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《DontMakeMeThink》要点总结概要

机械工程学报

JOURNALOFMECHANICALENGINEERING第46卷第24期2010年12月

Vol.46No.24Dec.2010

DOI:

10.3901/JME.2010.24.136

先导式纯水溢流阀仿真与试验研究*

弓永军1王祖温1徐杰1张增猛1,2

（1.大连海事大学船舶机电装备研究所大连116026;2.浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州310027

摘要:

针对具有高压引流和二级节流新型结构阀口的先导式纯水溢流阀进行仿真和试验研究,建立阀的AMESim仿真模型,分析先导阀导向间隙、阻尼孔直径、敏感腔体积、阀芯质量以及弹簧刚度等不同参数对先导式纯水溢流阀特性的影响,在纯水液压综合性能试验台上进行先导式纯水溢流阀的静动态试验,并对仿真和试验结果进行对比分析。

仿真与试验结果表明,液阻直径是先导式纯水溢流阀最主要的影响参数,而阀芯质量变化的影响则基本可以忽略;在小于20L/min的小流量工况下的定压精度较低,而大于20L/min的大流量工况下的定压精度较高;阀的动态响应试验表明,入口压力超调量小于30%,并且压力上升时间小于80ms。

关键词:

先导式纯水溢流阀影响参数静动态仿真静动态试验中图分类号:

TH137.52

SimulationandExperimentsStudyonWaterHydraulicPressure

ReliefValvewithPilotStage

GONGYongjun1WANGZuwen1

XUJie1ZHANGZengmeng1,2

（1.InstituteofShippingElectroMechanicsEquipment,DalianMaritimeUniversity,Dalian116026;

2.TheStateKeyLaboratoryofFluidPowerTransmissionandControl,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027

Abstract:

Thesimulationandexperimentsonpilot-operatedwaterhydraulicreliefvalvearecarriedoutinourlab.Thestructureofthemainvalveportischaracterizedwithhigh-pressureinductandtwo-steprestrictor.TheAMESimmodelofthevalveisbuilt.Theinfluenceparameters,suchasguideclearanceofpilotvalve,diameterofdampingorifice,volumeofsensitivecavity,massofvalvecore,andspringstiffness,areinvestigatedthroughsimulation.Thestaticanddynamicexperimentsarecarriedoutonthewaterhydrauliccomprehensivetest-rigtotestthevalveperformance.Thesimulationandtestresultsarecomparedandanalyzed,whichshowsthattheeffectofspoolmasscanbeneglected,butthediameterofdampingorificehasgreateffect.Thesetting-pressureaccuracyislowatsmallflowratebelow20L/min,butthehighaccuracyisachievedover20L/min.Theexperimentsaboutvalvedynamicresponseshowthattheovershootofinletpressureisnomorethan30%andthepressurerisetimeislessthan80ms.Keywords:

Pilot-operatedwaterhydraulicreliefvalveInfluenceparameterStaticanddynamicsimulation

Staticanddynamicexperiments

0前言

纯水液压技术以过滤后的自然水为工作介质实现动力传递,不含任何添加剂,具有来源广泛、环境友好、清洁安全的独特优势,是国际上流体传动与控制领域最新的发展方向之一[1]。

其中先导式溢流阀作为纯水液压系统压力调节的关键元件,亦成为了研究重点。

先导式纯水溢流阀为准确地控制纯水液压系∗国家自然科学基金（50805011和中央高校基本科研业务费专项

（2009QN051资助项目。

20091222收到初稿,20100620收到修改稿

统中的压力,必须具有足够的控制精度和动态品质[2]。

与矿物油相比,水具有腐蚀性强、粘度低、汽化压力高等特点,因此研制先导式纯水溢流阀时要克服气蚀、腐蚀、磨损和泄漏等关键技术问题[3-4]。

为解决上述问题,设计出了具有高压引流和二级节流的结构的先导式纯水溢流阀。

在AMESim软件中,该阀的上述结构无法用单个元件表示,须通过多个元件的组合来表示。

本文对先导式纯水溢流阀的静动态特性进行了仿真,并将仿真结果与试验结果进行对比分析。

仿真中,发现阀内部参数改变,引起阀入口压力的改变,但不同的参数引起变化的程度不同,文中分析了主要影

2010年12月弓永军等:

