２０１６年４月
第４４卷第８期
机床与液压
ＭＡＣＨＩＮＥＴＯＯＬ＆ＨＹＤＲＡＵＬＩＣＳ
Ａｐｒ ２０１６
埃及穆斯林兄弟会Ｖｏｌ ４４Ｎｏ ８
ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ ｉｓｓｎ １００１－３８８１ ２０１６ ０８ ０３５
收稿日期：２０１５－０２－１０
基金项目：浙江省高等教育教学改革项目（ｊｇ２０１３３３９）
作者简介：马金河（１９６４ ），男，副教授，主要从事液压技术和教学管理方面的研究㊂Ｅ－ｍａｉｌ：１１９４３４４２３８＠ｑｑ ｃｏｍ㊂
马金河
（台州职业技术学院机电工程学院，浙江台州３１８０００）
摘要：提出一种线性节流槽，利用它能够实现节流槽的过流截面面积与节流槽开口的大小呈线性正比例关系㊂将它用于电磁比例节流阀，可以实现通过节流阀口的流量与阀芯位移呈线性规律变化，配合使用比例电磁铁，很容易实现电磁比例节流阀的电信号对通过阀口流量的比例控制㊂根据电磁比例节流阀的实际工作环境，以ＭＡＴＬＡＢ作为仿真平台，对电磁比例节流阀的稳态特性进行仿真，得到了电磁比例节流阀在不同开口时的流量特性曲线㊁刚度特性曲线和阀口开度与流量关系曲线，并对仿真结果进行分析，分析结果对于优化电磁比例节流阀的设计参数有重要的指导意义㊂ 关键词：电磁比例节流阀；线性节流槽；流量特性；刚度特性；仿真分析
中图分类号：ＴＰ３９Ｌ９；ＴＨ１３７㊀㊀文献标志码：Ａ㊀㊀文章编号：１００１－３８８１（２０１６）０８－１０７－３
ＭｏｄｅｌｉｎｇａｎｄＣｈａｒａｃｔｅｒＳｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆＮｅｗＴｙｐｅＴｈｒｏｔｔｌｉｎｇＧｒｏｏｖｅｓ
ｏｎｔｈｅＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＰｒｏｐｏｒｔｉｏｎＴｈｒｏｔｔｌｅＶａｌｖｅ
ＭＡＪｉｎｈｅ
（ＥｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＢｒａｎｃｈＣｏｌｌｅｇｅ，ＴａｉｚｈｏｕＶｏｃａｔｉｏｎａｌ＆Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ
Ｃｏｌｌｅｇｅ，ＴａｉｚｈｏｕＺｈｅｊｉａｎｇ３１８０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｌｉｎｅａｒｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇｇｒｏｏｖｅｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｂｙｗｈｉｃｈｔｈｅａｒｅａｏｆｆｌｏｗｓｅｃｔｉｏｎｗａｓｄｉｒｅｃｔｌｙｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｔｏｔｈｅｓｉｚｅｏｆｔｈｅ
ｅｎｔｒａｎｃｅ．Ｗｈｅｎｔｈｅｌｉｎｅａｒｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇｇｒｏｏｖｅｗａｓｕｓｅｄｏｎｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｔｈｒｏｔｔｌｅｖａｌｖｅ，ｉｔｗａｓｒｅａｌｉｚｅｄｔｈａｔｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｆｌｏｗｔｈｒｏｕｇｈｖａｌｖｅｐｏｒｔａｎｄｔｈｅｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｏｆｖａｌｖｅｃｏｒｅｗａｓｒｅｇｕｌａｒｌｉｎｅａｒｃｈａｎｇｅ；ｗｉｔｈｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ，ｉｔｃｏｕｌｄａｃｈｉｅｖｅｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌｃｏｎｔｒｏｌｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｖａｌｖｅｐｏｒｔｆｌｏｗａｎｄｔｈｅｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｓｉｇｎａｌｅａｓｉｌｙ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｔｈｅｓｔｅａｄｙｓｔａｔｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉ
ｃｓｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｔｈｒｏｔｔｌｅｖａｌｖｅｗｉｔｈＭＡＴＬＡＢｂａｓｅｄｏｎｉｔｓｐｒａｃｔｉｃａｌｗｏｒｋｉｎｇｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ，ｔｈｅｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｓａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｖａｌｖｅｐｏｒｔｓｉｚｅｓ，ｔｈｅｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｃｕｒｖｅｓａｎｄｔｈｅｒｅｌａｔｉｏｎｃｕｒｖｅｓｂｅｔｗｅｅｎｖａｌｖｅｐｏｒｔｓｉｚｅｓａｎｄｔｈｅｆｌｏｗｗｅｒｅｇｏｔｔｅｎ．Ｔｈｅｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｓｉｓｒｅｓｕｌｔｓｈａｖｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｇｕｉｄｉｎｇｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｃｅｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｐｔｉｍｉ⁃
ｚａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｔｈｒｏｔｔｌｅｖａｌｖｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎｔｈｒｏｔｔｌｅｖａｌｖｅ；Ｌｉｎｅａｒｔｈｒｏｔｔｌｉｎｇｇｒｏｏｖｅ；Ｆｌｏｗｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ；Ｓｉｍ⁃
ｕｌａｔｉｏｎａｎａｌｙｓｉｓ
㊀㊀电磁比例节流阀是一种在液压控制系统应用很普遍的控制阀，其作用是实现电信号对通过阀口流
量的比例控制，即电信号与通过阀口流量呈线性关系㊂但是现有电磁比例节流阀的节流槽形状主要有矩形㊁三角形等，不能实现通过阀口流量相对阀芯位移呈线性规律变化㊂为了达到电磁比例节流阀线性比例控制的目的，主要是通过电气系统进行线性化补偿，但是这样使控制系统变复杂，也只能达到近似线性的控制结果㊂文中提出一种线性节流槽，它能够实现节流槽的过流截面面积与节流槽开口的大小成线性正比例关系，将它用于电磁比例节流阀，可以实现通过节流阀口的流量与阀芯位移呈线性规律变化，配合使用比例电磁铁，很容易实现电磁比例节流阀的电信号对通过
阀口流量的比例控制㊂
