一種新型插裝式溢流閥的穩(wěn)態(tài)性能研究

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(1.蘭州理工大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院， 甘肅 蘭州　730050；2.蘭州理工大學(xué) 溫州泵閥工程研究院， 浙江 溫州　325105)

引言

溢流閥是液壓系統(tǒng)中的重要壓力控制元件，具有保持液壓系統(tǒng)壓力恒定的功能。先導(dǎo)式溢流閥與直動式結(jié)構(gòu)的相比，具有調(diào)壓精度高，穩(wěn)定性好的突出優(yōu)點，被廣泛應(yīng)運于各種場合。插裝式溢流閥的結(jié)構(gòu)特點是將主閥與先導(dǎo)閥巧妙地安置在同一閥腔內(nèi)，使得閥的結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，集成度高，實現(xiàn)了零泄漏。該種閥的先導(dǎo)閥芯采用球閥結(jié)構(gòu)，使得油液通過的過流面積變化較大，可以使主閥迅速打開，從而減短了閥的響應(yīng)時間。因此該種新型插裝式溢流閥不僅具有普通先導(dǎo)型溢流閥的穩(wěn)定性好，調(diào)壓精度高的優(yōu)點，而且克服了一般先導(dǎo)型溢流閥反應(yīng)不靈敏的缺點。

1　工作原理

新型插裝式溢流閥的結(jié)構(gòu)如圖1所示，壓力油通過主閥芯7阻尼孔充滿閥腔內(nèi)部，并通過導(dǎo)閥座阻尼孔作用在導(dǎo)閥芯4上，主閥芯7在前后腔油液面積差的作用下保持關(guān)閉，當(dāng)油液壓力達(dá)到導(dǎo)閥彈簧3設(shè)定的壓力之后，先導(dǎo)球閥4左移開啟，極小部分的流量溢流，進(jìn)而使主閥左腔的的壓力下降，當(dāng)主閥左右腔壓差達(dá)到一定值時克服主閥彈簧力和摩擦力，主閥向左移動，進(jìn)而開啟主閥，實現(xiàn)調(diào)壓作用。

1.緊鎖螺母　2.調(diào)節(jié)螺桿　3.導(dǎo)閥彈簧　4導(dǎo)閥芯5.主閥彈簧　6.閥套　7.出口溢流孔　8.主閥芯圖1　新型插裝式溢流閥的結(jié)構(gòu)示意圖

2　插裝式溢流閥的穩(wěn)態(tài)特性方程

該種新型插裝式溢流閥的簡化數(shù)學(xué)模型如圖2所示，列出受力平衡方程，壓力流量方程和流量連續(xù)性方程。

圖2　新型插裝式溢流閥簡化的數(shù)學(xué)模型

2.1　先導(dǎo)閥芯力學(xué)平衡方程

作用在先導(dǎo)閥芯上的力有液壓力、彈簧力、穩(wěn)態(tài)液動力，先導(dǎo)閥受力平衡方程為:

p2a2=kt2(Xt2+X2)+Fs2

(1)

式中：p2—— 先導(dǎo)閥前腔壓力

a2—— 先導(dǎo)閥受力面積

X2—— 先導(dǎo)閥的閥口開度

Xt2—— 先導(dǎo)閥調(diào)壓彈簧預(yù)壓縮量

Fs2—— 球閥閥口的穩(wěn)態(tài)液動力

2.2　先導(dǎo)閥閥口壓力流量方程

(2)

式中：Q2—— 流過先導(dǎo)閥口的流量

Cd2—— 先導(dǎo)閥閥口的流量系數(shù)，球閥取0.65

R—— 球閥半徑

d2—— 球閥座孔直徑

2.3　主閥芯力學(xué)平衡方程

作用在主閥芯上的力有液壓力、彈簧力、穩(wěn)態(tài)液動力、液壓卡緊阻力，主閥芯受力平衡方程為：

pA1=p1A1′+kt1(Xt1+X1)+Fs1+FK

(3)

式中：p—— 主閥進(jìn)口壓力，出口壓力為0 MPa

p1—— 主閥芯后腔壓力

A1—— 主閥芯前腔受力面積

A1′ —— 主閥芯后腔受力面積

Fs1—— 主閥穩(wěn)態(tài)液動力，F(xiàn)s1=2Cd1πD1X1cosβp2.4主閥閥口壓力流量方程

(4)

