郑建丰;安甫;高荣
【摘 要】Hydraulic flow priority valve can provide accurate flow control for system of large load change, its perfor-mance will affect the control precision and reliability of the hydraulic system. Based on the hydraulic flow priority valve with a deep understanding of the structure and working principle, according to the fault characteristics of ap-peared in the process of actual use, AMESim simulation software is used to establish the corresponding simulation model. The simulation results compared with fault testing curve, verified the simulation model is correct. Finally, op-timization design of the hydraulic flow priority valve is fulfilled through the parameter adjustment. The optimization design can provide beneficial help for hydraulic flow priority valve improvement.%液压流量优先阀可以为负载变化大的系统提供精确的流量控制,其性能好坏直接影响到系统的控制精度及可靠性.在对液压流量优先阀结构及原理深入理解的基础上,针对实际使用过程中优先阀出现的故障特征,利用AMESim仿真软件建立其仿真模型,将仿真结果与故障测试曲线对比,验证了仿真模型的正确性;通过参数 调整对该液压流量优先阀进行了优化设计,给出了液压流量优先阀在设计及使用过程中的注意事项.
【期刊名称】《流体传动与控制》
【年(卷),期】2015(000)005
桃园采集【总页数】6页(P31-36)
【关键词】优先阀;故障特征;仿真;优化设计
【作 者】郑建丰;安甫;高荣
【作者单位】徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司 江苏徐州 221004;徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司 江苏徐州 221004;徐工集团工程机械股份有限公司道路机械分公司 江苏徐州 221004
【正文语种】中 文
【中图分类】TH137
液压流量优先阀由于其优先口可以提供一个恒定的流量，用于负载变化大的油路进行精确的执行器速度控制，而且多余的流量可以通过旁通口流往第二油路进行其他执行器的控制。所以该类型的液压阀在工程机械转向回路、自动调平回路等不受负载影响的稳定流量控制回路中被广泛应用，而其性能的好坏也直接影响到系统的控制精度及可靠性。
本文基于某型轮式摊铺机转向液压系统中的液压流量优先阀故障特征，利用AMESim仿真软件对该阀进行数字仿真，并结合试验测试曲线，验证建模的正确性；最后通过参数调整对该阀进行优化设计，并给出液压流量优先阀在设计及使用过程中的注意事项，用于指导实际应用。 液压流量优先阀结构如图1所示。
液压流量优先阀主要由阀套、阀芯和阀体三部分组成。当进油口的流量小于优先口的设定流量时，阀芯2没有动作，进油口的流量完全从优先口流出，旁通口无流量流出；当进油口的流量大于优先口的设定流量时，阀芯2在节流口r1前后压差的作用下，压缩弹簧达到平衡工作位置，将旁通口打开，多余的流量从旁通口流出，此时优先口通道变小，对节流口r1后端面压力起到补偿作用，维持节流口r1两端的压差保持不变，从而使优先口流出的流量
基本保持恒定。
在正常工作状态下，阀芯达到平衡工作位置，其受力及流量方程如下：
式中，A为阀芯2的有效作用面积；
F为弹簧预紧力；
K为弹簧刚度；
x为阀芯2的位移；
Δp=p1-p4为节流口r1两端的压力差；
q3为优先口的流量；
C为节流口流量系数；
Ar为节流口r1的有效节流面积。
某型轮式摊铺机转向液压系统中使用了液压流量优先阀，如图2所示。
在该液压系统中，将转向优先阀（优先口设定流量15 L/min）、调平优先阀（优先口设定流量4 L/min）和减载优先阀（优先口设定流量6 L/min）串联使用，充分发挥优先阀提供恒定流量的精确控制特点。为方便理解，优先阀的优先口油路中的负载及旁通口油路中的负载都用可变节流阀来模拟。
直播延时在实际应用中，当减载优先阀旁通口油路中的液压缸负载逐渐增大（大约大于6 MPa）时，旁通口压力发生震荡，转向优先阀出现剧烈的啸叫并且阀体有振动现象，如图3所示，并在多次调试后，发生弹簧断裂现象。
将转向优先阀单独连接于液压试验台，对旁通口逐渐缓慢地加压，当优先阀的旁通口压力达到约7 MPa时，优先阀出现剧烈的啸叫声并且阀体有振动现象，如图4、图5所示。试验台所出现的故障现象基本和摊铺机优先阀液压系统一样。
由此判断，该轮式摊铺机优先阀液压系统的故障是由转向优先阀引起的。
根据转向优先阀（优先口设定流量15 L/min）的试验台测试及摊铺机优先阀液压系统的故障特点，分别建立元件及系统仿真模型进行故障模拟。
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3.1 转向优先阀的建模及仿真
根据图1所示优先阀的结构及工作原理，在AMESim仿真软件中建立转向优先阀模型如图6所示。
根据优先阀的结构尺寸及相关液压理论，设定仿真模型参数如表1所示。
根据实际情况，设定液压泵的输入转速为2 250 r/min，液压泵的排量为19.9 mL/r，液压泵的容积效率为0.9，机械效率为0.92，溢流阀的开启压力为21 MPa。旁通口通过节流阀逐渐加载至压力震荡，后逐渐减小。仿真结果如图7～图10所示。
从图7～图10中可以看出，当旁通口压力加载至约7 MPa时，阀芯在整个行程位移中发生来回震荡，从而引起优先口流量及旁通口流量的大幅波动，进而造成阀体振动。仿真曲线和试验测试曲线基本吻合，验证了仿真模型的正确。
3.2 摊铺机优先阀液压系统的建模与仿真
为模拟摊铺机优先阀液压系统故障，可以按照转向优先阀的建模方法，分别建立调平优先
阀及减载优先阀仿真模型，并且将以上三种优先阀串联组成摊铺机优先阀液压系统仿真模型，如图11所示。
为接近实际工况，仍然设定液压泵的输入转速为2 250 r/min，液压泵的排量为19.9 mL/r，液压泵的容积效率为0.9，机械效率为0.92，溢流阀的开启压力为21 MPa。减载优先阀旁通口油路中的液压缸负载通过节流阀逐渐加载至压力震荡，然后将负载增大至泵出口溢流阀卸荷，该过程可以用来模拟液压缸的无惯性负载动作。仿真结果如图12～图15所示。
从图12～图15中可以看出，当减载优先阀旁通口油路中的液压缸负载压力加载至约70 MPa时，转向优先阀阀芯2.5 mm位移处发生来回震荡，从而引起优先口流量及旁通口流量的大幅波动，进而造成阀体振动。如果忽略液压缸负载惯性量的影响，图12仿真曲线和图3的实测曲线基本吻合，再次验证了仿真模型的正确。
通过以上试验测试及仿真的研究，验证了摊铺机优先阀液压系统的故障是由转向优先阀所引起。由液压流量优先阀的结构及原理（图1），并结合优先阀在正常工作状态时阀芯的受力方程及流量连续性方程可知，优先阀的稳态特性主要受弹簧预紧力、弹簧刚度、节流口直径等因素的影响；而该型号的转向优先阀震荡故障主要是由动态特性不稳定所造成，所
以可以初步判定故障因素为阀芯阻尼孔或弹簧刚度匹配不合理。
现利用图6所示的转向优先阀仿真模型，对优先阀优先口及旁通口施加负载压力，使三个油口（进口、优先口和旁通口）充分受压的情况下，调整阻尼孔直径r2（单位mm），利用AMESim批处理方法，仿真研究阻尼孔直径r2对优先阀动态特性的影响，并出最优值。仿真结果如图16～图19所示。
由仿真曲线图的对比可以看出，阻尼孔r2对优先阀的动态特性影响较大，当r2=2.0 mm时，动态特性较为理想。
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调整图11所示的摊铺机优先阀液压系统仿真模型，设置转向优先阀阻尼孔参数r2=2.0 mm，仿真结果如图20～图21所示。
对比图12和图14可以看出，摊铺机优先阀液压系统性能明显得到改善。为验证此结论，在实际中更换改进的优先阀，对摊铺机优先阀液压系统进行实测，如图22所示，对比故障实测曲线图3，再次验证了仿真优化设计的正确。
本文对液压流量优先阀及摊铺机优先阀液压系统建立了AMESim仿真模型，通过故障实测
曲线和仿真曲线及优先阀优化设计后的实测曲线和仿真曲线的对比，验证了仿真及优化设计的正确。优先阀阻尼孔的变化对优先阀动态特性的影响起重要作用。
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［5］宋锦春，苏海东，张志伟.液压与气压传动［M］.北京：科学出版社，2006.
Abstrraacctt::Hydraulic flow priority valve can provide accurate flow control for system of large load change，its performance will affect the control precision and reliability of the hydraulic system.Based on the hydraulic flow priority valve with a deep understanding of the structure and working principle，according to the fault characteristics of appeared in the process of actual use，AMESim simulation software is used to establish the corresponding simulation model.The simulation results compared with fault testing curve，verified the simulation model is correct.Finally，optimization design of the hydraulic flow priority valve is fulfilled through the parameter adjustment.The optimization design can provide beneficial help for hydraulic flow priority valve improvement.
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