多路阀异形阀口结构对微动特性影响研究
艾超1,2, 王娟1, 孔祥东1,2, 赵苓1,2, 夏庆超1
1.燕山大学 河北省重型机械流体动力传输与控制实验室, 河北 秦皇岛 066004
2.先进锻压成形技术与科学教育部重点实验室(燕山大学), 河北 秦皇岛 066004

作者简介:艾超(1982—),男,河北唐山人,讲师,博士,主要从事重型机械动力传输系统及液压阀设计开发的研究工作。

摘要

针对负载敏感比例多路阀在小开口处流量分辨率低导致的负载窜动的问题,采用理论推导和计算流体动力学方法(CFD)仿真的方法,对主阀阀口过流面积进行了研究,获得了阀口结构对微动特性的影响规律,即减小阀芯小开口处锥角可以减小节流口面积梯度,进而优化微动特性。据此设计了一款新的阀芯,并对新旧阀芯进行实验对比研究。研究结果表明:通过减小主阀小开口处过流面积梯度可以实现流量缓慢平稳变化,提高流量控制精度,增加执行机构启动平稳性,实现比例多路阀微动特性优化。

关键词: 比例多路阀; 过流面积; 微动特性
中图分类号:TH137 文献标志码:B 文章编号:1000-4858(2015)02-0020-05
Influence of Anomalous Orifice Structure on Micro-characteristics of Multi-way Valve
AI Chao1,2, WANG Juan1, KONG Xiang-dong1,2, ZHAO Ling1,2, XIA Qing-chao1
1. Hebei Provincial Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control, Yanshan University,Qinhuangdao, Hebei 066004
2. Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science (Yanshan University), Ministry of Education of China, Qinhuangdao, Hebei 066004;
Abstract

For the problem of load-floating caused by the resolution of flow-rate in the small opening of the load-sensitive proportional multi-way valve, the theoretical derivation and the computational fluid dynamic (CFD) method are used to investigate the flowing field of the main valve orifice. The influence law of the micro-characteristics caused by the structure of the valve orifice is obtained. The reducing cone angle in the small opening of the spool valve can adjust the area gradient of the orifice and thereby optimize the micro-characteristics. The experiment is carried on to compare the old and new spools. The considerable research results are as follows: reducing the valve orifice area gradient in small openings can make the flow change slowly and steadily, improve the accuracy of flow control and optimize the micro-characteristics of the valve.

Key words: proportional multi-way valve; orifice area; micro-characteristics
引言

微动特性是多路阀重要特性之一, 对整个装置的工作性能有着重要影响[1, 2]。多路阀作为工程机械主要控制元件具有结构紧凑、管路连接简单、能够实现多执行机构负载独立控制等优点, 因此在工程机械液压系统中得到广泛应用[3, 4]。目前有关多路阀的关键技术掌握在德国、美国、日本等少数国家厂商手中, 导致整机价格高、供货周期长、利润低等缺陷, 严重制约了国产工程机械的发展[5, 6]。本研究基于多路阀国产化后, 在微动特性方面存在的流量分辨率低、负载窜动等不足进行了研究, 对于提高液压系统在小开口处的可控性、提高控制精度具有重要意义。

阀口过流面积的计算是对阀进行研究的关键。目前常见的节流槽有U形槽、V形槽等开口形式, 其过流面积的计算方法已基本成熟[7, 8, 9, 10, 11]。但是关于异形节流槽阀口过流面积的确定原则和计算方法的研究相对较少, 还没有成熟的公式可以参考。本研究提出了一种异形阀口过流面积的理论计算方法, 并据此设计了一种新的阀芯形式, 通过实验验证了阀口结构对多路阀微动特性的影响规律。

1 负载敏感比例多路阀工作原理

负载敏感比例多路阀由三部分组成:连接块、 换向块、终端块。连接块为进回油功能块, 由三通减压阀、三通流量补偿器、安全溢流阀等组件构成; 换向块为控制执行机构动作的功能块, 由主阀、两通流量补偿器、双头比例电磁铁、比例减压阀、二次溢流阀等主要功能插件组成; 终端块是功能最简单的功能块, 主要用于将先导控制油的回油排回油箱。其结构简图如图1所示。