先导式纯水溢流阀仿真与试验研究

137

响参数引起变化的原因。

1先导式纯水溢流阀结构与数学模型

1.1先导式纯水溢流阀的结构分析

先导式纯水溢流阀的结构如图1所示。

本阀包括椭球阀口的主阀和锥形阀口的先导阀,以及先导阀液阻5和主阀液阻10。

该阀的结构特点是为减轻气蚀,在主阀阀芯设有高压引流孔,以及依靠阀芯和阀套的共同作用进行二级节流。

为减少泄漏,本阀采用O形圈密封。

图1先导式纯水溢流阀结构简图

1.调压螺栓2.先导阀弹簧3.先导阀阀芯4.先导阀阀套5.先导阀液阻6.主阀弹簧7.O形密封圈8.主阀阀套9.主阀阀芯10.主阀液阻11.高压引流孔12.阀体

1.2先导式纯水溢流阀的数学模型

在建立数学模型时,只考虑阀自身的结构参数,而忽略阀测试系统中管路与其他零件对其动态特性的影响,同时假定溢流阀的出口压力为零,则溢流阀的动态特性如下所述[5]。

主阀口锥阀形式的流量方程

3

33q⎧=110xLxL<<>（12

2sds1[（3sincos]2cosDADxθθθ⎧⎫⎛⎞⎪⎪=π−−−⎨⎬⎜⎟⎝⎠⎪⎪⎩⎭式中q3——流经主阀的锥阀阀口流量

Ad——主阀口打开后流通面积L

——遮蔽量Ds——锥阀端直径

δ——主阀锥阀与阀套的配合间隙μ——动力粘滞x1——阀芯移动位移Cd——锥阀的流量系数p1——入口处的压力

p3——主阀一级节流后的压力ρ——流体密度

θ——锥阀的锥度

主阀高压引流孔的流量方程

4h0

8xqC=∫

式中q4——流经主阀的高压引流孔流量

Ch——高压引流孔流量系数Dh——高压引流孔直径

主阀二级节流口的流量方程

2

5b

qC=（3

式中q5——流过主阀二级节流口的流量Cb——球阀流量系数Db——球阀直径

主阀二级节流口的流量连续性方程

534qqq=+（4主阀液阻的流量方程

2q

qC=（5

式中q2——流过液阻7的流量

Cq——液阻流量系数DO1——液阻直径p2——敏感腔压力

主阀芯的流量连续性方程

1234qqqq=++（6式中,q1为主阀入口流量。

主阀芯的力平衡方程

pp1K10W1m111p111FFFFmxBx

kx−−−=++（7

pp1311112213=FpApApA−−

式中Fpp1——主阀液动力

A11——主阀入口面积A12——主阀一级节流后压力的有效作用面积A13——敏感腔面积FK10——主阀弹簧的弹簧预紧力FW1——主阀阀芯液动力Fm1——主阀阀芯受到的摩擦力m1——主阀阀芯质量Bp——粘滞阻力系数k1——主阀弹簧弹性系数

2

W1d

12FCp=

机械工程学报第46卷第24期

138考虑静摩擦力与库仑摩擦力,按Stribeck’s模型[6]有

（m11costco1r1sgn（（expFxFFFxFx

β⎡⎤=+−−+⎣⎦式中β——速度模型系数

Fst——主阀芯的静摩擦力Fco——主阀芯的库仑摩擦力

先导阀的流量连续性方程

267qqq=+

（8式中q6——流经先导阀右端间隙的流量

q7——先导阀流出流量A2——敏感腔面积

A6

——先导阀右端面积x2——先导阀阀芯的位移

先导阀导向端的流量方程

2

667（12DqppLδμ′π=−′（9

式中D——先导阀导向端的直径

δ′——先导阀导向间隙L′——先导阀导向端的长度p6——先导阀腔的压力p7——流经先导阀导向端后的压力

先导阀锥形阀口的流量方程

7dqC⎡=π⎢⎢⎣（10

式中Dt——先导阀左端锥阀阀套直径

θ——先导阀左端锥阀锥度

x2——先导阀阀芯运动位移

先导阀的力平衡方程

pp2K20W2m222m1222FFFFmxBx

kx−−−=−−

pp2721622623FpApApA=+−（11

式中Fpp2——先导阀阀芯所受液压力

A21——先导阀导向端后的面积A22——先导阀导向端前的面积A23——先导阀腔左端的面积FW2——先导阀阀芯稳态液动力FK20——先导阀弹簧的弹簧预紧力Fm2——先导阀阀芯受到的摩擦力m2——先导阀阀芯质量Bm1——粘滞阻力系数

