液压滑阀阀芯卡紧力研究.pdf

2 0 1 4年 7月 第 4 2卷 第 1 3期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS J u 1 ． 2 01 4 Vo l _ 4 2 No ． 1 3 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 4 ． 1 3 ． 0 1 8 液压滑阀阀芯卡紧力研究 张俊俊 ，刘罡 ，王 江勇 西南科技 大学制造学院，四川绵 阳 6 2 1 0 1 0 摘要以 A D I N A软件的流固耦合求解器为计算平台，对液压滑阀的液压卡紧进行了数字模拟研究。主要研究阀芯与阀 套的间隙特性对卡紧力的影响，矩形均压槽对减小卡紧力的作用效果。卡紧力推动阀芯移向阀套 ，可能导致阀芯卡紧；与 偏心距相比，锥角对卡紧力的影响更大；开设均压槽后 ，能有效地减小卡紧力；通过研究均压槽的位置和结构尺寸对卡紧 力的影响关系，得到了均压槽的最优位置及合理的结构尺寸。 关键词 滑阀；A D I N A软件 ；卡紧力；均压槽 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 4 1 3 0 7 1 3 Re s e a r c h o n t he Cl a mpi ng Fo r c e o f Hy dr a u l i c S l i d e Va l v e Z H A N G J u n j u n ， L I U G a n g ， WA N G J i a n g y o n g S o u t h w e s t U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Mi a n y a n g S i c h u a n 6 2 1 0 1 0，C h i n a Ab s t r a c t T h e d i g i t a l s i mu l a t i o n o f t h e s l i d e v a l v e w a s c a r ri e d o n u s i n g t h e s o l v e r o f ADI NA．T h e h y d r a u l i c c l a mp i n g o f s p o o l v a l v e w a s r e s e a r c h e d w i t h d i g i t a l s i mu l a t i o n me t h o d ．T h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e g a p c h a r a c t e r i s t i c s o f s p o o l v a l v e a n d l o c k f o r c e w a s r e s e a r c h e d a n d h o w t h e r e c t a n g u l a r e q u a l i z i n g t a n k t o r e d u c e s l o c k f o r c e ．T h e l o c k f o r c e p u s h e s t h e s p o o l mo v e t o s l e e v e ，w h i c h ma y l e a d t o s p o o l b e c l a mp e d ．C o mp a r e d wi t h t h e o f f s e t ，t h e i n flu e n c e o f c o n e a n g l e t o l o c k f o r c e i s g r e a t e r ．T h e l o c k f o r c e i s r e d u c e d e f - f e c t i v e l y a f t e r t h e r e c t a n gul a r e q u a l i z i n g p r e s s u re t a n k s are o p e n e d ．