高速开关阀液动力补偿研究.pdf

峰 0 0 拳鞠 栽 lI 0 鬻 高速开关闻液动力补偿研究 浙江树人大学城建学院 赵 阳 浙江大学流体传动及控制国家重点实验 室 徐 兵 周 盛 摘要 阀芯液动力补偿是高速开关阀设计中的一个关键环节。在分析阀口液动力补偿策略的基础上， 提出了缝 隙滑阀结构， 这种结构能有效减小阀芯的稳态液动力。通过试验， 测试了缝隙滑阀基本参数阀口压差、 阀口开度 和缝隙宽度分别与稳态液动力和阀口流量系数的关系。结果表明， 采用缝隙滑阀结构能有效地减小阀芯的稳态液动 力， 为高速开关阀优化设计提供了试验依据。 关键词 高速开关阀液动力 补偿策略缝隙滑阀试验 高速开关阀是2 0 世纪 8 0 年代发展起来的一种 具有响应速度快 、 抗污染能力强、 成本低廉及与电子 电路配合性好等特点的良好的动力放大元件， 高速 开关阀的发展将加快液压系统的数字化。但是， 高 速电磁开关阀存在着大流量与高响应之间的矛盾， 如何解决这一矛盾， 国内外的学者进行了很多研究。 根据对滑 阀结构特性 的分析， 我们提出一种提高电 磁开关阀响应速度的缝隙滑阀结构 ， 并进行 了液动 力补偿 的试验验证【 。 1 高速开关阀阀芯液动力补偿策略 高速开关阀阀芯在运动过程中受到电磁吸合力 、液动力 、 液压卡紧力 、 阻尼 和弹簧力 的 作用。阀芯运动方程可以表示为 m 广 一 一 1 式中 m为阀芯质量 ； 为阀芯位移。 由式 1 可知， 要提高阀芯的工作频率， 应该提 高电磁铁的电磁吸合力以及电磁铁响应速度 ， 同时 减小液动力、 液压卡紧力、 弹簧力 、 阻尼和阀芯的质 量。其中阻尼和弹簧力是系统结构决定的， 在阀芯 设计过程 中作定值处理 。通过电磁铁的优化设计可 以提高 电磁铁的电磁吸合力 以及电磁铁响应速度 。 由于篇幅所限 ， 这部分内容在本文中不详细阐述 。 液压卡紧力产生的主要原 因是阀芯加工几何形 状误差和装配造成的不同轴度 ， 因此 阀芯的液压卡 紧力问题实际上是加工工艺 问题 ， 所以高速开关阀 阀芯优化设计的主要 目标就是减小阀芯液动力。 -- 4 5- - 阀芯运动产生的液动力，直接影响阀的输出特 性。 因此 ， 如何补偿阀芯运动的液动力一直是国内外 液压界关注的问题。目前的补偿策略主要有 1 阀套运动法嘲就是固定阀芯 ， 而让 阀套运 动来确定阀的开口量。这种补偿方法是通过将 阀芯 所受 的液动力部分转移到阀套上 ，从而减弱阀芯的 运动阻力。其结构如图 1 所示 。 2 特形 阀腔法 即采用特殊 的阀腔设计 ， 改 变液体在阀腔里通常的流动状态 ，使液体流人与流 出阀腔的角度接近于相等 ， 达到补偿液动力的目的。 日立公司研制的 F MV伺服阀，成功应用了该方法 ， 其 阀腔结构如图 2所示 。 3 流道改造法 通过改造 阀内流道 ， 合理 布置涡的位置 ， 改变 阀内流体的流动状态 ， 具体结构 如图 3所示。 图 1 阀套运动方法原理图 图 2 应用特形阀腔法 的四边滑 阀 固定件 可 动件 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第3 9 卷2 o ∞年8 舟 工程机械 收 强 I ～ ～ I I l ； t t t t t ‘ ㈣ i I I I I ⋯t t⋯} ； 、 毽 差 差 差 差 差 羹 差 差 差 洼差 图 3阀内流道的改造设计 4 径向 斜 向 开孔法 在 阀套周围对称布 置许多小孔作为阀套的窗 口， 这样 当小孔完全打开 时， 射流角为 9 0 。， 稳态轴向液动力接近为零。 但是 由于这些窗 口是圆形的 ， 因此流量增益是非线性的。 5 非全周开 口法 此方法与通常的滑阀使 用状态 全周开 口 有所不同 ， 它是在阀芯上切割出 几条“ u ” 形槽 口， 油液首先在槽内流动 ， 然后进入阀 腔。由于槽 口的引流作用 ， 减小了油液的喷射角度 ， 液动力因此得到削弱。 日立建机公司在伺服阀中应 用了此方法。 此外， 文献【 8 1 中提到通过设置沉割槽与进出油 口的相对尺寸及位置来调整阀进 出口油液的轴 向速 度分量 ， 达到减小液动力 的方法。但 目前还未有定 量化结论， 值得探讨。 2 滑阀阀芯液动力研究 滑阀的密封面一般是圆柱面， 由于是动密封 ， 阀 芯的外径必须小于阀腔的内径 ， 为了阀闭合 时有一 定的密封性 ， 阀芯肩台与阀座孔 间需有一定的封油 长度 。由于这个遮盖量的存在， 使工作行程加长 ， 影 响快速性 。工作行程长使得 阀芯加速时间变长 ， 阀 芯对 阀座的冲撞变大 ， 影响整个 阀的寿命 。而且滑 阀的密封较差 ， 较大的泄漏量会影响控制精度。但 是 ， 采用滑阀式结构很容易获得液压力平衡和液动 力的补偿 ， 可以在较大的压力和流量下工作 ， 得到多 工作位置和通数的开关阀。为了满足大流量需求 ， 实际高速开关阀经过合理设计 ， 还是较多地采用滑 阀结构。 2 ． 