新型限速切斷閥的設計及實驗研究

1、第38卷第5期2004年5月浙江大學學報(工學版Journal of Zhejiang U niversity (Engineering Science V o l .38N o .5M ay 2004收稿日期:2003206206.浙江大學學報(工學版網(wǎng)址:www .j ournals .zju .edu .cn eng 基金項目:國家“十五”科技攻關資助項目(2002BA 208B 02;浙江省自然科學基金資助項目(502088.作者簡介:胡國良(1973-,男,江西南昌人,博士生,從事機電液控制方面的研究.E 2m ail :hugl 99sohu .com新型限速切斷閥的設計及實驗研究

2、胡國良,徐兵,楊華勇,張一丁(浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室,浙江杭州310027摘要:設計了一種液壓電梯用新型限速切斷閥,通過建立數(shù)學模型,利用M atlab 中的Si m ulink 仿真軟件進行了數(shù)值仿真分析了限速切斷閥內(nèi)部黏性阻尼孔直徑、進油口壓力以及電梯負載質量大小對其動態(tài)性能的影響在液壓電梯實驗臺架上對限速切斷閥進行了實驗研究,仿真和實驗結果基本吻合采用EN 8122標準對限速切斷閥的動態(tài)性能指標進行了考核,結果表明這種新型限速切斷閥符合液壓電梯的設計要求關鍵詞:限速切斷閥;液壓電梯;數(shù)值仿真中圖分類號:TH 137文獻標識碼:A 文章編號:10082973X (200405

3、20625206D esign and exper i m en tal research on new p ipe rupture valveHU Guo 2liang ,XU B ing ,YAN G H ua 2yong ,ZHAN G Y i 2ding(S tate K ey L aboratory of F lu id P o w er T rans m ission and Control ,Z hej iang U niversity ,H ang z hou 310027,Ch ina Abstract :A new p i p e rup tu re valve fo r

4、hydrau lic elevato r w as designed .M athem atical m odels estab lished fo r hydrau lic elevato r system w ere u sed in num erical si m u lati on s on the Si m u link environm en t of M atlab k its .T he effects of differen t viscou s dam p ing diam eter ,in let p ressu re of p i pe rup tu re valve

5、and elevato r loads on the hydrau lic elevato r system s dynam ic perfo r m ance w ere analyzed .Experi m en tal research w as also carried ou t u sing hydrau lic elevato r exp eri m en t rig .T he num erical si m u lati on s acco rded w ith experi 2m en tal resu lts in general.D ynam ic perfo r m a

6、nce indexes w ere assessed by EN 8122standard .T he resu lts show ed that the new designed p i pe rup tu re valve m eets the design ing requ irem en t of the hydrau lic eleva 2to r .Key words :p i p e rup tu re valve ;hydrau lic elevato r ;num erical si m u lati on限速切斷閥是一種超流量自動切換保護裝置,具有結構簡單、反應靈敏、切換迅

7、速、動作可靠、使用方便等優(yōu)點國內(nèi)外已將其廣泛應用于液壓電梯、起重機、挖掘機、裝載機等液壓機械執(zhí)行器的限速或管道失壓保護中1液壓電梯中,一般都在液壓缸入口處剛性地連接一個限速切斷閥,作為系統(tǒng)的安全保護閥系統(tǒng)正常運行時它不起作用,但是一旦液壓電梯系統(tǒng)軟管破裂或控制閥失控等意外事故出現(xiàn),電梯轎廂將急速下落,同時也將引起限速閥過流流量突然增大隨著流量的增大,限速切斷閥閥口兩端的壓差也迅速增大,當超過某一設定值時,閥芯克服彈簧力迅速將閥口關閉,電梯轎廂停止下落,這樣既保證了乘客安全,又保障了系統(tǒng)免于遭到破壞系統(tǒng)故障排除后,泵打出的壓力油和彈簧力共同作用,自動將限速切斷閥閥口打開,使液壓電梯系統(tǒng)恢復正常工

