先導式SMC減壓閥的靜動(dòng)態(tài)特性仿真分析
    由于其靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對整個(gè)回路的工作狀態(tài)有影響，因此，需對減壓閥的工作特性進(jìn)行研究。針對典型結構的先導式減壓閥，建立其數學(xué)模型和仿真模型，根據仿真結果對其輸出壓力、流量等靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行分析，可對減壓閥的工作狀態(tài)和內部機制有更深刻的理解。仿真結果表明: 利用AMESim 進(jìn)行仿真具有建模簡(jiǎn)便、模型、運算快捷的，能夠有效節省試驗和設計成本。
    SMC減壓閥是一種利用氣液流經(jīng)閥口節流作用產(chǎn)生壓力損失從而使出口壓力( 二次壓力) 小于入口壓力( 一次壓力) 的壓力調節閥，內部通常利用結構元件作用和壓力差的平衡從而保持穩定輸出壓力。定壓輸出減壓閥從結構上可以分為直動(dòng)式減壓閥和先導式減壓閥。先導式減壓閥雖然結構復雜，但在靜態(tài)特性和穩定性上優(yōu)于直動(dòng)式減壓閥，在中高壓氣液動(dòng)系統中得到廣泛應用。減壓閥的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性對于整個(gè)回路系統的工作狀態(tài)有影響，因此，在液動(dòng)系統設計中，有必要對減壓閥的工作特性進(jìn)行研究分析。
    1、SMC減壓閥的基本結構
    SMC減壓閥主要由壓力調整機構( 先導控制閥) 和流量控制機構( 主閥) 兩部分組成，如圖1所示。先導式減壓閥的輸出壓力通過(guò)調整先導閥調節螺栓改變調壓彈簧的彈力得到。一次壓力油液從進(jìn)油口進(jìn)入高壓腔，經(jīng)過(guò)主閥芯與閥套間的節流縫隙，得到二次壓力，然后從出油口流出。二次壓力腔通過(guò)小孔或溝槽與主閥芯底部容腔相通，且通過(guò)主閥芯中部阻尼孔流入主閥芯上部容腔，進(jìn)而利用通孔將液壓力作用于先導閥的錐形閥芯上。
    當二次壓力小于小設定輸出壓力時(shí)，先導閥的閥芯關(guān)閉，主閥芯在平衡彈簧作用下處于位置，此時(shí)主閥芯與閥套的節流縫隙大，控制窗口處于全開(kāi)狀態(tài)，主閥芯阻尼孔中無(wú)油液流動(dòng)，進(jìn)出容腔短接，減壓閥處于非工作狀態(tài)。當二次壓力升高時(shí)，先導閥前腔壓力高于調節彈簧力，則先導閥打開(kāi)， 產(chǎn)生先導流量， 主閥閥芯底腔壓力升高，在壓力差的作用下克服平衡彈簧力向上移動(dòng)，主閥芯與閥套的節流縫隙減小，即控制窗口減小，二次壓力降低，經(jīng)過(guò)相互作用，直到作用在主閥閥芯上的液壓差與平衡彈簧的彈力在新的位置上達到平衡為止。
    SMC減壓閥此時(shí)，二次壓力為設定輸出壓力，而先導閥的閥芯處于微小開(kāi)啟的平衡狀態(tài)，而經(jīng)先導閥流出的油液流回油缸。當輸入壓力或油液流量在一定范圍變化時(shí)，由于主閥芯與閥套間的節流縫隙變化相對量較小，且滑閥面積較大，可以使得輸出壓力始終保持在設定壓力附近，穩定性較。
    介紹了氣體先導式減壓閥的工作原理，建立了減壓閥閥芯節流數學(xué)模型，分析了減壓閥靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。
    1、先導式減壓閥的概述
    減壓閥是一種自動(dòng)降低管路工作壓力的專(zhuān)門(mén)裝置，作用是在給定減壓范圍后，將閥前管路較高的壓力降低至閥后管路所需的水平。減壓閥廣泛用于高層建筑、城市給水管網(wǎng)水壓過(guò)高的區域、礦井和氣體管路等。隨著(zhù)工業(yè)控制精度的提高，減壓閥的控制精度也逐步提高，要求閥后壓力穩定，過(guò)流能力大，反向壓力損失小，瞬態(tài)恢復時(shí)間短，減壓和卸壓時(shí)間短，壓力調率低，開(kāi)展減壓閥靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究，有利于了解其控制能力和狀態(tài)。
    2、先導式減壓閥的工作原理
    先導式減壓閥主要由閥體、主彈簧、主閥芯、主閥座、先導閥芯、先導閥座、先導活塞和調整彈簧等組成(圖1) 。擰動(dòng)調節螺釘，壓縮調整彈簧，頂開(kāi)先導閥芯，介質(zhì)從進(jìn)口側進(jìn)入活塞上方，由于活塞面積大于主閥閥芯面積，推動(dòng)活塞向下移動(dòng)，使主閥打開(kāi)，由閥后壓力平衡調節彈簧的壓力改變導閥的開(kāi)度，從而改變活塞上方的壓力，控制主閥芯的開(kāi)度使閥后壓力保持恒定。
    SMC減壓閥假設氣體為氣體，滿(mǎn)足氣體狀態(tài)方程。忽略減壓閥工作過(guò)程的溫度變化和節流處的阻尼，工作過(guò)程中節流處流量系數不變; 各容腔內的壓力場(chǎng)均勻分布，氣源為恒壓源。
    SMC減壓閥的特性分靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性?xún)煞N。靜態(tài)特性是指在穩定流動(dòng)狀態(tài)下，減壓閥出口壓力與進(jìn)口壓力或流量等參數間的函數關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指在進(jìn)口壓力或流量突然變化或其他擾動(dòng)因素的作用下，減壓閥出口壓力與時(shí)間的函數關(guān)系。
    4.1、靜態(tài)特性
    靜態(tài)仿真結果如圖3 所示，P1為進(jìn)口試驗壓力( P1 = 20MPa) ，P2為出口試驗數據，P2 - 20、P2 - 15和P2 - 10分別為進(jìn)口試驗壓力為20MPa、15 MPa 和10MPa 下的仿真出口壓力。從試驗結果分析，進(jìn)口壓力為20 MPa 時(shí)，其試驗數據和仿真P2 - 20數據變化
    趨勢基本相同，初始階段出口壓力快速上升。經(jīng)過(guò)適當振蕩后壓力逐漸穩定，調量較小僅為3%，終試驗數據穩定在4. 35 MPa，P2 - 20穩定在4.25MPa，兩者有一定差異，但在可接受范圍內，模型較準確。利用模型仿真的進(jìn)口壓力15 MPa 和10MPa下出口壓力的變化情況，對比P2 - 20、P2 - 15和P2 -10曲線(xiàn)可以發(fā)現，三條曲線(xiàn)變化趨勢相同。在穩定階段壓力波動(dòng)狀態(tài)*一致，在不同壓力下出口壓力也不相同，進(jìn)口壓力越小則出口壓力也越小，但比進(jìn)口壓力減小比例小，即出口壓力變化小，符合減壓閥設計要求。
    進(jìn)口壓力和出口壓力的試驗和仿真數據
    1. P1—進(jìn)口試驗數據 2. P2—出口試驗數據 3. P2 - 20—仿真進(jìn)口壓力為20MPa 時(shí)的出口數據 4. P2 - 15—仿真進(jìn)口壓力為15MPa 時(shí)的出口數據 5. P2 - 10—仿真進(jìn)口壓力為10MPa 時(shí)的出口數