苗亮亮，雷巧丽，刘春强，金开

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

基于AMESim的桥梁检测车用平衡阀动态特性分析

苗亮亮，雷巧丽，刘春强，金开

（陕西汽车控股集团有限公司，陕西 西安 710200）

针对桥检车垂直臂升降油缸易出现低速爬行、低频抖动以及气蚀的现象，分析了桥检车用螺纹插式平衡阀的结构特点和工作原理，建立了平衡阀和平衡回路的AMESim模型，研究平衡阀控制比、主阀芯面积梯度、调压弹簧预紧力以及控制油路阻尼对平衡回路动态特性的影响，为平衡阀选型设计及平衡回路的匹配提供参考。

桥检车；平衡阀；动态特性；仿真分析

引言

桥梁检测车是用于桥梁健康检测的特种工程车辆。它通过三段巨型机械臂的回转、伸缩将工作人员和检测设备送至桥梁底部工作范围内的任意位置进行桥梁检测作业[1]。桥检车垂直臂下降过程产生巨大的负负载，针对性的设计平衡回路，确保垂直臂平稳下落。平衡阀作为平衡回路的核心控制元件，其性能直接影响着桥检车工作性能和安全可靠性。桥检车垂直臂上升时，油缸的负载方向与运动方向相反，即正负载，

平衡阀作为顺序阀，使油液顺利进入油缸；桥检车垂直臂下降时，油缸的负载方向与运动方向相同，即负负载，平衡阀会在液压缸的回油路上形成背压，用于平衡负载，限制运动部件的速度以达到运动部件平稳动作的目的。在实际应用中，桥检测垂直臂升降油缸易出现“低速爬行”、“低频抖动”，且平衡阀易产生气穴、漩涡、噪声等现象[2]。因此，分析平衡阀的结构及其参数对平衡回路的影响，对平衡阀及平衡回路的优化设计具有重要意义。螺纹插装式平衡阀以结构紧凑、安装方便等特点为目前桥梁检测车普遍选用。以桥梁检测车垂直臂升降油缸平衡阀为研究对象，分析平衡阀结构和工作原理，搭建基于AMESim的平衡阀模型，研究平衡阀主要结构参数对平衡回路动态特性的影响。

1 桥检车螺纹插装式平衡阀的结构及工作原理

该平衡阀主要由调压螺杆1、锁紧螺母2、阀体3、调压弹簧4、阀体5、弹簧座6、导向套7、垫圈8、主阀阀芯9、单向阀阀芯10、复位弹簧11、卡套12等组成，如图1所示。平衡阀上有主油口①、②和控制油口③分别连接平衡回路中的液压缸、换向阀和控制油路。

图1 平衡阀结构

图2 平衡阀原理

当液流从油口②流向油口①时，由于复位弹簧弹力很小，单向阀在很小的压差作用下打开，为单向阀的正向流动工况。当液流从油口①流向油口②时，单向阀关闭，油口①处的压力达到一定值时，主阀阀芯9克服调压弹簧的预紧力向左运动，直至顶在弹簧座6上，当控制油口③的压力达到调压弹簧4和主阀芯9环形面积所确定的控制压力值时，主阀芯9向左运动，阀口才能打开，实现压力油从油口①向油口②的流动。阀口的开度由控制压力决定，即依据负载自动调节，确保油口①至油口②的流量基本不变，实现垂直臂平稳下降。

该平衡阀还具有安全阀功能，当无控制压力时，油口①如果因油温升高、过载等原因压力上升，超过设定压力时，由于主阀芯9的右端面具有很小的承压面积，因此主阀芯9在压力油的作用下可以克服调压弹簧4的预紧力打开阀口溢流，保护油缸。

2 仿真模型搭建

图3 平衡阀AMESim模型

根据平衡阀结构和液压回路，利用AMESim建立某型号桥检车垂直臂升降油缸平衡阀工作状态仿真模型，如图3所示。单向阀模型由两个 HCD子模型组成，包括一个带弹簧活塞子模型。主阀芯由4个HCD子模型组成，包括一个带弹簧活塞和一个锥形阀芯子模型。考虑了阀芯惯性效应对动态性能的影响，且考虑单向阀芯和主阀芯的相对运动关系，加入了相对运动质量块子模型[3]。各子模型参数依照平衡阀、油缸实际参数和工况设定。