8、作目前國際上各大液壓電梯公司都對限速切斷閥進行了開發(fā)研究如德國B lain 液壓電梯公司開發(fā)的R 10型限速切斷閥2,結構緊湊、功能強大,除了能起到安全保護作用外,還能在系統(tǒng)發(fā)生異常時觸發(fā)報警信號,但其加速度不可調整,當下降流量接近設定的關斷流量時,需要幾秒才能關閉瑞士B eringer 公司生產(chǎn)的液壓電梯專用限速切斷閥R SG 系列3,結構簡單緊湊,端部采用錐面結構,閥口關閉時采用線密封,能夠很好地控制流量的泄漏,而且全周開口的結構使得閥內(nèi)過流面積較大,關斷流量調整范圍大但該閥閥芯面積梯度較大,而調節(jié)桿的調節(jié)范圍卻較小,這樣易導致閥的關斷流量產(chǎn)生較大差異,不利于實際操作;而且閥芯運動時也容易

9、出現(xiàn)阻力過大,導向性不好等問題國內(nèi)對限速切斷閥也進行了相關分析4,但還未見具體產(chǎn)品應用到液壓電梯系統(tǒng)為此,本文設計一種液壓電梯用新型限速切斷閥,其關斷流量和關斷時間都可調通過仿真和實驗研究,對其動態(tài)性能指標進行考核,為今后同類閥的設計提供理論和實驗參考依據(jù)1限速切斷閥設計1.1閥芯設計在綜合考慮全周開口結構、滑閥開口結構以及錐閥結構的基礎上,從單向閥中的卸荷閥芯結構得到啟發(fā),采取折衷的辦法,設計出如圖1所示的限速切斷閥閥芯結構 圖1閥芯結構簡圖F ig .1Structure diagram of valve spoon從圖1可以看出,在閥芯與閥體的配合處銑去三塊作為閥內(nèi)的流道通過這樣的改進,

10、確保了該閥具有良好的導向性,并保證閥內(nèi)有足夠的過流面積,使其具有良好的靜態(tài)特性閥口后端仍采用錐面形式,有利于閥關閉時減小泄漏量另外,閥口處的流動特性是一個關鍵性能指標,它決定了過閥的壓力損失以及閥芯運動的穩(wěn)定性設計中利用F luen t 仿真軟件對由圓柱面切割而成的閥口和由45°斜面切割而成的閥口進行了仿真對比分析,結果發(fā)現(xiàn)閥芯內(nèi)留有三角槽過流,閥口由圓柱面切割而成的限速切斷閥,無論在靜態(tài)性能、閥內(nèi)流體流動特性、閥芯運動穩(wěn)定性、閥芯導向性以及工程實用性等方面,都要優(yōu)于斜平面切割閥芯結構的限速切斷閥因此本文采用這一結構形式1.2設計結果及模擬裝配閥芯結構確定后,根據(jù)經(jīng)驗公式和薄壁小孔的

11、流量公式可以確定限速切斷閥進出口直徑、阻尼孔的結構和尺寸以及閥芯錐面結構等通過以上設計可以初步確定限速切斷閥的結構根據(jù)二維設計,采用P ro E 軟件生成了限速切斷閥三維模擬裝配圖,如圖2所示它可以避免傳統(tǒng)設計中二維工程圖中的不足之處,消除機械設計中的潛在隱患從圖2可 以看出裝配圖沒有產(chǎn)生干涉,滿足了設計要求圖2三維裝配圖F ig .2T h ree 2di m ensi onal assem ble diagram2動態(tài)仿真分析動態(tài)仿真的目的主要有兩個:一是觀察既定參數(shù)下限速切斷閥的動態(tài)特性,發(fā)現(xiàn)并分析存在的性能問題,從而實現(xiàn)調整閥內(nèi)參數(shù)、優(yōu)化設計的目的;二是通過對各種參數(shù)條件下限速切斷閥動

12、態(tài)特性的比較,定性分析它們對閥性能的影響程度, 總結規(guī)律,為同類閥的設計提供參考圖3限速切斷閥仿真原理圖F ig .3Si m ulati on p rinci p le of p i pe rup ture valve2.1仿真系統(tǒng)的確定設計出的限速切斷閥主要應用在液壓電梯系統(tǒng)中,因此要考慮該閥在液壓電梯系統(tǒng)中的動態(tài)特性模型建立過程中忽略一些對限速切斷閥動態(tài)性能影響不大的因素,如泵源壓力的脈動影響、溢流閥的動態(tài)特性以及管道效應等確定限速切斷閥的動態(tài)仿真原理如圖3所示該仿真模型真實地反映了限速626浙江大學學報(工學版第38卷切斷閥在液壓電梯系統(tǒng)中的應用情況2.2數(shù)學模型的建立對限速切斷閥入口