T h e o p t i ma l l o c a t i o n a n d r e a s o n a b l e s t r u c t u r e s i z e o f e q u a l i z i n g p r e s s u r e t a n k s a r e g o t t e n b y s t u d y i n g h o w t h e l o c a t i o n a n d s t ru c t u r e s i z e o f e q u a l i z i n g p r e s s u r e t a n k s r e d u c e t h e l o c k f o r c e ． Ke y wo r d s S p o o l v a l v e；ADI N A s o f t ware ；C l a mp i n g f o r c e ；P r e s s u r e e q u a l i z i n g t a n k 液压滑 阀在使 用过程 中经 常出现 阀芯 卡紧故 障 ， 卡紧故障一般分 为液压 卡紧与机械卡紧两种 。液压 滑阀发生液压卡紧现象非常普遍 ，其主要原因是 阀芯与阀套间隙内液体压强分布不均，导致液体对阀 芯产生径 向不平衡作用力 ，这个 径向不平衡力即为液 压卡紧力 。倒锥是产生液压卡紧故障的主要形式 之一 。滑阀在工作时，高压腔与低压腔反复交替， 因此出现倒锥是不可避免的。为了防止液压卡紧，只 能进一步分析影响径向不平衡作用力的因素 ，并采取 合理的减小措施 ，实际应用时一般采用开设均压槽来 减小卡紧力 。文 中利用 A D I N A软件对滑阀进行数 值模拟 ，研究偏心距、锥角、均压槽的数量、位置、 结构尺寸等对卡 紧力 的影 响 。 1 模型与计算条件 1 ． 1 三 维模 型 图 1 所示为滑阀阀芯卡紧模型结构简图，具体尺 寸如表 1 所示。R为阀套的半径 ，r ， 为阀芯凸肩的大 端半径，r 为阀芯凸肩小端半径 ，O t 为锥角 ，e为偏 心距， 为阀芯凸肩与的阀套形成的密封长度 ，h ． 为 大端侧缝隙高度 ，h 为小端侧缝隙高度。 下对 称 面 图 1 阀芯卡紧模型 表 1 卡紧模型的结构尺寸 R ／ m m 5 ． 5 1 5 e ／ ra m 可变 r 1 ／ m m 5 ． 5 r 2 ／ m m 可变 L ／ mm 5 h x ／ mm 可变 o ，／ 。 可变 h 2 ／ ra m 可变 1 ． 2 解析假定及边界设定 分析模型具有平面对称性，为了减少计算量 ，只 对模型的一半进行计算。流体模型为层流，并假设阀 腔内的湍流流动对间隙中的层流无影响。 缝隙流场与阀芯模型的接触面设为流固耦合面； 人口分别设 5 、1 0 、2 0 M P a等3种不同的高压；出口 收稿 日期 2 0 1 3 0 61 4 基金项目四川省教育厅重点项目 1 l z d l 1 l O 作者简介张俊俊 1 9 6 1 一 ，女，教授，主要从事机电系统装备控制与优化设计。Em a i l z h a n g j u n j u n s w u s t ． e d u ． c n 。 7 2 机床与液压 第4 2卷 设 为大气压 0 ． 1 0 1 3 MP a 。液压 油的物理参数见 表 2 ， 阀芯材料参数见表 3 。 表2 液压油的物理参数 液压油类型 密度／ k g m 运动黏度 m m s 动力 黏度／ P a s 抗磨液压油 Y A N 4 6 8 6 0 2 9 0． 0 2 4 5 表3 阀芯材料参数 材料类型 弹性模量／ P a 泊松比 密度／ k g m 1 ． 3 网格 划分 缝隙的厚度值远远小于缝隙的直径与长度值 ，对 整体模型设置单元长度后，由于厚度方向上结构尺寸 过小，只能划分出一层网格 ，这样划分的网格是不合 理的。为了使计算结果更精确，在划分网格时保证了 厚度方向上至少有 5 层网格。 2 结果与分析 2 ． 1 无均压槽 2 ． 1 ． 1 偏心距对卡紧力的影响 图 2所 示 为在 倒 锥 模 0 型 中锥角为 0 ． 0 4 。 时 ，卡 紧 ， 帅 力的大小随偏心距与压差 童6 o 的变化情况。当压差相 同 4 0 时 ，偏 心 距 越 大卡 紧力 值 z o 越大；当偏 心 距 相 同 时， ” 压差 越大 卡紧 力值 越大。 O 2 4 6 8 偏心 距／ t i m 当偏 心距 与压 差都 大 时， 图2 卡紧力大小 卡紧力值变得较大，能达 0 0 4 。 到几十牛甚至上百牛。卡紧力的方向与偏心方向相 同，它将推动阀芯向阀套移动 ，加大偏心距，直到阀 芯与阀套相接触，导致阀芯卡紧。卡紧力对滑阀工作 是有害的。 2 ． 1 ． 2 锥角对卡紧力的影响 阀芯凸肩在加工时产生的几何误差，使其呈现出 微小的锥角 。由于加工水平 的限制，锥角是不 可避免 的。 图 3所示为在倒 锥模 型 中偏 心 距 为 0 ． 0 0 4 m m 时，卡紧力 的大小随锥角 的变化情况。 从 图 3 中 可 以 看 出 其他条件相 同时，卡紧力 随锥 角 增 大 而增 大 ，但 它 们之 间不呈线性关 系。