流量控制阀的原理和Amesim仿真方法

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本文所说的流量控制阀，是指可以调节流经阀的液体流量，使之不受阀两侧压力变化影响的液压阀。这类阀的重要用途之一是调节执行元件的运行速度，因此也曾被普遍叫做调速阀。在最新国标《GB/T 17446—2012 流体传动系统及元件词汇》中，“调速阀”的叫法已不再被采用，因此，本文使用了“流量控制阀”的说法。

本文将向大家分享流量控制阀的基本原理及其Amesim建模仿真方法，希望对大家有帮助。

1 流量控制阀的基本原理

流量控制阀通常由节流阀和定压差阀组成，因此我们先从节流阀和定差阀说起。（注：本部分内容涉及的阀原理图引自张海平博士编著的《白话液压》）

1.1 节流阀

节流阀是通过改变阀的开口面积，进而改变阀的液阻，以改变液体流量的液压阀，其大致结构如图1所示。

图1 节流阀示意图

关于节流阀，大家要知道以下两点：

节流阀开口越大，液阻越小，液体越容易流通，反之则液体越难流通；
当节流阀开口一定时，阀两侧的压差和通过的流量互为因果。

生活中有一种很常见的节流阀，就是水龙头。如果水网的压力保持恒定，而水龙头外的大气压力也基本是恒定的，那么可以认为水龙头两侧压差恒定，水流大小只与水龙头的开度有关，我们只需要打开水龙头到不同开度就可以获得想要的水流；如果水网的压力是变化的，忽大忽小，那么我们就无法或者很难得到固定的水流大小。

由以上例子可以看出，要想方便地通过调节节流阀开口获得所需的恒定流量，关键在于如何保持节流阀两侧压差恒定，而这就需要用到定压差阀。

1.2 定压差阀

定压差阀又被称为压差平衡元件，或压力补偿阀，一般与其他阀联合使用，大致结构如图2所示。

图2 定压差阀示意图

图2中，阀芯2在控制压力P1、P2和弹簧力Fs共同作用下保持平衡，假设阀芯两侧控制压力作用面积为A，则有：

通常情况下，弹簧1的刚度很小，阀芯2的运动范围也很小，因此Fs基本保持恒定。基于此，我们可以认为在阀的正常工作范围内，控制压差ΔP是恒定的，等于弹簧产生的压力。

需要指出的是，定压差阀对进出口的油液也具有节流效应，即出口压力小于进口压力。如图2所示，阀芯越靠左，开口A越小，节流效应越明显；反之，则节流效应会减弱。因此，“定压差”的说法是就“控制压差恒定”而言的；如果从进出口压力变化来看，也可称其为减压阀。如果将进出口分别与控制腔1和2联通，就构成了定差减压阀。

1.3 流量控制阀

将上述节流阀和定压差阀串联组合，就可以得到如图3所示的二通流量控制阀。其中，节流口2两侧的压力分别联通到定压差元件1的两个控制压力口，这样，在阀的正常工作范围内，节流口2两侧压差Pc-P2基本恒定，通过的流量只与其开口大小有关，不受阀两侧压力P1、P2变化的影响。

图3 二通流量控制阀示意图

二通流量控制阀对流量的调节过程如下：

如果负载压力P2增大，则定压差阀芯1右移，定压差元件开口增大、液阻减小，Pc增大，直至P2、Pc和弹簧压力共同作用于阀芯1达到新的平衡，节流口两侧压差基本保持不变，流量也基本保持不变；如果负载压力P2减��，则有相反的调节过程，也可以保持流量恒定。

当然，这里提到的二通流量控制阀只是流量控制阀的一种，这类阀还有许多其他形式，比如三通流量控制阀、定压差阀后置型（注：图3所示为定压差阀前置型）等等。总体上来讲，它们的基本原理都是用定压差元件确保节流口两侧压差恒定，因此本文主要介绍二通流量控制阀的仿真方法，抛砖引玉。大家在做仿真分析时，可以根据具体阀的形式和仿真需求灵活建模。

2 二通流量控制阀的仿真方法

2.1 仿真模型的建立

二通流量控制阀的Amesim仿真模型如图4所示。关于该模型的元件子模型、参数等的详细设置，本文不再做过多说明。文末提供了仿真模型源文件的下载链接，大家可以自行下载参考。

图4 二通流量控制阀仿真模型图

2.2 仿真结果分析

仿真结果如图5所示。可以看出，尽管负载压力呈正弦变化，但节流口两侧压差保持恒定，基本维持在8.3 bar左右；通过阀的流量大小也不受负载压力变化的影响，它仅由节流口的开口信号决定。

图5 二通流量控制阀仿真结果曲线

改变仿真条件，保持节流口开口不变并逐渐增大出口压力再次仿真（注：详细仿真模型见模型文件FlowRegulator_2.ame，下载链接见文末），得到进出口压差变化时二通流量控制阀对流量的调节过程，如图6所示。可以看出，当进出口压差从20 bar变化到180 bar时，定压差阀芯位移有约0.4 mm的改变；同时，弹簧力大约增加2 N，节流口两侧压差大约增加0.01 bar，流经阀的流量也有相应的改变。当然，这些变化相对微小，可以忽略，因此可以认为二通流量控制阀起到了维持流量恒定的作用。

图6 进出口压差改变时阀的调节过程曲线

『注：细心的小伙伴们一定会发现一个问题，随着流量控制阀进出口压差增大，节流口两侧压差增大，但流量却在减小！这是为什么呢？笔者在提取仿真结果时，着实被这个问题困扰了一番！经过仔细分析和思考，笔者发现这个看似诡异的结果背后涉及到Amesim对液体体积和流量的处理方式。这个问题说来话长，暂时按下不表，抽空再专门写篇文章来解释它。』

除此之外，本文的仿真模型还可用于分析更多二通流量控制阀的特性，比如液动力对阀响应的影响等等，本文不再详细叙述，有兴趣的小伙伴们可以进一步思考。

3 几点注意事项

1、流量控制阀正常工作是有条件的，这一点很重要！文中多次提到“在阀的正常工作范围内”，并对文字进行了加粗，就是为了提醒大家注意。如果阀两侧的压差低于弹簧压力，定压差阀芯移动到开口最大的位置后，二通流量控制阀就相当于两个串联的节流阀，通过的流量随压差的减小而减小，也就不能起到调节流量的作用了。

事实上，液压领域的大部分元件正常工作都是有条件的，超出正常工作的范围就无法起到相应的作用。所以，我们在元件的设计选用和建模仿真时，一定要从基本原理出发对它们计算和分析，万万不可望文生义！

2、图7所示为二通流量控制阀更详细的结构示意图。如果仔细分析的话，其工作原理和图3是完全一致的，因此也可参考本文的建模方式（注：也可以根据需要对节流阀做更详细建模）。

图7 二通流量控制阀详细结构原理图

有人可能会问，图7中的阀有更多腔和通道等，这些结构在模型中如何体现呢？对此，笔者的观点是，之所以会有这些更具体、更复杂的结构，主要是考虑了油液的流动和元件的加工装配；我们在仿真建模时，要更关注仿真对象背后的物理规律和数学模型，而不必过于在意其具体结构，尤其是那些对原理和性能影响较小的结构，可以根据仿真目的做适当简化。

3、本文模型源文件采用Simcenter Amesim 17版本创建，下载链接如下：