１㊀新型线性节流槽简介
图１所示为节流阀示意图㊂节流槽１均布开设在阀芯２凸肩圆周上，阀芯２装在阀套３内，阀芯２在阀套３内移动可改变节流槽开口４的大小；节流槽１的形状是由抛物线６绕着抛物线对称轴８旋转形成的，节流槽１任意横断截面都是半圆形７㊂
节流槽１的最大横断截面在阀芯的左端面５处，节流槽１的半圆形的圆心位于阀芯２的圆柱面上㊂节流槽１的横断截面面积与节流槽开口４的大小呈线性正比例关系㊂
如图１所示，高压油从右边阀口进入，经过节流槽１与阀套３构成的节流槽开口４，从左边阀口流出㊂
阀芯２在阀套３内移动可改变节流槽开口４的大小㊂阀芯２向右移，节流槽开口４变大，在相同进出口压差的情况下，流量线性增加㊂阀芯２向左移，节流槽
开口４变小，在相同进出口压差的情况下，流量线性减小
㊂
图１㊀节流阀示意图
㊀㊀现在由于数控技术的发展，特别ＣＡＤ／ＣＡＭ计算机自动编程加工技术的应用，可以加工出复杂曲面形状的节流槽，同样可以方便加工出图１中的线性节流槽㊂
２ 节流阀稳态特性仿真
在利用ＭＡＴＬＡＢ对采用线性节流槽的电磁比例节流阀进行稳态特性仿真分析中，阀的泄漏量忽略不计，阀芯重力㊁运动时的惯性力㊁摩擦力及瞬态液动力忽略不计，忽略油温变化的影响㊂
２ １㊀线性节流槽的流量特性
河南省化学工业学校
对于通过线性节流槽的流量有方程：Ｑ＝ＣｑＡ
２Δｐρ
（１）
式（１）中：Ｑ表示通过线性节流槽流量；Ｃｑ表示流量系数；Δｐ表示节流槽进出口的压差；ρ表示通过节流槽的油液密度㊂
如图２所示，对于线性节流槽有抛物线方程：Ｒ２＝２ｋｘ（２）式（２）中：ｋ表示抛物线焦点到准线的距离即焦参数；ｘ表示节流槽的开口大小；
Ｒ表示半圆形截面在相应节流槽的开口ｘ处的半径㊂
图２㊀线性节流槽模型
由式（２）得出线性节流槽截面积方程：Ａ＝
三部六病１
２
πＲ２＝πｋｘ（３）
式（３）中：Ａ表示线性节流槽在开口ｘ处截面积㊂
由式（１）和（３）得出：Ｑ＝Ｃｑπｋｘ
２Δｐ
ρ
（４）
例如某电磁比例节流阀最大流量为４０Ｌ／ｍｉｎ，节流阀两端最小压差为０ ２ＭＰａ，节流阀两端最大压差为１０ＭＰａ㊂阀芯上有２个节流槽，则通过１个节流槽的流量Ｑ为２０Ｌ／ｍｉｎ，阀口近似于薄壁孔，取Ｃｑ
为０ ６３，ρ取９００ｋｇ／ｍ３，节流阀口流速应小于６ｍ／ｓ㊂根据式（１）可得节流槽最大截面积Ａｍａｘ＝７ｍｍ２㊂根据式（３）取节流槽最大截面处半径Ｒｍａｘ＝２ ８２８ｍｍ㊂根据式（２）取ｋ＝０ ５，ｘｍａｘ＝４ｍｍ㊂
改变节流槽的开口大小ｘ，利用仿真模型可得到不同开口ｘ时的流量特性曲线，如图３所示㊂
从图３可以看出：电磁比例节流阀阀口开度越小，其流量特性曲线越陡；阀口开度越大，其流量特性曲线接近于直线，压差相对于流量的变化率越小㊂
改变节流槽两端压差Δｐ，利用仿真模型可得到不同压差时，节流阀阀口开度与流量的关系曲线，如图４所示㊂从图４中可以看出，当节流槽两端压差保持不变时，电磁比例节流阀的流量与阀口开度呈线性正比例关系
；节流槽两端压差越大，直线斜率越大㊂
图３㊀流量特
性曲线
㊀㊀㊀㊀㊀
图４㊀阀口开度与流
量关系曲线
㊃
８０１㊃机床与液压第４４卷
２ ２㊀节流阀的刚度特性
节流阀的刚度Ｔ定义为节流槽两端压差Δｐ对流
量Ｑ的导数，即：
Ｔ＝ｄ（Δｐ）／ｄＱ（５）通过分析节流阀的刚度可以评价在节流阀阀口开度不变时，当外界负载发生变化（即Δｐ发生变化）时，节流阀维持Ｑ稳定的能力㊂由式（４）和（５）可得：
Ｔ＝２Δｐ１／２
Ｃｑπｋｘ
２
ρ
（６）
由式（６）可建立电磁比例节流阀刚度的仿真模型㊂输入信号为压差Δｐ，改变阀口开度ｘ可以得到不同阀口开度对应的刚度曲
线㊂仿真结果如图５所示㊂
图５㊀节流阀刚度特性曲线
由图５可知：比例阀的刚度随比例阀两端压差的增加而增大，压差越大比例阀的工作越稳定；在压差相同的情况下阀口的开度越小，比例阀的刚度越大㊂因此，适当提高比例阀两端的工作压差是必
