摘 要：通过公式推导、理论分析和模拟仿真验证，指出了蓄能器充液阀设计时必须满足的阀芯结构要求。分析的结果为蓄能器充液阀的理论设计提供理论支持。
关键字：蓄能器；充液阀；阀芯结构；AMESim仿真
由蓄能器充液阀及液压蓄能器组成的充液系统是确保全液压制动系统安全可靠的重要部分。目前，全液压制动系统因其优越的制动性能及较高的可靠性而被广泛地应用于各种类型的工程车辆上，所以说蓄能器充液阀是全液压制动系统的关键元部件之一，分析蓄能器充液阀工作原理具有重要意义。
1 蓄能器充液阀工作原理
蓄能器充液阀的功能是负责将蓄能器回路的压力保持在一定的限定值（接通压力和切断压力）范围内，即当蓄能器回路的压力在接通压力和切断压力之间时，系统压力油为蓄能器充液，当蓄能器回路的压力高于切断压力时，蓄能器充液停止，系统压力油经过充液阀流向下游执行元件，使下游元件动作。
蓄能器充液阀的职能符号如图1所示，此阀主要由带压力调节元件的先导装置1、压力补偿器2和单向阀3组成。图1中P口为充液系统进油压力油口，S1和S2为蓄能器连接油口，N为非充液状态下压力油液供向下游工作系统（工程车上常见的为液压转向系统等）油口，X口为控制油口，T为回油口。该阀中，通过压力补偿器2及其与之并联的固定节流孔，构成C型液压半桥（C型液压半桥原理图如图2），压力补偿器2即就是C型液压半桥中的可变节流口，其进口即为C型液压半桥的压力油口，其出口即为可变节流口的出油口，所以可以通过调节压力补偿器2的节流口开度大小来控制供给下游工作系统N处的压力油流量，因为单位体积里油液流量和压力之间存在一个转换，所以调节压力补偿器2的节流口开度大小实际上也就调节了蓄能器入口处（C型液压半桥图2中固定节流孔的出口）压力的大小，即实现了蓄能器充放液状态的有效控制。先导装置1的作用是将充液压力维持在接通压力和切断压力之间，即确保实现了开始充液和充液截止的自动控制。
图1 蓄能器充液阀职能符号
图2 C型液压半桥原理图
综上，蓄能器充液阀可实现自动充放液的工作过程为：
1）图1所示为蓄能器充液状态。在充液过程中，泵出口油液P经单向阀3到达蓄能器回路S1或者S2，同时，压力油通过先导阀1的先导管作用在压力补偿器2的背面，该补偿器节制泵的流量。随着油液的不断充入，直到蓄能器中的压力克服先导阀的弹簧设定压力，先导阀芯切换，压力补偿器背面的控制压力与回油口T相通，此时压力补偿器的阀芯切换，使P与N连通，单向阀3关闭，这时，充液过程结束。
2）当蓄能器压力降至下限时，先导控制阀在弹簧力作用下切换，P经先导阀与压力补偿器的负载信号腔连通，由于弹簧的共同作用，压力补偿器换向，切断P与N回路，泵的油液再次经单向阀进入蓄能器回路S1或者S2，实现蓄能器充液。
2 蓄能器充液阀结构探讨
对先导控制装置1列写受力平衡方程为：
式中，p1为先导阀进口的压力；
pC为蓄能器充液压力；
FSC为先导弹簧的弹簧力。
当蓄能器不充液时，充液阀的先导阀工作在左位，此状态下A1和A2与T口连通，作用压力为零压，则此状态下的先导阀1的受力平衡方程为：
式中，pC2为在不充液状态下先导阀芯面积A3受到的压力。
由式（2）得压力
即为蓄能器的起充压力，即接通压力。
当充液阀处于充液状态时，即处于图1所示状态时，p1=pC，则式（1）变为：
即得：
由结构分析，A1、A2、A3为先导控制装置1阀芯两端油液作用面积，均为正数，所以，只有在设计时使A2＞A1，代入式（4），才会存在蓄能器的切断压力，且切断压力大小为：
所以，充液阀控制蓄能器自动充放液的压力调节范围是由先导阀的结构、阀芯面积及可调弹簧的弹簧弹力决定的，图1所示结构的充液阀，设计时必须使得A2＞A1，如此才可以使阀顺利实现其预定功能，满足系统需要。
3 仿真论证
在液压元件的设计过程中，仿真是必不可少的工具之一，AMESim软件作为液压领域的仿真软件之一以其建模便捷性，调节参数直观化的优点得到了很大的推广。为探究蓄能器充液阀阀芯的内部结构——即面积必须符合论文上述理论分析，本文中借助液压元件及系统建模及仿真软件AMESim对充液阀进行了研究。
1）根据充液阀的工作原理以及结构特点，建立充液阀的仿真模型如图3所示。
图3 蓄能器充液阀仿真模型
其中1号代表压力调节元件，2号代表压力补偿器，3号代表单向阀，实物中此单向阀采用了座阀结构，在此采用HYD库中的元件予以简化，4号代表充液阀出口的蓄能器。其中图3中所示的面积A1、A2 及A3分别对应于图1所示的面积A1、A2和A3。针对图3建好的模型，分别输入对应的结构参数，进行仿真。仿真主要参数设置见表1。
表1 充液阀仿真模型主要参数
2）为了验证蓄能器充液阀的工作原理及充液性能，对蓄能器出口压力进行如图4所示的压力设置，并得出充液阀的流量曲线。
图4 充液阀出口压力设定曲线
由于充液阀是在蓄能器压力低的时候充液的流量大，蓄能器压力高的时候充液的流量低，所以对蓄能器的压力采取了从低到高再从高到低的设置方式。压力调节阀芯1的位移曲线如图5所示。
图5 充液阀阀芯位移曲线
由图5可以看出，随着充液阀出口压力的上升与下降，充液阀的阀芯均出现了换向现象。通过这一曲线验证了充液阀的工作原理的正确性。在此输入曲线的设置情况下，得到的蓄能器充液阀充液口的输出流量曲线如图6所示。
图6 充液阀充液口流量曲线
与图4蓄能器的压力相对比可以发现，当蓄能器的压力低的时候，充液阀的充液流量较高，反之则低。与蓄能器充液阀的工作原理相符合。充液阀到下游执行器的流量曲线如图7所示。
图7 充液阀下游执行器流量曲线
在充液阀下游流量曲线中，当充液阀开始充液的时候，去充液阀下游执行器的流量为0处于关闭状态，当蓄能器充液流量低的时候，此阀打开，一部分流量流向蓄能器下游执行器。
经过AMESim软件的仿真分析，验证了蓄能器的工作原理。
4结语
1）使用了蓄能器充液阀的制动系统可以实现全液压制动，降低了车辆制动系统对电的依赖；
2）蓄能器充液阀可以实现按系统需求自动充放液，在不需要蓄能器充液时，泵供出的压力油可以驱动其他负载动作，降低了对液压泵的变量要求，提高了液压泵利用率；
3）蓄能器充液阀自动保证蓄能器的优先充液，为蓄能器放液、系统制动做好准备，增加了系统制动的可靠性；
4）图1所示的蓄能器充液阀，其阀芯结构必须保证与控制油相通的先导阀阀芯两端，必须保证有弹簧的一端的阀芯面积更大；
5）图1所示的蓄能器充液阀，其起充压力大小为
截止充液的压力大小为
。