2.5　經(jīng)過主閥芯固定阻尼孔的流量方程

考慮流經(jīng)主閥芯阻尼孔的流量時，通常假定小孔液流的流道狀態(tài)為層流，而實際中阻尼小孔中的液流流動多為層流到紊流的過渡狀態(tài)，介質(zhì)流過阻尼小孔的流量經(jīng)驗公式為:

(5)

式中：γ—— 介質(zhì)的重度

ν—— 介質(zhì)的運動黏度

p1—— 主閥后腔壓力

a0、d0、l0—— 分別為主閥阻尼孔的面積，直徑，長度

2.6　經(jīng)過導(dǎo)閥座阻尼孔的流量方程

流過導(dǎo)閥座阻尼孔的流量為:

(6)

式中：p2—— 導(dǎo)閥進(jìn)口壓力

a1、d1、l1—— 分別為導(dǎo)閥座阻尼孔的面積，直徑，長度

2.7　流量連續(xù)性方程

假定無泄漏時，通過主閥阻尼孔的流量為通過導(dǎo)閥座阻尼孔的流量，也為通過導(dǎo)閥球閥口的流量，即：

Q′=Q″=Q2

(7)

則由流量連續(xù)性方程得出:

QS=Q1+Q2

(8)

3　插裝式溢流閥的壓力-流量特性曲線

先導(dǎo)式溢流閥理想的啟閉特性曲線是由兩段斜率不同的線段組成，它是經(jīng)過線性化后在理想狀況下的特性曲線。但是實際在閥芯的開啟過程中，閥芯除了受到液壓力，彈簧力的主要作用力外還受到了穩(wěn)態(tài)液動力、瞬態(tài)液動力、摩擦力、間隙間的油液泄漏的影響，實際的壓力與流量的關(guān)系呈現(xiàn)復(fù)雜的非線性關(guān)系，針對每一種新型結(jié)構(gòu)的壓力流量曲線還得不斷深入研究。

3.1　先導(dǎo)閥的壓力-流量方程

當(dāng)先導(dǎo)式溢流閥的壓力還未達(dá)到先導(dǎo)閥的開啟壓力時閥口關(guān)閉，p≤p2K，閥腔內(nèi)的壓力均相等，p=p1=p2,隨著壓力不斷升高，到達(dá)先導(dǎo)球閥閥口的開啟壓力p2k時，球閥即將打開，此時先導(dǎo)球閥的閥口開度X2=0,由作用在先導(dǎo)閥芯上的受力平衡方程(1)得：

(9)

由式(9)和式(1)、(2)聯(lián)立解得流過先導(dǎo)球閥口的流量與進(jìn)口壓力p2之間的關(guān)系：

(10)

由式(5)～式(7)得：

式中：α1—— 主閥芯阻尼孔的阻尼系數(shù)

α2—— 導(dǎo)閥座阻尼孔的阻尼系數(shù)

則得出當(dāng)進(jìn)口壓力在p2K≤p≤pK時，流量與壓力的關(guān)系：

(11)

式中：k2—— 球閥穩(wěn)態(tài)液動力剛度系數(shù)

3.2　主閥口的壓力-流量方程

當(dāng)壓力達(dá)到主閥開啟壓力pk時 ，主閥即將開啟，此時主閥開口量X1=0，主閥后腔的壓力為p1Q，由作用在主閥芯上的受力平衡方程(3)得：

pkA1=p1QA1′+Kt1Xt1+FK,即得到:

(12)

由主閥口壓力流量方程(4)和(3)、(12)得到當(dāng)進(jìn)口壓力p≥pK時，主閥打開的主閥口壓力流量公式為：

式中：k1—— 滑閥閥口液動力剛度系數(shù)，

k1=2Cd1πD1cos69°

3.3　先導(dǎo)式的壓力-流量方程

由流量連續(xù)性方程(8)、(10)、(13)得:

3.4　壓力-流量特性曲線分析

在上述推導(dǎo)的理論公式中，其他參數(shù)都已知，流量只是關(guān)于進(jìn)口壓力的函數(shù)，利用MATLAB軟件擬合出壓力與流量的特性曲線如圖3～圖6所示。

圖3為插裝式溢流閥從導(dǎo)閥開啟到主閥開啟時的先導(dǎo)閥口局部壓力流量曲線，可以看出導(dǎo)閥流量只有6 L/min，不到主閥流量的1%，滿足設(shè)計要求。曲線為下凹型，隨著壓力的緩慢增大，流量增加的較快，這是由球型結(jié)構(gòu)的先導(dǎo)閥開啟過程中過流面積的梯度變化較大引起的。