2AMEsim模型

在上述模型中忽略了水的压缩性,同时没有考虑阀内流道的流阻、压力容腔的体积以及某些小容

腔由于体积变化而产生的流量变化。

但是上述忽略

内容在AMESim中通过简单设置就得到充分的考虑,可以减少这些因素带来的误差。

图2所示为AMESim中建立的先导式纯水溢流阀仿真模型。

主阀阀芯为椭球阀口,在结构上可认为由多个不同形式阀口经过并联与串联构成,因此模型中可用圆锥面节流阀口、滑阀遮孔和球阀阀口组合代替。

图2先导式纯水溢流阀的AMESim仿真模型

3仿真结果与分析

3.1先导阀导向间隙′δ的影响

溢流阀的先导阀部分设有阻尼腔,以提高先导

如果你只能记住一条可用性原则,那么就记住这一条。

它意味着,设计者应该尽量做到,当我看一个页面时,它应该是不言而喻、一目了然、自我解释的。

网页上每项内容都有可能迫使我们停下来,进行不必要的思考。

另一个不必要的问号来源是那些看起来不太明显的链接和按钮。

作为一个用户,永远不该让我花上几微秒去思考某个东西是否能点击。

当我们访问Web时,每个问号都会加重我们的认知和负担,把我们的注意力从要完成的任务上拉开。

这种干扰或许很轻微但它们会积累起来。

有时候,在进行一些崭新的,开拓性的或者非常复杂的页面设计时,也许只能做到“自我解释”。

在一个自我解释的页面中,用户需要花一点点时间去了解—但只需要一点点时间。

页面元素的外观、精心选择的名称、页面布局以及少量仔细斟酌过的文字,它们综合在一起将创造出一种接近瞬间的识别效果。

第二章我们实际上是如何使用WEB的扫描,满意即可,勉强应付

第一个事实:

我们不是阅读,而是扫描

我们为什么扫描?

1.我们总是处于忙碌之中

2.我们知道自己不必阅读所有的内容

3.我们善于扫描

第二个事实:

我们不作最佳选择,而是满意即可

为什么Web用户不寻找最佳选择呢?

1.我们总是处于忙碌之中

2.如果猜错了,也不会产生什么严重后果

在网站上做了一次错误选择的后果通常只是点击几次后退按钮,这样也使得满意策略成为一项有效的策略。

3.对选择进行权衡并不会改善我们的机会

4.猜测更有意思

第三个事实:

我们不是追根究底,而是勉强应付

为什么呢?

1.这对我们来说并不重要。

图4不同液阻直径仿真结果图5不同敏感腔体积仿真结果

3.把页面划分成明确定义的区域

4.明显标识可以点击的地方

5.最大限度降低干扰

第四章动物、植物、无机物为什么用户喜欢无需思考的选择点击多少次都没关系,只要每次点击都是无需思考、明确无误的选择—Krug可用性第二定律

经验准则:

三次无需思考、明确无误的惦记相当于一次需要思考的点击。

第五章省略不必要的文字不要再WEB上写作的艺术

在仿真时,阀芯质量分别设为:

其一,先导阀阀芯质量m2=0.0062kg、主阀阀芯质量m1=0.062kg;其二,先导阀阀芯质量m2=0.01kg、主阀阀芯质量m1=0.1kg。

图6为主阀阀口压力p在不同阀芯质量下的仿真结果,通过分析可知:

不同的阀芯质量对于阀入口的压力几乎没有影响。

去掉没有人会看的文字有几个好处:

1.可以降低页面的噪声

2.让有用的内容更加突出

3.让页面更简短,让用户在每个页面上一眼就能看见更多的内容,而不必滚动屏幕

第六章街头指示牌和面包屑设计导航

记住下面的事实:

如果在网站上找不到方向,人们不会使用你的网站。

网络导航101法则

1.你通常是为了寻找某个目标

2.你会决定先询问还是先浏览（Web上等价的询问服务是搜索

3.如果选择浏览,你将通过标志的引导在层次结构中穿行。

4.最后,如果找不到想要的东西,你会离开

被忽视了的导航用途:

1.它给了我们一些固定的感觉

2.它告诉我们当前的位置

3.它告诉我们如何使用网站

4.它给了我们对网站建造者的信心

关于搜索:

不要弄的太复杂—坚持这个原则,避免:

1.花哨的用词

2.只是说明

3.选项（如果存在任何混淆的搜索范围的可能性,一定要把它们写出来

关于页面名称,要注意以下4点:

1.每个页面都需要一个名称

2.页面名称要出现在合适的位置

3.名称要引人瞩目

4.名称要和点击的链接保持一致

第七章首先要承认,主页不由你控制设计主页

主页需要完成的任务:

1.站点的标识和使命2.站点层次3.搜索4.导读5.内容更新6.友情链接7.快捷方式最常访问的内容片段,值得在主页上放置链接的,免得用户四处寻找的8.注册

9.让我看到自己正在寻找的东西10.还有我没有寻找的11.告诉我从哪里开始12.简历可信度和信任感

在第一次进入一个新网站时,主页应当回答我头脑里的四个问题

1.这是什么网站?

2.我能在这里做什么?

3.网站上有些什么?

4.为什么我应该在这里,而不是在别的地方?

主页如何传达

1.口号

最有价值的位置之一就是靠近站点ID的地方（就是一句清晰响亮的广告语,作为整个网站的描述

2.欢迎广告

一旦前4个问题解决之后,主页负责需要回答另外一个重要的问题:

从哪里开始?

1.如果我想搜索,可以从这里开始

2.如果我想上传东西,从这里开始

3.如果我想参与活动,从这里开始

主页设计面临的一个重要的问题:

共有区域的悲剧。

前提很简单:

任何共享的资源（共有区域都会因过度使用而遭到破坏

第八章确定你没有做错的几件事

信仰大战:

那些无休无止的讨论称为“信仰大战”,因为这种讨论跟大部分的宗教和政治讨论有很多的相同之处:

它们由大量无法验证的个人信仰组成—大体上是为了在某些重要问题的最好做法上取得一致。

而且,和大多数的信仰大战一样,它们很少能让人改变它们原来的看法。

除了浪费时间,这些争论也产生紧张气氛,破坏团队成员之间的关系,常常让团队无法做出关键的决定。

“大部分web用户和我们一样”,这种信仰已经足够让通常的web设计回忆陷入僵局了。

测试是很好的一种解决争论的方法。

第九章可用性测试

关于测试的几个主要事实:

1.如果想建立一个优秀的网站,一定要测试

2.测试一个用户比不做测试好一倍

3.在项目中,早点测试一位用户好过最后测试50位用户

4.人们对招募用户代表的重要性估计过高

5.测试的关键不是要证明什么或者反驳什么,而是了解你的判断力

6.测试是一个迭代的过程

7.没有什么比现场用户的反应更重要

测试过程中的常见问题:

1.用户不清楚概念

他们就是不理解。

他们看着网站或者页面,要么不知道他们说的是什么,要么他们以为自己知道,但是理解有误。

2.他们找不到自己要找的字眼

这通常意味:

1,你用来组织内容的分类不符合用户的习惯,2,分类符合他们的习惯,但没有使用他们期望的名字

3.内容太多了

有时候用户要找的内容就在页面上,但他们就是看不到。

在这种情况下,需要:

1,减少页面上的整体干扰;2,把需要看到的内容设置的更加醒目,让它们从可视层次结构中更加突出。

在理想情况下,每个web开发团队应该在每个月花上一个上午时间进行可用性测试

第十章大的方面和外界影响

好感储存器:

想象每次进入一个网站时,都从一个好感储存器开始,在网站上遇到的每个问题都会降低好感储存器的高度。

降低好感的几种方式:

1.隐藏我想要的信息

2.因为没有按照你们的方式行事而惩罚我

3.像我询问不必要的信息

4.敷衍我,欺骗我

5.给我设置障碍

6.你的网站看上去不专业

提高好感的几种方式:

1.知道人们在你网站上想做什么,并让他们明白简易

2.告诉我我想知道的

3.尽量减少步骤

4.花点心思

5.知道我有哪些疑问,并且给予回答

6.为我提供协助,例如打印友好页面

7.容易从错误中回复

8.如有不确定,记得道歉