图1 负载敏感比例多路阀内部结构简图

多路阀采用比例减压阀作为先导控制阀控制主阀阀芯的两个控制腔压力, 进而控制主阀芯的运动。当输入控制信号为零时, 主阀在外弹簧的作用下保持在中位; 当给比例减压阀输入控制电信号时, 比例减压阀输出恒定的压力, 推动主阀芯运动。由于主阀芯凸肩上存在不同程度的遮盖量导致非线性, 使得多路阀的数学模型比较复杂。

2 主阀阀口过流面积计算

主阀口过流面积计算是流量计算的基础。主阀阀口结构如图2所示, 由P到A的液流由两部分组成:从P口直接通过下节流槽到达A, 从P口通过矩形槽到流道上腔然后通过上节流槽到A。上下节流槽开口大小形式完全相同, 过流面积相同。上节流槽结构不同于传统的U形槽、V形槽, 它由圆柱面1和圆柱面2的交线及其在阀芯锥面上的投影线包围而成, 其面积计算简图如图3所示。

图2 主阀阀口P-A结构示意图

图3 上节流口计算简图

1) 上节流口过流面积计算

锥角斜率为k:

k=tanθ1

z=k(y+R1)+R22

锥面方程为:

x2+z2=(ky+R1k+R2)23

当阀芯移动位移m后, 锥面方程为:

x2+z2=(ky+t)24

其中:

t=R1k-mk+10(5)

垂直柱面的方程为:

x2+y2=R126

横置柱面的方程为:

x2+z2=R227

两柱面交线上的点坐标为(x, - R12-x2, R22-x2), 由于交线关于x=0平面对称, 取x> 0区域的交线为研究对象。令交线上的点为B(x1, y1, z1), 则x1∈ (0, 2R1m-m2)。过点By轴的平面与锥面的交线为直线l:

-z1x+x1z=0x2+z2=(ky+t)28

解得:

xx1=y+tkx1k1+z12x12=zz19

直线向量:

i̅=x1, x1k1+z12x12, z110

在直线l上任取一点A(0, -t/k, 0), 则:

AB¯=x1, y1+tk, z111

B与直线l的距离即为B与锥面的距离d:

|AB|cosγ=AB¯·i̅i̅=x12+x1ky1+tk1+z12x12+z12x12+1k1(x12+z12)+z1212

 d=|AB|sinγ=|AB|2-|AB|2cos2γ (13)

因为 x1(0, 2R1m-m2), 将其沿x方向分为n等份, 曲线上的点依次为B1~Bn, 则相邻两点间的距离为:

BiBi+1=(xi+1-xi)2+(yi+1-yi)2+(zi+1-zi)214

上节流口过流面积为:

Aj=2·1n-1BiBi+1·di15

2) 主阀节流口过流面积计算

多路阀的节流槽为不规则开口形状。经下节流槽的液流直接进入A口, 其等效过流面积用Aj代替。经上节流槽的液流需经过一矩形开口方能到达, 故在此处是节流口串联形式, 其等效过流面积用Bj代替。因此进行过流面积计算时应分两部分计算, 主阀节流口过流面积为A:

A=Aj+Bj16

Bj=11Aj2+1Aju217

式中, Aju=8 mm2

3 仿真及分析

由于多路阀阀口结构复杂, 在对节流口的理论计算过程中, 很多问题被简化了, 因此, 计算结果只能粗略表示出节流口面积变化的趋势。为验证上述面积计算方法的有效性, 采用计算流体动力学方法(CFD)对不同开口度主阀节流口的流场进行仿真。采用SolidWorks软件对流道进行三维建模, 所建模型如图4所示。应用Gambit软件进行网格划分, 由于阀口及其进出口腔内压力、速度梯度很大, 阀口处存在复杂流态, 因此在阀口处采用局部网格细化, 在非阀口区域采用粗网格, 网格划分如图5所示。