13、管來說,由于管道破裂后成為開放式容腔,流量壓力方程不再適用,而是采用伯努利方程來描述該段管道內(nèi)的物理情況其壓力方程為p t=p p+K p t(q Vc +q Vs2.(1式中:p t為泵出油管道與限速切斷閥進口處壓力,p p 為管道下端接泵的出油壓力,K p t為閥口到管道破裂處的摩擦阻力系數(shù),qV c 為通過閥口的流量,qV s為閥芯背腔的流量限速切斷閥背腔為一個封閉容腔,其流量連續(xù)性方程為V s E b d p sd t=A sd xd t-q Vs-C s(p s-p t.(2式中:V s為背腔容積,E b為閥芯背腔油液的體積彈性模量,A s為閥芯面積,d x d t為閥芯移動速度,C

14、 s 為背腔閥芯與閥體間的泄漏系數(shù),p s為背腔壓力過限速切斷閥的壓差損失包括流道處壓力損失和節(jié)流口處壓力損失,其流量壓差方程為p c-p t=K q q2Vc +2q2V c1C22A22.(3式中:p c為過閥口的壓力,K q為流道處流量系數(shù),為液壓油密度,C2為閥口處流量系數(shù),A2為閥口處面積閥芯上的受力平衡方程為m s d2xd t2=F p+F1+F2+F f+F s+F B=(p c-p sA s+K1(x0-x(p c-p t+K2d xd t p c-p t-K f(p s-p t-(F0+K s x-B sd xd t.(4式中:m s為閥芯質量,F p為閥芯兩端壓差產(chǎn)生的壓

15、差力,F1為穩(wěn)態(tài)液動力,F2為瞬態(tài)液動力,F f為摩擦力,F s為彈簧力,F B為閥芯上的黏性阻力,x0為初始位移量,x為閥芯位移量,F0為彈簧預緊力,K s 為彈簧彈性系數(shù),B s為閥芯上的阻尼系數(shù),K1、K2和K f為常數(shù)將液壓缸到限速切斷閥閥口處作為一個封閉容腔,其流量連續(xù)性方程為V c E c d p cd t=A cd yd t-q Vc-C v(p c-p t-C t p c.(5式中:V c為封閉容腔體積,E c為液壓缸至限速切斷閥閥口處封閉容腔的油液體積彈性模量,A c為封閉容腔面積,d y d t為液壓缸活塞桿的運動速度,C v為限速切斷閥閥口處閥芯與閥體之間的泄漏系數(shù),C

16、t 為液壓缸內(nèi)的外泄漏系數(shù)限速切斷閥的工作要求是在電梯失速時進行關斷保護,實驗中也是設計電梯自由下落的工況,故取電梯下降方向為正方向,柱塞桿上力平衡方程為m cd2yd t2=m c g-p c A c-B cd yd t-F c.(6式中:m c為液壓缸柱塞桿質量,B c為黏性阻尼系數(shù), F c為庫侖摩擦阻力 方程(1(6即為限速切斷閥在液壓電梯系統(tǒng)中的數(shù)學模型2.3動態(tài)仿真分析根據(jù)上面所建立的數(shù)學模型以及確定的系統(tǒng)參數(shù),利用M atlab中的Si m u link工具箱,建立了以限速切斷閥為主體的液壓電梯系統(tǒng)時域仿真圖,如圖4所示圖4限速切斷閥時域仿真框圖F ig.4T i m e dom