锥 角大小 在 00 ． O l 。 之 间， 对应 的 圆 度 与 圆柱 度 公 差 为 I ． 7 m，对卡紧力的影响很大，即卡紧力对小锥 角很敏 感 。一 般 阀 芯 的 圆度 与 圆 柱 度公 差 为 3～5 m ，如果只从提高加工精度来防止滑阀产生液压 卡紧故障，就必须将锥角控制到 0 ． O l 。 以下才能起 到较好的效果，这必将大大地增加液压阀的生产成 本 。 2 ． 2有均 压槽 2 ． 2 ． I 均压槽数量对卡紧力的影响 图4所示为沿阀芯轴线方向均匀开设不同数量的 矩形均压槽，卡紧力的变化情况。分析模型中设置槽 的深度 为 0 ． 5 m m，宽度为 0 ． 5 m m。 从图4中可以看出开设均压槽对减小卡紧力的 效果 比较 明显 ，开设 1条 时卡 紧力 减小 到无 槽 时 的 4 0 ％左右，开设 2条时卡紧力减小到无槽时的 1 4 ％ 左右 ，开设 3条时卡紧力减小到无槽时的 1 0 ％左右， 开设 4条时时卡紧力减小到元 槽时 的 I ． 5 ％左右 。同 时也看出其他条件完全相同时，开设 2条均压槽与 3 条均压槽对减小卡紧力的作用效果相当，据此推测开 均压槽的位置对减小卡紧力可能存在影响。 图 4 均匀开设均压 槽 槽深 0 。 5 m m， 宽 0 ． 5 ra m 2 ． 2 ． 2 均压槽位置对卡紧力的影响 图5所示为均压槽距高压腔不同距离的分析模 型 ， 取值为 0 ． 5～ 4 m m。 从 图 6可知 ，均压槽 的开设位置对 卡紧力 的大小 是存在影响的。在不同压差下，卡紧力随着均压槽位 置的变化趋势基本一致，同时也可以看出均压槽开设 在高压 端对 减 小 卡 紧力 的作 用 更 明 显。在 1 ． 2 5 m m时卡紧力最小，即均压槽在离高压腔距离为凸肩 全长的 1 ／ 4处时，对减小卡紧力的效果最佳。 压 ～ 一 压 图3 锥角大小对卡 图5 均压槽位置 紧力的影响 e 0 ． 0 0 4 mm 图6 均压槽位置对 卡紧力的影响 M 1 9Ⅺ 1 正 2 ～ ～ ～ 第 1 3期 张俊俊 等液压滑阀阀芯卡紧力研究 7 3 2 ． 2 ． 3 均压槽非均 匀布置对卡紧力的影响 时 小 到 无 槽 时 的 图7 非均匀开设均压槽 8 ．9 ％左 右。 一 ” ⋯⋯⋯ 2 ． 2 ． 4 均压槽结构 尺寸对卡 紧力 的影响 从上面计算分析可知当其他条件完全相同时， 压力差只是改变卡 紧力 的大小 ，而不影响卡紧力随某 一 因素变化的趋势。在以下计算分析时，只设置了人 口压力为 5 M P a 、平衡槽位置 1 ． 2 5 m m时的一种 模型。图 8 所示为均压槽宽度为 0 ． 5 m m时，卡紧力 的大小随槽深 的变化情况 。 从图 8可知槽的深度太浅达不到减小径向力的 目的 ，槽 的深度过大虽能起 到减小 径 向力的作用 ，但 会 影响 阀芯 的强度 ，槽深 取 0 ． 4 m m时卡 紧力达 到最 小 。 图 9所示为均压槽深为 0 ． 4 m m时，卡紧力的大 小随槽宽 的变化情况 。 崩； 止 Z R 酸 毕 0 ． 2 0 ． 4 0 ． 6 均压槽宽度／ ram 图8 平衡槽深度对 图9 均压槽宽度对 卡紧力的影响 卡紧力的影响 槽 宽 0 ． 5 mm 槽深 0 ． 4 m m 从 图 9可 以看 出槽 的宽度太小达不到减小卡紧 力的目的，槽的宽度过大能虽能起到减小卡紧力的作 用 ，但会增大液压油的泄漏，槽宽取 0 ． 3 m m比较理 想 。 3结论 液压滑阀的阀芯存在几何误差和阀芯阀套配合存 在同轴度误差 ，当滑阀工作时，阀芯阀套的配合间隙 中的液压油将对阀芯产生卡紧力，不利于滑阀正常工 作 。 当其 他条件 一样 时 ，偏心距越大卡 紧力越大 、压 力 差越大卡紧力 越大。卡紧力对小锥 角比较敏感 ，小 锥角在加工中是不可避免的。如果只是用提高加工精 度 的方式来减小卡 紧力所 能起 到的效果不太 明显 。因 此应同时采取其他方法减小卡紧力。 阀芯上开设 均压槽有助 于减小卡 紧力 。均压槽开 设在离高压端距离为凸肩全长的 1 ／ 4处，卡紧力能达 到最小 ；沿阀芯轴线方向非均匀开均压槽比均匀开设 对减小 卡 紧 力 的作 用 更 明显 。均压 槽 的宽 度 为 0 ． 3 m m、深度为0 ． 4 m m时减小卡紧力的效果比较理想。 参考文献 [ 1 ]王丽梅， 刘宝田． 液压换向阀阀芯卡紧故障分析[ J ] ． 液 压与气动， 1 9 9 9 3 3 83 9 ． [ 2 ]赵艳平． 圆柱滑动副中液压卡紧力的解决方案[ J ] ． 流 体传动与控制， 2 0 0 5 1 1 1 1 1 3 ． [ 3 ]杨存花． 液压卡紧的原因及其消除措施[ J ] ． 