图4 多路阀流道三维图

图5 主阀节流口P-A流场网格划分图

采用压力入口、压力出口边界条件, 其差值为0.6 MPa; 油液密度为870 kg/m3, 运动黏度为4.6× 10-5m2/s, 选择k-ε 模型进行仿真计算。分别针对45° 阀芯锥角下开口度为0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm、2.4 mm、3.4 mm时的流场进行仿真。

流场仿真所得主阀节流口P-A速度云图如图6所示。通过速度云图比较可知, 阀口射流属于高速淹没射流。在小开口处, 流体的最大速度出现在阀体拐点与锥面的垂线上, 因此节流口为所有垂线所构成的曲面, 证明上文理论计算所选取的节流口位置是正确的。随着开口度的逐渐增大, 二次射流现象逐渐明显。

图6 仿真速度云图

通过流场仿真获得0.6 MPa压差、不同开口度下的流量, 设定流量系数为0.7, 应用薄壁孔口流量公式获得等效通流面积, 应用理论计算方法分别计算45° 及18° 锥角阀芯下节流口的过流面积, 其结果如表1所示。45° 锥角阀芯主阀节流口过流面积与开口度关系如图7所示。由图看出开口度小于2 mm时, 流场仿真结果与理论计算结果十分接近, 这证明主阀节流口过流面积的理论计算方法是正确的。随着开口度增大, 理论计算结果逐渐大于流场仿真结果, 这是因为流场仿真中二次射流的出现形成了节流口的串联效应进而使等效过流面积减小。不同锥角阀芯主阀节流口过流面积与开口度关系如图8所示, 从图中可以看出18° 阀芯所对应的面积梯度明显小于45° 阀芯, 这说明可以通过修改阀芯锥角的形式来改变节流口面积梯度, 进而优化微动特性。

图7 45° 锥角阀芯主阀节流口过流面积

图8 不同锥角阀芯主阀节流口过流面积

表1 主阀节流口面积计算
4 实验研究

由上文可知, 在其他参数都确定的情况下, 通过减小阀口面积梯度能够减缓小开口处流量突变, 优化多路阀微动特性。所研究负载敏感比例多路阀阀芯锥角为45° , 在小开口处其流量曲线不够平缓, 控制特性较差。根据阀芯锥角对面积梯度的影响规律, 在不影响最大流量的前提下设计了新的阀芯形式— — 先开18° 锥角其长度为0.8 mm, 然后将锥角变为45° 。新旧阀芯示意图如图9所示。

图9 新旧阀芯结构示意图

依托国内某公司的比例多路阀多功能试验台, 搭建了负载敏感比例多路阀实验系统, 实验原理示意图如图10所示。

图10 实验系统原理示意图

针对负载敏感比例多路阀微动特性分别应用两种不同节流口阀芯进行实验研究, 原45° 锥角阀芯结构如图11a所示, 修改后的阀芯结构如图11b所示。

图11 两种不同阀芯结构对比图

采用三角波信号作为控制信号, 重点研究多路阀在小开口处的流量曲线。原阀芯流量曲线如图12所示, 新阀芯流量曲线如图13所示。

图12 原阀芯流量曲线

图13 新阀芯流量曲线

图12中可以看出阀口打开后, 在小开口阶段随着电流的增大, 流量迅速增加, 负载窜动, 阀芯关闭时出现卡滞现象随后阀芯迅速关闭。从图13可以看出阀口打开及关闭时, 在小开口阶段随着电流的增大, 流量均缓慢平稳变化, 负载平稳起动, 流量可控性较好。

5 结论

负载敏感比例多路阀节流口过流面积梯度随着阀芯锥角的减小而减小, 可以通过改变阀芯锥角的形式来优化微动特性。通过减小主阀小开口处过流面积梯度可以实现流量缓慢平稳变化, 提高流量控制精度, 增加执行机构启动平稳性, 实现比例多路阀微动特性优化。

The authors have declared that no competing interests exist.

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