要的㊂
３㊀结论
利用ＭＡＴＬＡＢ分别建立了电磁比例节流阀的流量特性和刚度特性仿真模型，并根据电磁比例节流阀的实际工作环境进行了仿真，得到了流量特性曲线㊁刚度特性曲线和阀口开度与流量关系曲线㊂通过对仿真结果的分析，可知：
（１）压差不变的情况下，电磁比例阀的流量与阀口开度为线性关系㊂
（２）电磁比例节流阀的节流功能主要是由节流口实现的，油液流经比例阀时，９０％以上的压力损失是油液流经工作节流口产生的㊂文史天地
（３）比例阀两端的压差越高，刚度越大；压差
相同时，阀口开度越小刚度越大㊂
参考文献：
叶坚颖［１］李国琳，赵虎，权龙，等．大流量插装式比例节流阀的特
性研究［Ｊ］．液压与气动，２０１３（７）：８９－９１．［２］李强，徐宝云，王文瑞．电磁比例节流阀稳态特性仿真分
析［Ｊ］．计算机仿真，２００５，２２（１０）：２３２－２３４．［３］王婷婷，周华，黎申，等．柴油共轨系统比例节流阀性能
测试系统的研制［Ｊ］．液压与气动，２０１３（７）：１０２－１０４．
［４］李永堂．液压系统建模与仿真［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００３．
［５］马金河，王芊．双作用径向柱塞泵半圆锥型减振槽的研
究［Ｊ］．液压与气动，２００８（５）：７１－７３．［６］马金河，王芊．基于新型减振槽的变量叶片泵配流盘的
弥凝
设计［Ｊ］．液压气动与密封，２００８（３）：２０－２２．
（上接第１０６页）５㊀结论
针对某企业某型号大型液压挖掘机提出并设计一套新液压回转系统，对比传统液压回转系统，阐述两者工作原理，通过ＡＭＥＳｉｍ建立相应模型并进行仿真分析㊂结果表明：（１）新液压回转系统中，回转马达可快速㊁平稳达到目标转速，满足工作需要，启动时间提前０ ９ｓ，制动时间缩短１ ３ｓ，有效提高其工作效率；蓄能器回收再利用回转制动能量，在一定程度上降低液压系统的压力波动及液压泵功耗；
（２）
该系统回转制动能量回收率为２８ ５％，回收制动能量再利用率为７６ ３％，能量回收利用率为２１ ７％，节能效果明显㊂
参考文献：
［１］王松峰，赵虎，金正府，等．大型挖掘机闭式回转系统联合仿真研究［Ｊ］．液压与气动，２０１３（９）：９３－９８．
［２］车明哲，佟琨，宋锦春．２２ｔ液压挖掘机能量损失研究
［Ｊ］．机械设计与制造，２０１０（１０）：１１－１２．
［３］郑辉，吴文海，邓斌，等．油液混合动力挖掘机回转系统仿真分析［Ｊ］．机床与液压，２０１２，４０（２３）：１５１－１５４．
［４］混合动力液压挖掘机液压马达能量回收仿真及实验［Ｊ］．机械工程学报，２００７（８）：２１９－２２０．
［５］秦家升，赵继云，李宗，等．挖掘机回转能量回收系统比较研究［Ｊ］．矿山机械，２０１３（１０）：３８－３９．［６］高佩川，孙孟辉，李建启．蓄能器在液压挖掘机能量回
收中的仿真研究［Ｊ］．流体传动与控制，２０１２（２）：１９－２０．
［７］吴文海，郑辉，邓斌，等．液压挖掘机制动能量的回收系统［Ｊ］．机械设计与研究，２０１３（１）：１１５－１１６．［８］姜继海，于斌，于安才，等．基于能量回收再利用的液压挖掘机回转系统节能研究［Ｊ］．流体传动与控制，２０１１
（６）：７－８．
［９］ＮＡＮＪＯＴ，ＩＭＡＮＩＳＨＩＥ，ＫＡＧＯＳＨＩＭＡＭ．ＰｏｗｅｒＳｉｍｕｌａ⁃
ｔｉｏｎｆｏｒＥｎｅｒｇｙＳａｖｉｎｇｉｎＨｙｂｒｉｄＥｘｃａｖａｔｏｒ［Ｊ］．ＪＳＡＥ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ，２００４，４７（４４）：１０１－１０６．㊃９０１㊃第８期马金河：电磁比例节流阀新型节流槽的建模与特性仿真
㊀㊀㊀
豫公网安备41160202000603
站长QQ:729038198
关于我们
投诉建议