圖3　從導(dǎo)閥開啟到主閥開啟的局部壓力流量特性曲線

圖4為插裝式溢流閥主閥閥口的壓力流量特性曲線，可以看出主閥的開啟壓力為35 MPa,達(dá)到額定流量1000 L/min時壓力為36.6 MPa，調(diào)壓偏差率僅為0.044。說明該種新型插式溢流閥主閥的關(guān)閉主要靠作用在閥芯左右兩腔的壓差作用來實現(xiàn)，故所需的主閥彈簧剛度較小，只需要較小的液壓力就可以使主閥芯移動到最大開度進(jìn)行溢流。

圖4　主閥開啟后主閥的壓力流量特性曲線

圖5為插裝式溢流閥整個工作過程的壓力流量曲線圖，從圖中可以導(dǎo)閥開啟后主閥能夠迅速開啟溢流，啟閉特性良好，而且閥的壓力隨流量的變化平穩(wěn)。圖6為主閥左右兩腔的壓力流量曲線，其顯示了兩腔固定的壓力差，即為主閥阻尼孔產(chǎn)生的壓降。

圖5　先導(dǎo)式溢流閥壓力流量特性曲線

圖6　主閥左右兩腔的壓力流量特性曲線

4　新型插裝式溢流閥穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差的影響因素分析

穩(wěn)態(tài)調(diào)壓偏差是溢流閥最重要的穩(wěn)態(tài)性能，在先導(dǎo)閥的設(shè)計過程中，結(jié)構(gòu)參數(shù)的選取對于溢流閥的調(diào)壓精度具有重要影響，僅從壓力流量理論方程很難看出結(jié)構(gòu)參數(shù)的具體影響，在此通過計算機(jī)仿真不同參數(shù)值下的主閥開啟后的溢流特性曲線，得到較直觀的結(jié)果。

4.1　主閥芯承壓面積的影響

根據(jù)經(jīng)驗取主閥芯左右兩腔面積為一比值，對主閥芯左右兩腔的承壓面積分析可以轉(zhuǎn)化為對主閥芯進(jìn)口端直徑的研究。由圖7得，當(dāng)D1=25.6 mm時，調(diào)壓偏差率為 0.052，當(dāng)D1=26.2 mm時，調(diào)壓偏差率為0.049，當(dāng)D1=26.8 mm時，調(diào)壓偏差率為0.044。主閥芯進(jìn)口端直徑增大，則增大了主閥右端的受壓面積，使得主閥越容易克服彈簧力開啟溢流，更能夠獲得較好的壓力流量特性，調(diào)壓偏差就越小，調(diào)壓精度越高。

圖7　不同主閥進(jìn)口端直徑下的主閥壓力流量曲線

4.2　出口溢流孔直徑的影響

根據(jù)大流量溢流的要求及閥套的大小，本結(jié)構(gòu)的溢流孔選定的溢流孔數(shù)為10孔，選取了直徑分別為2.5 mm，3 mm，3.5 mm的三種溢流孔進(jìn)行對比，如圖8所示，孔徑越大，通流能力也大，調(diào)壓偏差越小，定壓精度越高。壓力變化范圍很小就可以實現(xiàn)溢流額定流量，調(diào)壓精度最小可達(dá)0.036。

4.3　主閥彈簧剛度的影響

圖9為彈簧剛度取15 N/mm，20 N/mm，26.15 N/mm，15 N/mm時的溢流特性圖，經(jīng)計算隨著彈簧剛度的減小，在相同的液壓力下，閥芯的移動位移就越大，流量溢流越快，調(diào)壓精度越高，調(diào)壓偏差率最小值為0.029。

圖8　不同溢流孔直徑下的主閥壓力流量曲線

圖9　不同主閥彈簧剛度下的主閥壓力流量曲線

5　結(jié)論

通過基本的閥芯受力方程，閥口流量方程，流量連續(xù)性方程推導(dǎo)出流過整個插裝式溢流閥的流量與壓力函數(shù)關(guān)系式。利用MATLAB軟件仿真壓力-流量特性曲線，從圖中得出該種結(jié)構(gòu)的閥啟閉性能好，調(diào)壓偏差小，閥的響應(yīng)較快。通過改變導(dǎo)閥和主閥不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)，確定了主閥芯承壓面積、出口溢流孔直徑和主閥彈簧剛度是影響溢流閥穩(wěn)態(tài)性能的重要因素。在主閥入口直徑取26.8 mm時，溢流孔直徑取3.5 mm時，和主閥彈簧剛度取26.15 N/mm時的調(diào)壓精度最高。

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