先导式油控水阀的建模与分析

李光辉，吴来友，吴培龙，肖德琳

（山东胜利钢管有限公司，山东 淄博 255082）

先导式油控水阀的建模与分析

李光辉，吴来友，吴培龙，肖德琳

（山东胜利钢管有限公司，山东 淄博 255082）

为了确保大直径钢管水压试验中高低压切断、放气、卸载等功能的准确控制，进一步降低油控水阀的故障率，使用Solidworks和AMEsim平台建立了一种先导式油控水阀模型，研究了阀芯质量、阀芯夹角、弹簧刚度、阻尼孔直径等参数对先导式油控水阀的性能影响。研究结果显示，减小主阀芯的质量、尽量减小阀芯夹角、采用弹性柱销体替代弹簧、减小阻尼孔的孔径等手段可有效提高油控水阀的使用寿命。仿真及验证表明，先导式水阀的受力情况、响应速度、使用寿命等性能指标均优于传统的油控水阀，并可显著降低加工、维修成本。

油控水阀；AMEsim；水压试验

1 钢管水压试验中油水系统的现状

在对钢管进行水压试验时，打压的过程为先对钢管管体充低压水，同时打开放气阀进行排气，排气结束后，放气阀关闭，同时压力切断，低压水转换为高压水，开始打压试验。打压试验结束后，卸荷阀打开，泄压几秒后松开钢管，打压结束。上述的放气、压力切断及卸载过程均需要特殊元件来完成动作，一种是梭阀，这种结构适用于高压小直径无缝钢管打压，因其打压介质为乳化液，对于大直径焊管来说，使用梭阀的故障率偏高，基本不予以采用。另一种是油控水阀，通过油控水阀来完成打压试验中的压力切断、放气及卸载动作。

油控水阀的一般结构如图1所示，通过一个液压缸带动一套水阀阀杆，阀杆顶下时封死进水口，从而达到切断水源的目的。这种结构的油控水阀目前大量应用在不同规格的水压机上。

图1 油控水阀结构示意图

2 先导式油控水阀的结构模型建立

所谓先导控制，是指控制系统中有两个不同大小的阀芯，小阀芯为先导阀芯，大阀芯为主阀芯，并可以形成先导级和主级两个调节回路。图2为一种先导式油控水阀的装配图，图3为这种油控水阀的爆炸装配图。其中，水阀与液压缸通过阀杆的上端进行连接。当需要对水源切断时，液压缸伸出带动阀杆顶住先导阀芯，同时先导阀芯和稳压弹簧同时施力于主阀芯上，达到切断的效果。当需要将水阀打开时，液压缸退回带动先导阀芯上移，经过一段时间后至阀杆固定套处，同时压力从主阀芯上的小孔卸载，从而在低载状态下带动先导阀芯上提，达到开启放水的效果。

图2 先导式油控水阀装配图

图3 先导式油控水阀爆炸装配图

传统油控水阀虽然结构简单，操作容易，但自身存在一些缺点，例如，由于水压通常在十几兆帕甚至二十几兆帕，通常施加在阀杆上的力很大，容易造成机构的疲劳磨损。另外，油缸为了能够克服这十几兆帕或者二十几兆帕的力做功，通常需要施加更大的压力作为保证，这样使系统压力不可避免地升高，系统密封件也就承受了非常高的力，所以这种水阀的阀芯和阀体极易损坏，且加工维修的成本较高。先导式油控水阀正好可以很好地优化这些不足。

设传统油控水阀的阀芯直径为D1，阀杆直径为d1，阀芯长度为l，水压压力为p1，驱动油缸的缸径为D2，驱动油缸的杆径为d2，驱动油缸压力为p2，先导式水阀的二级阀芯直径也是D1，阀芯长度为l，一级阀芯的直径为D0，阀杆直径为d0，驱动油缸的缸径为D2，驱动油缸的杆径为d2，驱动油缸压力为p0，D1阀芯的质量为G，则有

将式（1）和式（2）相减可得

其中，（D21-d21）-（D20-d20）为正，可得 p2>p0，可知这种先导式两级油控水阀所需要的启动压力要远小于传统的油控水阀，且主阀芯和先导阀芯的面积比相差越大，启动压力越小。

3 先导式油控水阀AMEsim建模及分析

3.1 模型的建立

AMEsim是一种工程系统高级建模和仿真平台软件，它是基于直观图形界面的平台。因为水压试验系统压力和流量变化非常强烈，且期望模型能够有更好地扩展，所以使用AMEsim来代替传统的Matlab建模是一种值得探索的方法。