有色冶金 节能， 2 0 0 3 4 5 0 5 1 ． [ 4 ]王丽梅 ， 刘宝田． 液压换向阀阀芯卡紧故障分析[ J ] ． 液 压与气动， 1 9 9 9 3 3 8 3 9 ． [ 5 ]雷天觉． 液压工程手册[ M] ． 北京 机械工业出版社， 1 99 0 831 ． [ 6 ]陈奎生 ， 周雯娟， 郭嫒 ， 等． 基于 F l u e n t 的液压滑阀阀芯 卡紧力研究 [ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 1 1 ， 3 9 1 5 1 1 31 1 5 ． [ 7 ]左倩． 液压卡紧现象浅析[ J ] ． 扬州职业大学学报 ， 1 9 9 8 2 2 42 7 ． 上接第 3 1页 [ 5 ]D A V I E S M A， E V A N S C J ， P A T I E R S O N S R， e t a 1 ． A p p l i c a t i o n o f P r e c i s i o n Di a mo n d Ma c h i n i n g t o t h e Ma n u f a c t u r e o f Mi c r o - p h o t o n i c s C o m p o n e n t s[ J ] ． S P I E， 2 0 0 3 ， 5 1 8 3 9 4 1 08． [ 6 ]B E N I T E Z P， MI N A N O J C， HE MA N D E Z M． O n t h e A n a l y s i s o f Mi c r o s t mc t u r e S u rf a c e s[ J ] ． S P I E， 2 0 0 4， 5 5 2 9 1 8 6 1 9 7 ． [ 7 ]C H E N G M N， C HE N G C F， L E E W B ， e t a 1 ． T h e o r e t i c a l a n d E x p e rime n t a l An a l y s i s o f N a n o s u r f a c e Ge n e r a t i o n i n U l t r a - p r e c i s i o n R a s t e r Mi l l i n g[ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f Ma c h i n e T o o l s＆ Ma n u f a c t u r c ， 2 0 0 8， 4 8 1 0 9 0 1 1 0 2 ． [ 8 ]C H E U N G T S ， WA N G C F ， L E E S J ， e t a 1 ． A S t u d y o f M i - c r o V- -g r o o v e F a b r i c a t i o n i n U l t r a - -p r e c i s i o n F r e e f o r m Ma -- c h i n i n g[ J ] ． K e y E n g i n e e ri n g M a t e r i a l s ， 2 0 0 7 ， 3 9 9 2 8 6 2 90． [ 9 ]L E E J H， P A R K S R， Y A N G S H． F a b r i c a t i o n o f a V - g r o o v e o n t he Op t i c a l fibe r Co nn e c t o r Us i n g a Mi n i a t u riz e d Ma - c h i n e T 0 o l [ J ] ． J o u rna l o f Ma t e ri a l P r o c e s s i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 4， 1 0 1 5 5 ／ 1 5 6 1 7 1 61 7 2 2 ． [ 1 0 ]卢猛 ， 赵清亮． 微结构表面超精密加工中切削条件的影 响分析[ J ] ． 航空制造技术 ， 2 0 0 9 3 8 0 8 4 ． [ 1 1 ]王洪祥， 孙涛． 超精密车削表面粗糙度的控制与优化 [ J ] ． 制造技术与机床， 2 0 0 3 9 5 5 5 7 ． 卜 。 匀 果 时 条 弛 一 揪 ～ 比 的 无 设 槽 力 七 到 开 可 压 紧 小 ， 中 均 卡 减 右 一 一 一 一 ～ 梳 图 开 减 紧 ％ 从 匀 对 卡 均 设 。 时 非 开 好 条 的