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摘 要：本文以高压气体作用下气动溢流阀为研究对象，用AMESim中的PCD库对其进行建模仿真，分析在不同气压、弹簧刚度、阻尼孔直径作用下，阀芯的动态响应特性。研究结果表明：随着气瓶压力值或弹簧刚度的增大，阀芯的动态响应频率减小；阻尼孔直径小范围变化时，对溢流阀动态性能影响不明显。研究成果旨在应用于溢流阀的研制和生产，为溢流阀结构参数设计提供参考。
关键词：高压；气动溢流阀；动态特性
中图分类号：034 文献标识码：B
溢流阀是各种气液压设备中重要的压力控制单元，在工程机械、汽车工业、航空航天、船舶交通等各个领域中有着广泛的应用。重量轻、尺寸小、灵敏度高、稳定性好是各行各业在溢流阀设计中面临的共性问题。因此，分析不同环境参数、结构参数对溢流阀动态响应特性的影响，以提高其工作性能，保障高压气动系统的安全是问题分析的关键。
目前，国内外对溢流阀的研究和应用还主要侧重于液压环境、低气压环境，常用的方法是根据经验确定有关参数，通过试验来检验其特性，并修正设计参数[1]。对于高压气动溢流阀的研究还较少，为了获得理想的动态品质，得知溢流阀真实工作状态下其内部结构参数的变化对其动态特性的影响很有意义。本文以高压气体作用下气动溢流阀为研究对象，运用AMESim中的PCD库进行建模仿真，分析在不同气压、阻尼孔直径、弹簧刚度作用下，阀芯的动态响应特性。
1 溢流阀数学原理
溢流阀工作原理为当系统的压力达到或超过溢流阀的调节压力时，系统的气体通过阀口溢往大气，以维持系统压力峰值不会超过设定值，防止系统压力过载，保障执行机构、阀和系统的安全。
溢流阀动态特性是接到输入信号以后，高压腔的压力瞬态峰值与波动情况、负载或控制机构的响应速度。求解动态特性需要建立动态模型，通常是一组以时间为独立变量的微分方程[2]。
高压气动阀口流量公式：
式中：Ave为有效面积，p为阀口入口压力，k为绝热指数，空气k=1.4，R为气体常数，干空气R=287.1J/（kg·K），T为阀口入口温度。
当阀芯只在气压力、弹簧力和重力作用下处于平衡状态，阀芯运动时的动力学平衡方程为：
式中：Qvacosα项是阀口的稳态气动力，Me为阀芯运动的当量质量，y为阀芯位移，a为声速，α为气体流出阀口时的方向与阀芯轴线夹角，K为弹簧刚度，B为变向粘性阻力系数，Fr为阀芯与阀套之间的干摩擦力，C为单向粘性阻力。
阀腔连续性方程为：
式中：πDvpδ36lv是泄漏量，δ为环缝间隙，l为环缝密封长度，v为气体运动粘度，V为弹簧腔容积。
通过式（2）、（3）得出阀芯动态特性的二元二阶非线性微分方程组，即气动溢流阀的动态数学模型[3]：
式中：Cv为阀口收缩系数，无量纲。
针对溢流阀的几何参数，当输入一个压力信号，通过求解上述微分方程组，即可求得阀的动态响应过程。
2 溢流阀AMESim模型
AMESim提供了一个系统及工程的完整平台，从其丰富的气动库和气动元件设计库可以搭建气路系统[3]。但是，其中的气路控制阀门种类较为单一，不能满足气动系统设计要求，需要根据气路控制的结构设计原理，利用PCD库（气动元件库）的子模型组合建立控制阀的模型。通过PCD库建立的溢流阀仿真模型，如图1所示。
3 仿真分析
设定图1溢流阀的参数，其中作为输入信号的环境参数气瓶压力分别为20MPa、25MPa、30MPa进行变化；作为结构参数的弹簧刚度分别为40N/mm、50N/mm、60N/mm进行变化；阻尼孔直径分别为2mm、2.5mm、3mm进行变化；分析阀芯的动态响应特征。
从图2可以看出：气瓶压力值的大小对阀芯的输出位移的动态品质影响较大。气瓶充气压力值越大，溢流阀阀芯起始响应时间越短，阀芯的动态响应频率越小，阀芯的振荡次数越少。
从图3可以看出：弹簧刚度的大小对阀芯的输出位移的动态品质稍有影响。弹簧刚度越大，阀芯的动态响应频率越小，阀芯的振荡次数越少；但是对溢流阀阀芯起始响应时间的影响敏感度不高。
从图4可以看出，阻尼孔直径在小范围之间变化时，阀芯响应的起始响应时间、动态响应频率几乎没有变化，对溢流阀动态性能影响不明显。
4 结论
通过AMESim对溢流阀进行建模和仿真，得出了气瓶充气压力、弹簧刚度、阻尼孔直径等参数对溢流阀动态品质的影响。结果表明，气瓶充气压力值越大，溢流阀阀芯起始响应时间越短，阀芯的动态响应频率越小。弹簧刚度越大，阀芯的动态响应频率越小。阻尼孔直径在小范围之间变化时，对溢流阀动态性能影响不明显。
要想提高溢流阀的动态工程品质，可根据仿真分析结果，改变溢流阀内部结构尺寸，来达到满足设计要求的目的。
参考文献：
[1]曾祥榮，叶文柄，吴沛荣.液压传动.北京：国防工业出版社，1980.
[2]李建藩.气压传动系统动力学.广州：华南理工大学出版社，1991.
