重载车辆转向应急阀特性分析

重载车辆转向应急阀特性分析

曹永1,张小江2

（1. 徐工集团 徐州重型机械有限公司,徐州 221004; 2.吉林大学 机械与航空航天工程学院,长春 130022）

摘要:针对重载车辆转向系统中的应急阀结构，建立了其仿真分析模型。本文对应急阀进行了大流量条件下的特性分析，在试验台架上对应急阀进行了性能测试和分析，仿真分析结果和试验测试结果是一致的，证明了应急阀模型的正确性。同时进行应急阀特性影响因素分析，结果也表明：应急阀切换与两个进油口通过的流量相关，与两油口的压力大小无关，可通过调整阀芯弹簧的初始预紧力、阀芯节流口尺寸及阀芯初始开度来改变应急阀特性；改变阀芯的弹簧刚度对应急阀特性影响较小。

关键词：应急阀; 转向; 特性分析

0 引言

随着重型车辆的应用推广，对其行驶安全性提出了越来越高的要求。重型车辆使用环境恶劣，对其转向安全性要求更高。为保证车辆在发动机失去动力条件下，车辆仍保持一定的转向能力，在转向系统中新增应急转向系统。通过应急阀将应急转向系统和正常行驶系统进行自动切换；当正常行驶的车辆转向系统失效或发动机失去动力时，应急转向系统起动，从而保证车辆的正常转向功能。应急阀性能好坏直接关系到车辆的行驶安全性。目前大部分文献重点关注正常行驶条件下车辆的转向性能[1-2]，但对于车辆在紧急条件下的应急转向研究相对较少[3-8]。

本文以应急阀作为研究对象，分析应急阀的工作原理，建立应急阀仿真分析模型，在分析的基础上，搭建试验台架，验证了模型的正确性。对应急阀的影响因素进行了分析，论文的研究对重型车辆应急转向系统的设计有一定的指导意义。

1应急阀工作原理

应急阀的工作原理如图1所示。该应急阀主要有四个油口，两个进油口P1和P2，两个出油口A和T。进油口P1口与正常行驶用油泵相连，进油口P2口与应急泵相连，出油口A口与转向器的进油口相连，回油口T口与油箱连通。当P1口流量较大时，P1口和A口相通，给转向器供油。当P1口没有流量或流量较小时，阀芯在左侧弹簧压力的作用下，P2口与A口连通，P2口流量从A口输出，给转向器供油；同时P1口液压油通过阀芯中的孔道通过单向阀3由A口流出，此时A口流量为P1口流量和P2口流量之合。当P1口流量较大时，阀芯左右两侧会产生较大的压力差，迫使阀芯左移，此时P2口与A口封闭，P2口流量通过单向阀1回油，A口的流量与P1口流量相同。车辆在正常情况下，P1口流量较大，应急泵的流量通过P2口从回油口流出，不参与转向。只有当正常行驶用转向泵损坏或供油不足，此时P1口流量较少或无流量，应急泵输出流量从P2口直接进入A口参与转向，这就保证了车辆在特殊情况下的正常工作。

图1 应急阀结构结构

1-壳体；2-阀芯；3-单向阀1；4-单向阀2；5-阀芯弹簧；6-单向阀3。

2 仿真模型建立

仿真分析模型基于AMESIM建立，在模型建立中，用到的数学模型如下：

(1)锥形阀模型

锥形阀模型用于建立单向阀2和单向阀3的数学模型。其锥形阀模型分为三段，其具体模型如下：

1) 当时

;

，

；

式中：dpop-阀芯的外径；cdpop-阀芯和阀体的间隙；dr-杆径；lc-阀芯锥体的长度；α-锥体的锥角；la-阀芯的总长；xlap-有效的阀芯位移;s-通流面积；Qnom-流量；Dh-水力直径。

2)当时

;

;

；

3)当时

;

;

;