17、 ain si m ulati on of p i pe rup ture valve仿真中整個液壓電梯系統(tǒng)分為限速切斷閥背腔流量環(huán)節(jié)、背腔壓力環(huán)節(jié)、閥口流量壓力環(huán)節(jié)、液壓缸內(nèi)壓力環(huán)節(jié)、速度環(huán)節(jié)和閥芯運動環(huán)節(jié)六個部分,各個環(huán)節(jié)與所建立的數(shù)學模型相對應仿真系統(tǒng)輸入部分是泵輸出管道的壓力值,根據(jù)需要可以是一個從穩(wěn)態(tài)值到零的階躍信號,也可以是一個斜率很大的斜坡信號以下仿真中閥口初始開度均為4mm,而且給定系統(tǒng)一個階躍信號,相當于液壓電梯系統(tǒng)在靜止狀態(tài)下,管道突然破裂的情況仿真分析中流量qV=q Vc+q Vs2.3.1阻尼孔徑的影響限速切斷閥背腔阻尼孔大小是一個重要的動態(tài)性能參數(shù),它決定著閥芯背腔壓

18、力的變化,影響著閥的關斷速度仿真中比較阻尼孔直徑為1.0和2.0mm時的流量壓力變化情況,如圖5所示從流量曲線來看,隨著阻尼孔直徑增大,系統(tǒng)流量響應速度略有加快,關斷流量最大值變小,雖然流量波動變小,但在穩(wěn)定時間上變化不明顯從壓力曲線來看,隨著阻尼孔直徑增大,系統(tǒng)壓力超調量要大,就震蕩時間來說,兩者差別不大出現(xiàn)以上結果主要是因為管道破裂后,阻尼孔直徑越大,閥芯背腔壓力下降也越快,從閥芯力平衡726第5期胡國良,等:新型限速切斷閥的設計及實驗研究 圖5不同直徑阻尼器仿真結果比較F ig .5Si m ulati on w ith different damp ing diam eter方程可以看

19、出,阻礙閥口關閉的力主要是背腔壓力、彈簧力及黏性阻力,破壞這種力平衡可使閥口關閉速度加快,關閉時刻點變早由于電梯是從靜止狀態(tài)開始下落,閥口關閉時間越早,電梯加速時間就越短,速度也就越低,閥的關斷流量就越小閥口關閉后油液在液壓缸封閉容腔內(nèi)作無輸入震蕩,由于震蕩的峰值小,波動也就較小因而可以認為在閥整個工作區(qū)間內(nèi),適當增大閥芯背腔阻尼孔直徑,能夠改善系統(tǒng)的動態(tài)特性但也不能一味增大阻尼孔直徑,這是因為該仿真是模擬電梯靜止時出現(xiàn)管道破裂的情況,如果電梯在較快速度中運行時出現(xiàn)管道破裂,閥芯若關閉過快,會造成系統(tǒng)瞬間較大的沖擊,超調量大,對乘客造成傷害 圖6進油口有無壓力仿真結果比較F ig .6Si m

20、 ulation for w ith and w ithout p ressure in inlet port2.3.2進油口壓力的影響在以往仿真中主要考慮管道破裂的情況,限速切斷閥進油口壓力從初值迅速下降到零但液壓電梯系統(tǒng)出現(xiàn)異常時,也不排除系統(tǒng)元器件突然失效的情況,例如集成閥內(nèi)單向閥沒有關死,出現(xiàn)大流量泄漏這種泄漏類似于過節(jié)流口的自由出流,閥進油口壓力并不會迅速降為零,而是維持在一定值針對這種工況進行分析研究,對比曲線如圖6所示從圖6看出,由于進油口有壓力存在,系統(tǒng)壓力與流量的響應速度都減緩,但是超調量略有降低,而系統(tǒng)的震蕩情況變化不大與進油口無壓力損失相比,進油口出油有壓力損失時,壓力降

21、低速度減緩從閥口節(jié)流方程來看,閥口兩端壓差變小,流量數(shù)值也變小,反映在動態(tài)曲線中為系統(tǒng)響應速度降低從階躍響應角度分析,有液阻的情況相當于輸入一個較小幅值的階躍信號,因此系統(tǒng)震動的幅值也相應降低在進油口出油有阻力的情況下,限速切斷閥動作后系統(tǒng)也會有較好的動態(tài)特性因此在實際工作中,即使出現(xiàn)液壓閥失靈的意外,限速切斷閥也能很好地動作,起到保護作用2.3.3電梯負載質量的影響實際工況中,電梯從空載到滿載,負載質量變化范圍較大,因此仿真中考慮改變電梯負載質量,用以觀察該閥在負載質量不同工況下,動態(tài)特性有何不同分別對電梯負載3000和2000kg 進行仿真比較,如圖7所示從流量曲線可以看出,負載質量增大后

