螺紋插裝方向閥的熱力學(xué)建模與仿真分析

何二春

摘要：本文基于能量守恒和質(zhì)量守恒定律，結(jié)合特殊結(jié)構(gòu)壓力流量特性，提出了螺紋插裝方向閥的熱力學(xué)建模方法。利用MATLAB平臺(tái)對(duì)一型螺紋插裝閥開(kāi)展仿真分析，并預(yù)測(cè)其出油口和回油口溫度。對(duì)仿真結(jié)果與機(jī)械結(jié)構(gòu)的特性進(jìn)行了對(duì)比分析，驗(yàn)證了建模方法的有效性。該理論建模方法適用于任意類型的螺紋插裝閥，對(duì)螺紋插裝閥的熱力學(xué)建模與分析具有一定指導(dǎo)意義。

Abstract： Based on the law of conservation of energy and mass conservation， combined with the pressure and flow characteristics of cartridge directional valve， the thermodynamic modeling approach to the study of the valve were presented. The temperatures of the outlet and inlet ports were accurately predicted， according to the simulation by MATLAB software. Simulation results were presented and analyzed， compared with the characteristics of the mechanical structure， which demonstrated the validity of the model. Moreover， the theoretical basis and modeling strategy were also applicable for other cartridge valves， which provided references to study the cartridge valves and thermal hydraulic modeling.

關(guān)鍵詞：螺紋插裝方向閥;熱力學(xué)模型;動(dòng)態(tài)仿真

Key words： cartridge directional valve;thermal hydraulic modeling;dynamic simulation

中圖分類號(hào)：TH137 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0070-04

0 ?引言

液壓系統(tǒng)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用中一直存在工作溫度難以控制的問(wèn)題，因?yàn)橐簤涸诠ぷ髦胁豢杀苊獾卮嬖谛孤?、摩擦、溢流等能量損失，損失的能量大部分以熱量的形式散失在系統(tǒng)中，使得系統(tǒng)油溫升高，而過(guò)高的油溫則引起油液的物理、化學(xué)特性變化，這不止造成能源的浪費(fèi)，更嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成整個(gè)控制系統(tǒng)的失效。解決液壓系統(tǒng)過(guò)熱的問(wèn)題，根本方法是要減少系統(tǒng)中多余熱量的產(chǎn)生。因此，對(duì)液壓元件進(jìn)行熱力學(xué)建模，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)其溫度變化，對(duì)于改進(jìn)液壓系統(tǒng)溫度控制，提高液壓控制系統(tǒng)可靠性有著重要的意義。

螺紋插裝閥在國(guó)外被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械、車輛、和農(nóng)用機(jī)械等領(lǐng)域。在國(guó)內(nèi)因其能夠簡(jiǎn)便、緊湊、靈活地實(shí)現(xiàn)各種壓力、流量和方向控制的功能，也正得到越來(lái)越多的青睞。以往對(duì)螺紋插裝閥的研究多為結(jié)構(gòu)原理和壓力流量動(dòng)態(tài)特性分析[1-4]，而對(duì)其熱力學(xué)性能、溫度響應(yīng)的研究則較少。傳統(tǒng)的系統(tǒng)分析中僅將螺紋插裝閥簡(jiǎn)化為一個(gè)節(jié)流阻性元件，利用能量守恒計(jì)算閥的穩(wěn)態(tài)溫度變化。Slidder J.A.等[5]提出一種研究流體動(dòng)力系統(tǒng)中液壓熱力學(xué)特性的模型。LI Cheng-gong等[6]建立了泵的熱力學(xué)模型。李永林等[7]以模塊化建模方法，提出了液壓系統(tǒng)熱力學(xué)模塊化建模方法。胡均平等[8]結(jié)合熱力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)建立了液壓打樁錘緩沖裝置動(dòng)態(tài)模型。以上的研究對(duì)液壓系統(tǒng)熱力學(xué)建模分析都有很大的參考意義。

本文結(jié)合熱力學(xué)理論和螺紋插裝閥特殊結(jié)構(gòu)下的壓力流量特性，提出了螺紋插裝方向閥熱力學(xué)建模方法，并利用該模型對(duì)一型螺紋插裝閥開(kāi)展仿真分析，分析結(jié)果的合理性驗(yàn)證了模型的有效性。

1 ?動(dòng)態(tài)模型基礎(chǔ)

在建立質(zhì)量和能量守恒方程時(shí)可以從多種不同的熱力學(xué)參數(shù)中選擇，如壓力、密度和焓。然而，選擇確實(shí)可測(cè)的參數(shù)來(lái)建立等式將更有價(jià)值。因此，選擇溫度和壓力來(lái)建立質(zhì)量和能量守恒方程。

采用開(kāi)口系統(tǒng)分析，控制體模型如圖1所示，不考慮控制體內(nèi)部較小的動(dòng)能和勢(shì)能的影響;螺紋插裝方向閥閥體與油液接觸面積較小，故不計(jì)油液的軸功;閥芯往復(fù)運(yùn)動(dòng)速度及正壓力均較小，所以可忽略外界給控制體的熱流量，這樣由能量守恒定律可得[9]：

選定螺紋插裝方向閥控制體后，即可由式（14）、（15）計(jì)算出溫度的動(dòng)態(tài)變化。

2 ?螺紋插裝方向閥控制原理

螺紋插裝方向閥結(jié)構(gòu)原理如圖2[11]。閥口①③連接進(jìn)油和回油管路，閥口②④連接負(fù)載，閥口⑤⑥為導(dǎo)壓控制口，油路接通后由導(dǎo)壓腔內(nèi)油壓控制閥芯位移，實(shí)現(xiàn)油路換向。

本文以一個(gè)一閥芯工作部分基本對(duì)稱的正開(kāi)口量的閥為例進(jìn)行說(shuō)明。假設(shè)閥芯中位時(shí)，其進(jìn)油和回油口也對(duì)稱，閥口超出兩側(cè)閥肩各Zmm（Z

當(dāng)|x|

4 ?仿真分析

4.1 仿真系統(tǒng)原理

為研究螺紋插裝方向閥進(jìn)油口的溫度特性，采用圖5所示的系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析。用一個(gè)節(jié)流裝置模擬負(fù)載。主要參數(shù)設(shè)置如表1。

4.2 主要參數(shù)研究

以MATLAB/Simulink為計(jì)算工具，建立油液特性參數(shù)計(jì)算、螺紋插裝方向閥、節(jié)流裝置和管路的仿真模塊，并帶入表1中數(shù)據(jù)，仿真求解。

設(shè)置進(jìn)油口壓力p3=10MPa，進(jìn)油口溫度TP=TH=25℃，閥芯位移x=5mm，以階躍信號(hào)輸入，t=1s，圖6中為螺紋插裝方向閥各油口溫度（TA、TB、TT）動(dòng)態(tài)曲線仿真結(jié)果。

由圖6可知，閥未打開(kāi)時(shí)，TB、TT已開(kāi)始升高，這是由于閥是正開(kāi)口量的，由開(kāi)口處進(jìn)入的油液引起閥口溫度變化，油溫上升速度先加快后減慢，這是由于插裝閥特殊通油孔結(jié)構(gòu)引起的。而A口溫度TA只在閥打開(kāi)，形成回流流量后才開(kāi)始變化。閥打開(kāi)后，油路中低溫油液回油，使TT先降低再升高。

4.2.1 進(jìn)油口溫度的影響

其余參數(shù)設(shè)置不變，改變進(jìn)油口溫度TP，仿真結(jié)果如圖7所示。X軸為不同的進(jìn)油口溫度TP，Y軸表示進(jìn)油質(zhì)量流量（kg/s）。由圖可知，方向閥進(jìn)油口溫度越高，閥的進(jìn)油流量越少，影響換向精度。實(shí)際工作中，閥的進(jìn)油口溫度與系統(tǒng)溫度和環(huán)境溫度密切相關(guān)，因此在控制精度要求較高的系統(tǒng)中，必須控制系統(tǒng)油液溫度和環(huán)境溫度。

4.2.2 進(jìn)油口壓力的影響

5 ?結(jié)論

結(jié)合兩大守恒定律和閥的流量壓力特性，提出了螺紋插裝閥熱力學(xué)建模的方法。該建模方法克服了傳統(tǒng)建模中簡(jiǎn)單地將閥作為一個(gè)節(jié)流單元的不足。仿真結(jié)果表明，模型很好地反映了螺紋插式方向閥在各種工況下的熱力學(xué)響應(yīng)特性。這種理論和建模方法，為深入研究含螺紋插裝閥的液壓系統(tǒng)發(fā)熱原理，提高系統(tǒng)建模精度提供了理論工具。

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