1 缝隙滑阀结构和工作原理 采用缝隙滑阀结构可以减小阀芯液动力 。图 4是缝隙滑阀结构图 ， 图中 l 是 阀套 ， 2是阀芯。在 阀芯和阀套上加工 出一系列等宽的槽 槽宽 1 0 ． 5 胁 。当左边电磁铁通电后 ， 阀芯在电磁力作用下 ， 向左运动， 阀套与阀芯间的通流面积逐渐减小 ， 直到 _ 触n cI 酏 喇随 a r， c ， 胁c { l 们 鲫忉 a 缝隙滑 阀 2 b 缝隙结构图 c 实物照片 1 ． 阀套2 ． 阀芯 图 4 缝隙滑 阀结构 阀 口完全关闭， 这时 A 口与 B口间无液流通过。左 电磁铁断电，阀芯在左电磁铁剩余 电磁力作用下保 持关闭状态 ； 反之 ， 当右电磁铁通电后 ， 阀芯向右运 动 ，阀口开启 ， A 口和 B口导通 ，然后右电磁铁断 电， 在剩余电磁力作用下 ， 阀芯保持开启状态。该阀 具有阀芯运动行程小 、阀芯质量小 、阀 口通流面积 大、 阀口液动力小和阀芯开启 、 关闭速度快等优点。 2 ． 2 缝 隙滑 阀液 动力分 析 按照阀芯上液动力产生的机理不同，液动力分 为稳态液动力和瞬态液动力两种。稳态液动力是液 流通过阀 口时因动量变化而作用在阀芯上的力 。图 5 表示液流流过阀口的情况 。 。 分别为阀进、 出口 流速。 取阀芯两凸肩的容腔中的液体作为控制体 ， 对 它列写动量方程 ， 可得轴向稳态液动力 计算公式 2 ， 其方 向使阀口趋于关闭。 F p q v 2 式中 轴向稳态液动力； p 油密度； - 4 7- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 图 5滑阀阀芯液动力分析 g 流量； 口流速的 方向分量。 瞬态液动力是滑阀在移动过程中 即阀 口开度 变化时 阀腔 中液流因加速或减速而作用在 阀芯上 的力。这个力只与阀芯移动速度有关 即与 阀口开 度变化率有关 ， 与阀口开度本身无关。当控制体内 液流流速变化时， 瞬态液动力为 凡 p L d q ／ d t 3 式中 厂瞬态液动力 ； 阀口长度 ； d q ／ d r一 流量变化率。 图 6是缝隙滑阀阀口压差 1 0 M P a时， 流速矢量 分布图和压力分布图。从流速矢量分布图可知 ， 液 流经过阀口时 ， 流动方 向几乎没有改变 ， 依然是沿阀 芯径向流动， 因此液流沿轴向的动量很小 ； 从阀口流 场压力分布图可知 ， 缝隙两壁面上压力分布几乎相 同， 可见液流流过阀口时径向稳态液动力很小。 另外 ， 由于液流在缝 隙中的流动是沿径 向流动 的， 在阀口开度变化过程中， 缝隙中液流流速变化产 生的瞬态液动力沿径向分布。如果将滑阀的缝隙设 计成对称布置 ， 瞬态液动力可以相互抵消 。只有在 阀芯运动速度发生瞬变时 ， 缝隙中液流会产生轴 向 的瞬态液动力。但这种瞬态液动力相对于普通滑阀 结构要小得多。这是由两 方面 因素造成的 一是 阀 芯的加速度远远小于液流的加流速 ； 二是缝隙处液 流质量小。 所以缝隙处的瞬态液动力可以忽略不计 。 2 ． 3 缝隙滑阀设计参数与液动力关系 由于阀口缝隙处 的瞬态液动力几乎可以忽略， 下面我们主要研究缝隙设计参数与稳态液动力间的 关系， 并取 阀芯外径为 7 m l n ， 缝隙数量为 5 。 增加阀口压差 ， 通过阀 口处的液流流速增加 ， 流 体对阀芯的稳态液动力相应增加 。图 7为阀口开度 - 4 8- 9 6 扣 Ot l { 嚣 5 r_j 613e 。6 l 蠢i 7。e十 l f { 1 誊 } { 磊薯壤 鬃 I 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m - - - 49--- 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 计模型， 提出计算工况无冲击约束的优化策略， 针对此优化策略提出了一种优化算法， 编制以 M A T L A B为平台的计算 程序， 并将该程序进行实例分析， 得到较好的结果， 证明了该策略以及算法的可行性。 关键词 液力变矩器叶栅参数优化算法 C F D c o m p u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s 计算量较大 ， 导致其在液力变矩器叶栅参数优化中受限制[71 ， 现有 方法是基于一维束流理论的性能预测以及优化， 从 而得到各轮进出角度值， 再通过 C F D计算得到更精 确验证。 传统优化策略依赖初始值的选取， 设计周期 一 5 0一 长， 为此需寻找一种简便有效的优化方法。 本文以高 效 区面积的最大值作为优化 目标 ，优化策略是通过 计算工况无冲击作为约束的二维参数优化[4 1 ， 并根据 此策略提出一种优化算法[3 1 ， 根据结果分析 ， 此优化 策略以及算法都是有效的。 维普资讯 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m