式中：

。

(2)泄露

在阀芯中难免产生泄露，泄露的流量用以下公式计算：

阀芯两端力的关系：

(3)弹簧

在应急阀中有四个弹簧，弹簧刚度的计算公式为

；

式中：G-弹簧的剪切模量；d-弹簧丝的直径，D-弹簧的直径，-弹簧的圈数。

(4)球阀

球阀的通流面积为

式中：

水力直径为

式中：-孔直径；-球直径；

通过AMESIM建立的应急阀仿真分析模型如图2所示。

图2 应急阀仿真分析模型

3 仿真分析

为了验证仿真分析的正确性，对应急阀进行了专门的实验。测试了在A口不同压力条件下，P1口、P2口不同流量对应急阀的影响。

当出油口A压力20MPa保持不变，P2口的流量从0逐渐增大到60L/min情况下，P2口不同流量条件下出油口A口的输出流量分别如图3和图4所示。

图3 P2口流量为15L/min时仿真结果和试验结果对比

图4 P2口流量为60L/min时仿真结果和试验结果对比

从图3和图4可以看出：应急阀在小流量和大流量条件下，仿真结果和试验结果基本是一致的，证明仿真模型在一定程度上是正确的。

通过进一步分析得到P2口在不同流量条件下，A口流量和T口流量与P1口流量的关系，分别如图5和图6所示。

图5 A口流量与P1口流量关系曲线

图6 T口流量与P1口流量关系曲线

从图5和图6可以看出：当P1口流量小于15L/min时，A口的输出流量随着P2口流量的增加而增大，此时出油口T无油液留出，说明P2口与A口完全导通，P1口和P2口的流量均通过A口流出；随着P1口流量继续增大，此时A口的流量降低，同时T口的流量增加。当P1口流量较大时，P1口流量和A口输出流量相当，P2口流量与T口流量相同，说明P2口与A口处于断开状态，P2口与T口完全导通。应急阀在切换过程中，各出油口的流量均会产生一定的突变，P2口流量越大P2口与T口打开的瞬间A口的流量突变的幅度越大，但P2口与A口关闭的瞬间A口流量突变幅度越小。

下一步分析各主要影响因素对应急阀的影响规律。阀芯弹簧的预紧力和刚度对应急阀的影响如图7和图8所示。

图7阀芯预紧力对应急阀的影响

图8 阀芯弹簧刚度对应急阀的影响

从图7和图8可以看出：阀芯弹簧的预紧力对应急阀有较大影响，而阀芯弹簧的刚度对应急阀几乎不产生影响。随着弹簧预紧力的增加，P2口与T口打开及P2口与A口关闭所需P1口的流量要加大。

P2口至T口初始开度对应急阀的影响如图9所示。

图9 P2口与T口的初始开度对应急阀的影响

从图9可以看出：P2口与T口间的初始开度只影响切换过程中的动态响应，但不影响应急阀流量切换的临界值。初始开度越小，切换过程中流量的变化幅度较大。

阀芯中节流口尺寸对应急阀的影响如图10所示。

图10 阀芯节流口尺寸对应急阀的影响

从图10可以看出：节流口越小，P1口流量对应急阀切换影响越灵敏，同时P2口与T口打开所需流量及P2口与A口关闭所需流量均较小，且这两个流量间的差值也越小。

4结论

本文以应急阀为研究对象，在验证仿真模型正确性的基础上，分析了各影响因素对应急阀的影响规律。通过分析可得到以下结论：(1)阀芯弹簧预紧力、阀芯节流口的尺寸对应急阀的影响较为明显。预紧力和阀芯节流口尺寸增加，均可使P2口与T口打开所需流量及P2口与A口关闭所需流量增大；(2)阀芯开度对切换流量基本不产生影响，但会影响切换过程中流量变化的幅值，初始开度越小，切换过程中流量的变化幅度较大。(3)阀芯弹簧刚度对应急阀流量特性基本不产生影响，这有利于应急阀阀芯弹簧的选型。本文的建模分析对应急阀的设计及使用选型提供一定的参考依据。

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