22、,系統(tǒng)流量響應速度變快,并且減幅震蕩頻率加快分析系統(tǒng)壓力曲線也能得到相似結論,同樣,增大閥口初始開度的仿真結果也是如此 圖7不同電梯負載仿真結果比較F ig .7Si m ulati on w ith different loads從方程d 2yd t2=g -p c A c m c -B c m c d y d t -F c m c 可以看出,電梯重載時,柱塞桿上的摩擦力和黏性阻力與重力相比都較小,決定柱塞缸運動速度的主要是容腔系統(tǒng)壓力的變化情況,對于大慣性質量系統(tǒng),自然系統(tǒng)響應速度要快,震蕩要強而于輕載情況,黏性阻力和摩擦力的影響都不能忽略,比容腔壓力變化的影響還要大,電梯負載質量越小,各

23、種阻力對加速度的相對影響越大,柱塞桿的加速度就越小,因此系統(tǒng)中流量響應速度也就越慢,出現(xiàn)了系統(tǒng)響應變慢、超調變小的情況826浙江大學學報(工學版第38卷3實驗分析研究液壓電梯實驗臺上的實驗主要是根據(jù)國家標準的要求設計實驗步驟實驗中電梯剛開始處于靜止狀態(tài),程序給定電磁閥信號,使液控單向閥突然打開,系統(tǒng)壓力急速下降,電梯基本處于自由落體狀態(tài),達到關斷流量時限速切斷閥關閉進行動態(tài)實驗研究,并考核該限速關斷是否在國家標準要求范圍內(nèi)實驗時閥口開度均為4mm 3.1閥芯背腔阻尼實驗限速切斷閥背腔阻尼孔大小決定了閥芯背腔壓力的變化情況及壓差力的大小,并影響閥的關斷速度實驗時對比背腔阻尼孔直徑為1.0mm 和

24、背腔不加阻尼的兩種情況,實驗曲線如圖8所示 圖8不同背腔阻尼實驗比較F ig .8Experi m ental result comparison of differentdamper從圖8可知,背腔不加阻尼時,系統(tǒng)中壓力和流量的響應速度都要快很多,系統(tǒng)震蕩變大,但震蕩頻率一致從階躍信號輸入開始到系統(tǒng)穩(wěn)定的時間來看,兩組曲線大體相同對比圖5對阻尼的仿真情況,兩者結果大體一致,這是因為背腔不加阻尼時,閥芯上的壓差力較大,能夠較快地響應,將閥口關閉,因此造成了系統(tǒng)響應速度加快但由于關閉速度過快,對系統(tǒng)造成的液壓沖擊較大,因此系統(tǒng)震蕩幅值和次數(shù)都增多背腔增加阻尼器后,雖然系統(tǒng)響應速度稍有變慢,但它濾

25、掉了壓力峰值,減小了系統(tǒng)中壓力的沖擊,穩(wěn)定性也不錯因此實際應用中仍決定在背腔采用阻尼器,一般推薦直徑在1.0115mm 3.2進油口壓力實驗實驗中,限速切斷閥進油口的回油是通過泵回油箱的,使泵反轉產(chǎn)生了一定的回油壓力損失;將系統(tǒng)中的安全閥閥芯拆去,則回油直接回到油箱,對比這兩種情況下的動態(tài)性能以閥口開度4mm 為例,得到如圖9所示實驗曲線可以看出,當進油口沒有回油壓力損失時,系統(tǒng)壓力及流量的響應速度要快些,系統(tǒng)震蕩也劇烈,不僅超調量大,穩(wěn)定時間也長實驗結果與圖6中的仿真情況十分類似進油口沒有回油壓力時,從閥節(jié)流口處的流量壓差方程能夠看出,在其他情況相同時,壓差越大產(chǎn)生的過流量越大 ,因此系統(tǒng)響

