基于AMESim新型先导式减压阀设计与性能分析*

王小军，孟利民，满 辉

(安徽理工大学 机械工程学院，安徽 淮南 232001)

减压阀作为液压设备中的重要液压控制元件，是将进口压力减至某一需要的出口压力的一种压力控制阀[1]。减压阀作为一个局部阻力可以变化的节流元件，通过改变节流面积，形成不同的节流效应和压力损失，从而达到减压的目的。减压阀在液压设备的夹紧系统、润滑系统和控制系统中应用广泛[2]。

随着液压技术在现代机械工业领域的广泛应用，对于适用于高压、超高压液压系统的压力控制阀提出了越来越高的要求[3]。近年来由于传统先导减压阀的结构与工作原理的限制，使其调定的最高压力有限，动作存在滞后性，不能完全满足高压系统中对液压控制阀的反应灵敏性及动作准确可靠性的要求。并且已有的研究大多是只考虑减压阀各参数对减压阀动态性能的影响[4-6]，对先导式减压阀的动作灵敏性和可靠性的提升与改进研究较少[7]。

本文针对传统减压阀所存在的减压稳定性、灵敏性等问题，设计一种基于压电陶瓷材料的新型先导式减压阀。采用二位三通电磁换向阀代替传统先导阀，利用压电陶瓷材料受压产生的电信号控制减压阀动作[8]。基于新型先导式减压阀的模型，利用AMESim软件进行仿真，与传统先导式减压阀相比较，对其性能进行分析研究。

新型先导式减压阀由主阀和先导阀组合构成，其结构如图1所示，主要由主阀座、主阀芯、主阀弹簧、主阀底座、二位三通阀、压电陶瓷传感器、电控模块、电磁阀等构成。工作时，先导阀中的压电陶瓷传感器受到油液压力作用，由压力信号产生电信号，经过电控模块的调理电路将信号放大并转换为适合AD量程的信号送入AD转换器进行数模转换，电控模块中的单片机读取AD转换的结果并与给定的阈值信号比较。当出口压力小于设定值时，即当AD转换的结果小于阈值信号，则单片机无控制命令，电磁控制阀的线圈不带电，电磁阀衔铁不动，此时二位三通换向阀阀芯不动，挡住了出油口，先导阀未开启，减压阀主阀芯在顶部主阀弹簧力的作用下，处于最低位置，主阀口处于最大开口量的位置，相当于一个固定节流口；
当出口压力大于设定压力时，即当AD转换的结果大于阈值信号，则单片机发出控制命令给电磁控制阀，电磁控制阀的线圈带电，电磁阀衔铁移动，从而推动二位三通换向阀阀芯移动，先导阀开启，由于阻尼孔形成压力损失的原因，主阀芯上部压力小于底部压力，从而主阀芯在压力差作用下上移，以减小主阀口的开度，由于节流效应使得减压阀出口侧压力降低，直到达到其设定压力。新型先导式减压阀的工作原理如图2所示。图2中，p为压力，Q为流量，A为截面积。

1-主阀底座；
2-主阀座；
3-主阀芯；
4-主阀弹簧；
5-二位三通阀；
6-压电陶瓷传感器；
7-电磁阀

图2 新型先导式减压阀工作原理图

2.1 减压阀的AMESim建模

根据减压阀的工作原理，利用AMESim建立新型先导式减压阀仿真分析模型，如图3所示。同时参照阀的参数设置仿真模型参数，如表1所示。在该系统中，除先导式减压阀模型创建取自液压元件设计库外，其余元件均采用标准液压库创建。

图3 基于压电陶瓷传感器的新型先导式减压阀AMESim模型

2.2 仿真结果分析

2.2.1 新型先导式减压阀与传统先导式减压阀的压力特性分析

减压阀的压力特性是指流量不变时，输入压力变化引起输出压力变化的特性。两种减压阀压力特性曲线如图4所示。由图4可以看出：设定出口压力值为5 MPa，入口压力小于该设定值时，新型先导式减压阀和传统先导式减压阀的出口压力与入口压力基本保持一致；
当入口压力大于该设定值时，出口压力会作出相应调整，最终会稳定在该设定值附近，但是传统先导式减压阀在刚超过设定值附近时压力超调量会明显增大，易造成压力冲击，这对减压阀系统的平稳性是不利的。

2.2.2 新型先导式减压阀与传统先导式减压阀的流量特性分析

流量特性是指在输入压力不变时，输出流量变化引起输出压力变化的特性。图5为两种减压阀流量特性曲线。由图5可知：设定减压阀入口压力为5 MPa，出口流量由0～30 L/min逐渐增大，新型先导式减压阀出口压力在较小的流量2 L/min下已达到稳定状态，而传统先导式减压阀出口压力在出口流量6 L/min左右才趋于稳定，且其超调量明显较大，震荡明显。

2.2.3 新型先导式减压阀与传统先导式减压阀的动态性能分析

图6为两种减压阀出口压力动态曲线。由图6可知：新型减压阀出口压力约在0.05 s后稳定，达到其调定压力5 MPa；
与之相比，传统先导式减压阀出口压力趋于稳定时间在0.12 s，且其压力超调量约为135%，出口压力震荡明显。由此可以得出，传统先导式减压阀的动态响应时间长，超调量明显增大并且震荡明显，而且达到稳定压力的时间较长。与传统先导式减压阀比，新型先导式减压阀出口压力的灵敏性和稳定性有较为明显提升。这是由于新型先导式减压阀的先导阀是由压电传感器感知压力信号，电磁阀触发动作，灵敏性要高于传统先导式减压阀中先导阀的机械弹簧的触发动作。

图4 两种减压阀压力特性曲线 图5 两种减压阀流量特性曲线 图6 两种减压阀出口压力动态曲线

本文介绍了一种基于压电陶瓷传感器的新型先导式减压阀，其在传统的先导式减压阀的基础上运用了压电陶瓷材料，并以二位三通电磁换向阀代替传统的先导机构对减压阀主阀进行控制。通过对其结构及工作原理的分析，并利用AMESim仿真软件搭建其分析模型，对其压力特性、流量特性以及出口压力动态特性进行分析研究。结果表明：与传统的先导式减压阀进行比较，新型先导式减压阀具有动作灵敏性高、运行平稳、不易造成冲击的特性。

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