图4 先导式油控水阀的AMEsim模型

表1 先导式油控水阀各元件的参数设定

图4为采用AMEsim建立的先导式油控水阀的HCD库模型，各元件设定的基本参数见表1。图4中1、2号元件作为系统负载，3、4号元件为系统内阻尼孔（对应阻尼孔开阀芯3上），5、6、7号元件为主阀芯元件，8、9号元件为先导阀芯元件，10、11、12、13、14号元件为油控系统，15号元件为水介质参数，16号元件为油介质参数。

3.2 不同质量主阀芯动态特性分析

图5为主阀芯质量分别为2 kg、5 kg、10 kg时阀芯受力动态分析。从图5中可以看出，质量对阀芯的受力冲击基本不存在影响，所以在设计加工时，可以将主阀芯的质量尽量降低，从而降低整个阀体的质量。

图5 不同质量主阀芯的受力曲线

3.3 不同阀芯夹角动态特性分析

图6为主阀芯及先导阀阀芯夹角分别为30°、45°、60°情况下的受力曲线。因本系统在0.5 s后进行换向动作使阀芯开启，可以看出，在0.5 s后，当阀芯夹角为30°时，受力变化量相对较小，这时的冲击较小，可以有效延长水阀的寿命。所以在工艺允许的情况下，可以通过尽量减小阀芯夹角来增加此设备的可靠度。

图6 不同阀芯夹角下的主阀芯和先导阀芯受力曲线

3.4 弹簧刚度不同时的动态特性分析

图7为弹簧刚度不同时主阀阀口的压降曲线，弹簧刚度分别设定为10 N/mm、100 N/mm、1 000 N/mm。从图7可以看出，当弹簧刚度越大时，开启后的曲线约平稳，压降越小，所造成的冲击也越小，同样可以延长设备的使用寿命。但是弹性系数较高的弹簧通常都是钢质，不耐流动水的冲刷腐蚀。在设计中可以考虑近年来应用较多的弹性柱销体作为弹簧的替代品，从而优化水阀的动态特性，延长水阀的使用寿命。

图7 弹簧刚度不同情况下主阀芯压降曲线

3.5 不同阻尼孔直径下的先导阀流量曲线

图8为阻尼孔直径分别为1.5 mm、2 mm、2.5 mm情况下的先导阀流量曲线。从图8中可以看出当阻尼孔孔径越大时，先导阀开启时的流量突变越大，对阀芯所造成的冲击也越大，影响水阀的寿命。所以，如果工艺允许，需要将阻尼孔的孔径尽量减小，有助于提高水阀的寿命。

图8 阻尼孔直径不同情况下的先导阀流量曲线

4 结束语

通过Solidworks建立油控水阀的结构模型，用AMEsim建立了系统的动态模型，得出了阀芯质量、阀芯夹角、弹簧刚度、阻尼孔直径等参数对这种水阀的性能影响。研究及实践表明，这种先导式水阀的受力、响应速度、使用寿命等指标均优于传统的油控水阀。本研究的相关分析结果对今后油控水阀的选型、设计及其优化提供了参考。

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Modeling and Analysis of Pilot-operated Type Oil Control Water Valve

LI Guanghui,WU Laiyou,WU Peilong,XIAO Delin
（Shandong Shengli Steel Pipe Co.,Ltd.,Zibo 255082,Shandong,China）

In order to ensure accurate control some functions of large diameter steel pipe in hydrostatic test,such as cutting off high and low pressure,deflating,unloading,and so on,further reduce the failure rate of oil control water valve,a kind of pilot-operated type oil control water valve model was established by using Solidworks and AMEsim platforms,and the influence of some parameters on the performance of oil control water valve was studied,incluing valve core quality,the included angle of valve core,spring stiffness,damping hole diameter etc.The results indicated that reducing the quantity of main valve core,decreasing the included angle of valve core,adopting elastic dowel pin instead of spring,reducing the damping hole diameter and other measures can effectively improve the service life of oil control water valve.Simulation and validation showed that the force situation,response speed and the service life of the pilot-operated valve are superior to the traditional oil control water valve,and can significantly reduce the processing,maintenance cost.

oil control water valve;AMEsim;hydrostatic test

TH137

B

10.19291/j.cnki.1001-3938.2016.11.004

李光辉（1986— ），男，山东淄博人,工程师，主要从事螺旋焊管设备的技术管理工作。

2016-07-15

黄蔚莉