3 仿真结果分析

以某型号桥检测垂直臂升降油缸下降的动态过程为研究对象，设定仿真时间为6秒，仿真步长0.001秒。

3.1 控制油路阻尼孔直径的影响

图4为不同的控制口阻尼孔直径对活塞有杆腔压力响应曲线，图中给出了阻尼孔直径分别取0.6mm、0.4 mm、0.3mm时的响应曲线，由图可知，阻尼孔为φ0.6mm时，有杆腔压力全程波动，油缸不能平稳下降，阻尼孔为φ0.4mm时，经过2.5秒波动，油缸平稳下降，阻尼孔为φ0.3mm时，经过1.5秒波动，油缸平稳下降。控制油路阻尼能有效削弱控制压力波动对主阀芯的影响，有利于回路稳定，但是过小的阻尼孔降低了主阀芯的开启速度，导致启动压力冲击增大，另外，过小的节流孔易被堵塞。对于该型号的平衡阀，控制油路阻尼孔直径宜选用φ0.4mm。

图4 控制口阻尼孔直径对油缸有杆腔压力响应的影响

3.2 平衡阀控制比对其稳定性的影响

图5为不同控制比的平衡阀仿真结果。由图可知，有杆腔压力全程波动，油缸不能平稳下降。但是随着控制比下降，压力波动峰值下降，震动减弱，这是因为控制比下降减小了控制压力作用在主阀芯端面上的力，也就减小了主阀芯的行程波动幅值，从而降低了主阀口的通流面积变化量。

图5 控制比对油缸有杆腔压力响应的影响

3.3 主阀芯面积梯度对平衡阀稳定性的影响

图6为不同阀口面积梯度的平衡阀仿真结果，由图可知，锥角45°和60°时，有杆腔压力全程波动，油缸不能平稳下降，锥角30°时，经过2.5秒波动，油缸平稳下降。随着主阀芯锥角下降，压力波动峰值下降，震动减弱，趋于平稳。这是因为锥角减小降低了主阀芯的面积梯度，即降低了主阀口通流面积对阀芯行程变化的敏感度。

图6 主阀芯面积梯度对油缸有杆腔压力响应的影响

3.4 调压弹簧预紧力对平衡阀稳定性的影响

图7 调压弹簧预紧力对油缸有杆腔压力响应的影响

图7为不同调压弹簧预紧力的平衡阀仿真结果，由图可知，随着调压弹簧的预紧力减小，压力波动峰值下降，震动减弱，适当减小弹簧预紧力有利于系统的稳定。为了提高平衡阀的闭锁压力，需要足够的调压弹簧预紧力，预紧力增大会造成主阀芯位移减小，使阀开口度减小，导致阀口油液流速变化增大，产生液压冲击，还会在阀口附近形成低压区产生气泡和噪声，造成对主阀芯的气蚀，会大大降低平衡阀的使用寿命。

4 结论

通过建立桥检测垂直臂升降油缸平衡回路的 AMESim模型进行仿真分析，得出一些结论：

（1）平衡阀控制比低，稳定性好，但能耗高；

（2）平衡阀面积梯度小，稳定性好，但最大通流量受到限制。对于流量不大但压力波动大的系统，可以选用节流型或半节流型平衡阀，控制效果会稳定些；

（3）在满足负载保持功能的前提下，适当调小调压弹簧预紧力，有利于系统稳定；

（4）控制油路阻尼能有效削弱控制压力波动对主阀芯的影响，有利于回路稳定，可以在控制油路上设置单向节流阀提高系统稳定性，同时不降低平衡阀响应速度。

[1] 石文燕,任立峰,李新美.桥梁检测车液压系统的改进设计 [J].农业装备与车辆工程,2013(2):64-66.

[2] 冀宏,梁宏喜,胡启辉.基于 AMESim 的螺纹插装式平衡阀动态特性的分析[J].液压与气动,2011,(10)：80—83.

[3] 李坤,贾跃虎,刘天勋,等.基于 AMESim 的螺纹插装式平衡阀动态特性仿真研究[J].液压气动与密封.2011,(3)：41—44.

[4] 姚平喜,张恒,王伟.负载敏感平衡阀动态特性仿真及参数优化研究[J].机床与液压.2011,39(4)：29—31.

Working Properties of Counterbalance Valve in Bridge Checking Vehicle

Miao Liangliang, Lei Qiaoli, Liu Chunqiang, Jin Kai
( Shaanxi Automobile Co. Ltd, Shaanxi Xi'an 710200 )

According to creeping，low frequency jitter and cavitation of the lifting cylinder in bridge checking vehicle，the structural characteristics and the principle of a cartridge counterbalance valve are studied. The influences of the damping hole diameter of the control oil mouth，the spring preload changing on the dynamic characteristics of the process of cylinder rising are analyzed by the dynamic mathematic model and AMESim model．The results provide a theoretical reference for the optimization design of the valve and the parameter matching of balancing circuit.

bridge checking vehicle; counterbalance valve; dynamic characteristics; simulation

CLC NO.: U467 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)12-167-03

U467 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)12-167-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.12.056

苗亮亮，就职于陕西汽车控股集团有限公司。