[3]KOHNOH，BATHE K J. Aninenode quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673699.
[4]付永领，齐海涛.AMESim系统建模与仿真实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版署，2011.
项目名称：装备预研中航工业联合基金项目（编号：6141B050706）
关键词：高压；气动溢流阀；动态特性
中图分类号：034 文献标识码：B
溢流阀是各种气液压设备中重要的压力控制单元，在工程机械、汽车工业、航空航天、船舶交通等各个领域中有着广泛的应用。重量轻、尺寸小、灵敏度高、稳定性好是各行各业在溢流阀设计中面临的共性问题。因此，分析不同环境参数、结构参数对溢流阀动态响应特性的影响，以提高其工作性能，保障高压气动系统的安全是问题分析的关键。
目前，国内外对溢流阀的研究和应用还主要侧重于液压环境、低气压环境，常用的方法是根据经验确定有关参数，通过试验来检验其特性，并修正设计参数[1]。对于高压气动溢流阀的研究还较少，为了获得理想的动态品质，得知溢流阀真实工作状态下其内部结构参数的变化对其动态特性的影响很有意义。本文以高压气体作用下气动溢流阀为研究对象，运用AMESim中的PCD库进行建模仿真，分析在不同气压、阻尼孔直径、弹簧刚度作用下，阀芯的动态响应特性。
1 溢流阀数学原理
溢流阀工作原理为当系统的压力达到或超过溢流阀的调节压力时，系统的气体通过阀口溢往大气，以维持系统压力峰值不会超过设定值，防止系统压力过载，保障执行机构、阀和系统的安全。
溢流阀动态特性是接到输入信号以后，高压腔的压力瞬态峰值与波动情况、负载或控制机构的响应速度。求解动态特性需要建立动态模型，通常是一组以时间为独立变量的微分方程[2]。
高压气动阀口流量公式：
式中：Ave为有效面积，p为阀口入口压力，k为绝热指数，空气k=1.4，R为气体常数，干空气R=287.1J/（kg·K），T为阀口入口温度。
当阀芯只在气压力、弹簧力和重力作用下处于平衡状态，阀芯运动时的动力学平衡方程为：
式中：Qvacosα项是阀口的稳态气动力，Me为阀芯运动的当量质量，y为阀芯位移，a为声速，α为气体流出阀口时的方向与阀芯轴线夹角，K为弹簧刚度，B为变向粘性阻力系数，Fr为阀芯与阀套之间的干摩擦力，C为单向粘性阻力。
阀腔连续性方程为：
式中：πDvpδ36lv是泄漏量，δ为环缝间隙，l为环缝密封长度，v为气体运动粘度，V为弹簧腔容积。
通过式（2）、（3）得出阀芯动态特性的二元二阶非线性微分方程组，即气动溢流阀的动态数学模型[3]：
式中：Cv为阀口收缩系数，无量纲。
针对溢流阀的几何参数，当输入一个压力信号，通过求解上述微分方程组，即可求得阀的动态响应过程。
2 溢流阀AMESim模型
AMESim提供了一个系统及工程的完整平台，从其丰富的气动库和气动元件设计库可以搭建气路系统[3]。但是，其中的气路控制阀门种类较为单一，不能满足气动系统设计要求，需要根据气路控制的结构设计原理，利用PCD库（气动元件库）的子模型组合建立控制阀的模型。通过PCD库建立的溢流阀仿真模型，如图1所示。
3 仿真分析
设定图1溢流阀的参数，其中作为输入信号的环境参数气瓶压力分别为20MPa、25MPa、30MPa进行变化；作为结构参数的弹簧刚度分别为40N/mm、50N/mm、60N/mm进行变化；阻尼孔直径分别为2mm、2.5mm、3mm进行变化；分析阀芯的动态响应特征。
从图2可以看出：气瓶压力值的大小对阀芯的输出位移的动态品质影响较大。气瓶充气压力值越大，溢流阀阀芯起始响应时间越短，阀芯的动态响应频率越小，阀芯的振荡次数越少。
从图3可以看出：弹簧刚度的大小对阀芯的输出位移的动态品质稍有影响。弹簧刚度越大，阀芯的动态响应频率越小，阀芯的振荡次数越少；但是对溢流阀阀芯起始响应时间的影响敏感度不高。
从图4可以看出，阻尼孔直径在小范围之间变化时，阀芯响应的起始响应时间、动态响应频率几乎没有变化，对溢流阀动态性能影响不明显。
4 结论
通过AMESim对溢流阀进行建模和仿真，得出了气瓶充气压力、弹簧刚度、阻尼孔直径等参数对溢流阀动态品质的影响。结果表明，气瓶充气压力值越大，溢流阀阀芯起始响应时间越短，阀芯的动态响应频率越小。弹簧刚度越大，阀芯的动态响应频率越小。阻尼孔直径在小范围之间变化时，对溢流阀动态性能影响不明显。
要想提高溢流阀的动态工程品质，可根据仿真分析结果，改变溢流阀内部结构尺寸，来达到满足设计要求的目的。
参考文献：
[1]曾祥榮，叶文柄，吴沛荣.液压传动.北京：国防工业出版社，1980.
[2]李建藩.气压传动系统动力学.广州：华南理工大学出版社，1991.
[3]KOHNOH，BATHE K J. Aninenode quadrilateral FCBI element for incompressible fluid flows[J]. International Journal for Numerical Methods in Fluids， 2006，51：673699.
[4]付永领，齐海涛.AMESim系统建模与仿真实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版署，2011.
项目名称：装备预研中航工业联合基金项目（编号：6141B050706）