26、應速度快,震蕩劇烈圖9進油口有無壓力實驗比較F ig .9Experi m ental result comparison of w ith andw ithout p ressure in inlet po rt圖10不同負載實驗比較F ig .10Experi m ental result comparison of different loads3.3電梯負載實驗實驗中對負載為2000和3000kg 兩種情況進行了對比分析,動態(tài)實驗曲線如圖10所示可以看出,隨著電梯負載質量的增大,系統(tǒng)中壓力與流量響應速度都加快,并且震蕩變劇烈,超調量也增大,穩(wěn)定時間變長這與圖7中的仿真結果相似,實驗時的

27、油溫為5,系統(tǒng)中油液黏度較大,從柱塞桿力平衡方程可以看出,當黏性阻尼系數(shù)B c 較大、電梯負載926第5期胡國良,等:新型限速切斷閥的設計及實驗研究630 浙江大學學報 ( 工學版 第 38 卷 3 壓力最高值 p p 不到靜壓 p s 的兩倍, 則壓力 大于 3. 5 倍靜壓的時間不大于 0. 04 s 的條件自動 滿足; 4 柱塞缸最大下降速度與額定下降速度相比為 0. 282- 0. 150= 0. 132< 0. 3 m s因此也滿足在額 質量不大時, 方程中黏性阻力這一項對柱塞缸加速 度的影響相對較大出現(xiàn)了輕載系統(tǒng)響應變慢、 波動 變小的情況 4動態(tài)性能指標考核 在設計和實驗分

28、析的基礎上, 根據(jù)歐洲液壓電 梯制造與安裝安全規(guī)范標準的指標要求 5 , 對該限 速切斷閥的動態(tài)性能進行考核, 主要考察限速切斷 閥背腔有阻尼的情況 實驗中阻尼直徑為1. 0 mm , 閥口開度為 4 mm , 電梯加載 500 kg, 系統(tǒng)無回油壓 力損失, 得到的實驗曲線如圖 11 所示 mm 時, 可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性, 使得關斷流量變 圖 11實驗曲線考核圖 F ig. 11T est diagram of exp eri en ta l cu rve m 通過實驗得知, 最小的關斷流量為128 L m in 因此要保證電梯正常下行時限速切斷閥不動作, 就 必須要求液壓電梯的工作流量

29、不能超過 128 L m in, 除去安全系數(shù) 1. 3, 則該閥在開度 4 mm 下能 夠正常工作在額定流量為 100 L m in 的液壓電梯系 統(tǒng)中, 即系統(tǒng)的額定工作流量為 qV s = 100 L m in, 此 時柱塞缸速度為 0. 15 m s, 出現(xiàn)時刻為 0. 702 s從 實驗曲線中得到最大流量 qV m ax = 188 L m in, 出現(xiàn) 0. 105 s, 有 01141, 符合減速的時間要求; 6×9181A qV m ax 時刻為 0. 852 s, 對應柱塞缸的速度為 0. 282 m s 工作靜壓 p s = 3. 8 M Pa, 動態(tài)曲線中出現(xiàn)的

30、最高壓 力 p p = 6. 36 M Pa 根據(jù) EN 8122 的四點考核指標, 對應實驗曲線中的數(shù)據(jù)可知: 1 額定流量和最大流量之間的間隔時間 t0 = 01852- 0. 702= 0. 15< 0. 16 s, 滿足閥口開始關斷 的時間要求; 2 流 量 減 少 的 時 間 td = 0. 957 - 0. 852 = = 01028 td 6×1196A qV m ax = 定速度+ 0. 3 m s 之前動作的限速切斷閥關斷流量 的條件 根據(jù)以上分析表明, 新設計的限速切斷閥在帶 阻尼時, 完全能夠符合 EN 8122 的要求 5結論 ( 1 設計出一種閥芯內(nèi)留有三角槽過流, 閥口由 圓柱面切割而成的新型限速切斷閥 ( 2 建立了限速切斷閥在液壓電梯系統(tǒng)中的數(shù) 學模型, 并對其動態(tài)性能進行了仿真和實驗比較分 析 結果表明: 閥芯背腔阻尼孔直徑為 1. 0 1. 5 小; 進油口有壓力時, 系統(tǒng)壓力和流量響應速度變 慢, 但對整個系統(tǒng)動態(tài)特性影響不大; 隨著負載質量