摘要：阐述了一款结构紧凑的管式带安全阀功能的减压阀内部结构和工作原理，并基于AMESim软件建立了直观的仿真模型进行仿真验证和性能分析。研究表明：带安全阀功能的减压阀的弹簧刚度、进油孔直径、弹簧预紧力和反馈作用面直径等对其的动态响应起着重要作用。这一结果对理解和合理设计带安全阀功能的减压阀具有一定的参考意义。

关键词：带安全阀功能的减压阀；动态特性；仿真模型

0　引言

国内某型涡桨飞机在发动机处于停车状态时以液压力来实现应急顺桨。液压源系统采用了一款结构简单且紧凑的管式带安全阀功能的减压阀，它能把工作压力降低至(6±0.8) MPa后输送至控制燃料调节器和螺旋桨调速器，实现发动机紧急停车和应急顺桨[1]；同时为了保护应急顺桨系统安全，需限制应急顺桨压力不超过(8±1) MPa。本文在分析带安全功能的减压阀内部结构原理的基础上，建立了其AMEsim仿真模型，并深入分析了关键参数对其动态特性的影响，对设计带安全阀功能的减压阀提供了非常有用的理论依据。

1　带安全阀功能的减压阀内部结构与功能原理

带安全阀功能的减压阀内部结构如图1所示。

图1　带安全阀功能的减压阀内部结构

减压阀在正常工作时，工作介质由进油口进入，当进油口压力增加(减小)时，减压口压力瞬间增加(减小)，改变了减压弹簧的力平衡状态，使减压组件中主阀芯轴向移动，节流口面积减小(增大)，油液经减压口时压力差增加(减小)，减压口压力减小(增加)，并与减压弹簧实现新的力平衡状态；当减压口压力瞬间减小(增加)时，改变了减压弹簧力平衡状态，使减压组件中主阀芯轴向移动，节流口面积增大(减小)，工作介质经减压口时压力差减小(增加)，减压口压力增加(减小)，并与减压弹簧实现新的力平衡状态。当减压口压力大于规定值时，安全阀的锥阀打开，保护系统的安全。

2　带安全阀功能的减压阀仿真模型的建立

根据带安全阀功能的减压阀内部结构利用AMESim建立其仿真模型[2-5]，如图2所示，其中，反馈作用面的直径为d4。仿真参数设置如表1所示。

图2　带安全阀功能的减压阀仿真模型

3　仿真结果和分析

通过模型仿真后得到带安全阀功能的减压阀在系统工作压力为21 MPa、流量为1.4 L/min～3 L/min下减压口的压力曲线以及减压阀芯和安全阀芯相对位移曲线，如图3、图4所示。将减压阀的进油口封堵上，在减压阀减压口加压，得到的安全阀打开压力曲线如图5所示。从图3和图4可知，减压压力为5.78 MPa，此时减压阀芯和安全阀芯位移保持一致，无相对运动，安全阀口流量输出基本为零。由图5可知，安全阀打开压力为7.97 MPa，压力超调量为21.7%。仿真结果表明所建立的AMESim模型正确，满足仿真模拟要求。现通过改变仿真模型的一些参数来研究各参数与带安全阀功能的减压阀动态特性的关系。

3.1　弹簧刚度对动态特性的影响

设弹簧刚度分别为7 N/mm、6.045 N/mm、5.5 N/mm、4.5 N/mm，仿真得到各弹簧刚度下减压阀压力动态响应曲线和安全阀口流量输出动态响应曲线，如图6、图7所示。由图6和图7可以看出，随着弹簧刚度的变小，系统的超调量逐渐变小；在预紧力不变的情况下，弹簧刚度小到超过一个限定值时，系统响应出现了波浪式振荡，系统稳定性变差，安全阀口也有微小流量输出。所以减压弹簧刚度不宜过大，刚度过大系统的超调量也大；也不宜过小，过小会产生振荡，系统稳定性差。

表1　仿真参数设置

图3　减压阀口压力曲线 图4　减压阀芯和安全阀芯相对位移曲线 图5　安全阀打开压力曲线

3.2　进油孔径对动态特性的影响

设减压阀门入口的孔径分别为0.8 mm、0.6 mm和0.4 mm，仿真得到各孔径下减压阀压力动态响应曲线，如图8所示。由图8中可以看出，随着孔径的减小，系统的振荡次数减少，系统振荡的幅值降低，系统响应的时间也越来越长，减压后压力将有一定程度的降低，所以孔径不能太小，孔径太小很可能会因为油液污染而导致堵塞。

图6　弹簧刚度对减压后压力　图7　弹簧刚度对安全阀口　图8　进油孔径对减压后压力

动态特性的影响　　　　　　　流量输出的影响　　　　　　动态特性的影响

3.3　弹簧预紧力对动态特性的影响

减压弹簧预紧力是决定减压压力的重要因素之一，设弹簧预紧力分别为250 N、220 N、200 N和180 N时，仿真得到各弹簧预紧力下减压阀压力动态响应曲线和安全阀口流量输出动态响应曲线，如图9、图10所示。由图9可以看到，预紧力越小，减压压力越小，而系统的超调量和稳定性未见明显变化；同时由于减压芯和安全阀芯之间采用串联式嵌套组合机构，在减压压力未超过8 MPa时安全阀未打开。从图10可以看到安全阀口流量输出接近0 L/min，此时减压阀芯与安全阀芯无相对位移。

3.4　反馈作用面的直径对动态特性的影响

反馈作用面的直径d4是决定减压压力的另一个重要因素，在减压弹簧预紧力不变的情况下，设d4分别为8 mm、7 mm、6 mm和5 mm，仿真得到不同d4下减压阀压力动态响应曲线和安全阀口流量输出动态响应曲线，如图11、图12所示。由图11可知，直径d4越大，减压压力越小，系统的振荡次数越来越多，系统稳定性越来越差，当直径d4≥7 mm时，系统压力出现波浪式变化。由图12可知，直径d4≤6 mm时，安全阀口打开并输出流量，此时减压阀芯和安全阀芯发生相对位移。

4　结论

通过动态特性仿真分析得到以下结论：

(1) 减压弹簧刚度不宜过大，刚度过大系统的超调量也大；也不宜过小，过小会产生振荡，系统稳定性变差。

图9　减压弹簧预紧力对减压后压力动态特性的影响

图10　减压弹簧预紧力对安全阀口流量输出的影响

图11　d4对减压后压力动态特性的影响

(2) 系统的稳定性可以通过调整弹簧刚度来实现，而减压压力可以通过调整减压弹簧预紧力来实现。

图12　d4对安全阀口流量输出的影响

(3) 减少系统振荡的幅值可以通过减小减压阀进油孔径来实现。

(4) 反馈作用面的直径d4越大，减压压力越小，系统的振荡次数越多，系统稳定性越差；同时直径d4小于一个限定值时，减压阀芯与安全阀芯会发生相对位移。