平。减压阀广泛用于高层建筑、城市给水管网水压过高的区域、矿井和气体管路等。随着工业控制精度的提高，减压阀的控制精度也逐步提高，要求阀后压力稳定，过流能力大，反向压力损失小，瞬态恢复时间短，减压和卸压时间短，压力调率低，开展减压阀静态和动态特性研究，有利于了解其控制能力和状态。
    2、先导式减压阀的工作原理
    先导式减压阀主要由阀体、主弹簧、主阀芯、主阀座、先导阀芯、先导阀座、先导活塞和调整弹簧等组成(图1) 。拧动调节螺钉，压缩调整弹簧，顶开先导阀芯，介质从进口侧进入活塞上方，由于活塞面积大于主阀阀芯面积，推动活塞向下移动，使主阀打开，由阀后压力平衡调节弹簧的压力改变导阀的开度，从而改变活塞上方的压力，控制主阀芯的开度使阀后压力保持恒定。
    SMC减压阀假设气体为气体，满足气体状态方程。忽略减压阀工作过程的温度变化和节流处的阻尼，工作过程中节流处流量系数不变; 各容腔内的压力场均匀分布，气源为恒压源。
    SMC减压阀的特性分静态特性和动态特性两种。静态特性是指在稳定流动状态下，减压阀出口压力与进口压力或流量等参数间的函数关系。动态特性是指在进口压力或流量突然变化或其他扰动因素的作用下，减压阀出口压力与时间的函数关系。
    4.1、静态特性
    静态仿真结果如图3 所示，P1为进口试验压力( P1 = 20MPa) ，P2为出口试验数据，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分别为进口试验压力为20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口压力。从试验结果分析，进口压力为20 MPa 时，其试验数据和仿真P2 - 20数据变化
    趋势基本相同，初始阶段出口压力快速上升。经过适当振荡后压力逐渐稳定，调量较小仅为3%，终试验数据稳定在4. 35 MPa，P2 - 20稳定在4.25MPa，两者有一定差异，但在可接受范围内，模型较准确。利用模型仿真的进口压力15 MPa 和10MPa下出口压力的变化情况，对比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲线可以发现，三条曲线变化趋势相同。在稳定阶段压力波动状态*一致，在不同压力下出口压力也不相同，进口压力越小则出口压力也越小，但比进口压力减小比例小，即出口压力变化小，符合减压阀设计要求。
    进口压力和出口压力的试验和仿真数据
    1. P1—进口试验数据 2. P2—出口试验数据 3. P2 - 20—仿真进口压力为20MPa 时的出口数据 4. P2 - 15—仿真进口压力为15MPa 时的出口数据 5. P2 - 10—仿真进口压力为10MPa 时的出口数