斜坡漸擴形節(jié)流槽對比例閥微動特性影響研究

李娜娜 劉亞斌 魏列江 冀 宏 譚振達 趙保才

(蘭州理工大學能源與動力工程學院, 蘭州 730050)

0 引言

節(jié)流槽滑閥又稱非全周開口滑閥,是液壓閥的基本結(jié)構(gòu)形式之一,它的閥口是在閥芯凸肩上均布若干不同形狀的節(jié)流槽,或者不同形狀節(jié)流槽的組合,用于獲得不同的流量控制特性。節(jié)流槽滑閥閥口水力半徑大、抗阻塞性能好、流量調(diào)節(jié)范圍寬、面積梯度容易控制、具有較好的流量微調(diào)性能[1-4]。通過合理設計組合節(jié)流槽可以獲得豐富的多級閥口面積曲線,能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的多級節(jié)流控制,滿足不同工況下液壓執(zhí)行機構(gòu)對運動速度的要求[5-8]。

工程機械中液壓系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性、舒適性等眾多特性很大程度取決于節(jié)流槽滑閥的性能,而節(jié)流槽滑閥的性能又很大程度上取決于節(jié)流槽形狀的設計,所以節(jié)流槽形狀的設計是滑閥閥芯設計中很重要的一環(huán)。節(jié)流槽的形狀決定了閥口過流面積,閥口過流面積又影響著閥的微動特性。隨著對中高端工程機械的響應速度和懸停位置微調(diào)靈敏度的需求提高,對閥的分辨率和控制精度的要求也進一步提升,而傳統(tǒng)的國產(chǎn)比例閥普遍存在工作裝置在小開口下低頻抖動,微小信號下響應速度、控制精度較低,即微動特性較差的問題。微動特性是液壓元件設計的一個關(guān)鍵因素,如挖掘機、起重機在工作過程中常常需要進行一些微動操作,而閥微動特性直接影響著這一操作的可靠性和準確性[9-13]?？梢詫⑽犹匦远x為控制主閥芯以微小增量緩慢移動到各工作位置時,閥的響應特性和流量特性,可以用線性度、小開口處的流量穩(wěn)定性、小開口處的響應時間、流量增益等性能指標來衡量。要使閥的微動特性有較好的表現(xiàn),閥在小開口處通過節(jié)流槽的流量增益就不宜太大,且工作過程中流量線性度要好,小開口時閥芯位移響應時間要短。因此可以通過改變節(jié)流槽的結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)對流量變化梯度及線性度的控制,進而提升比例閥在小開口處的微動特性。

文獻[14-15]在對液壓滑閥節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究中,對節(jié)流槽閥口的過流面積進行了分析和計算;對非全周開口滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力進行了研究。文獻[16]對節(jié)流槽滑閥閥口系數(shù)及穩(wěn)態(tài)液動力進行了研究,提出了利用節(jié)流槽閥口過流面積來衡量節(jié)流槽閥口流量控制特性的方法。ROGER[17]利用ANSYS對閥內(nèi)壓力場和速度場進行了仿真分析,得到了不同邊界條件下閥口流量特性與閥口過流面積的關(guān)系。由于傳統(tǒng)的U形節(jié)流槽在小開口處過流面積變化梯度和流量增益較大,導致比例閥存在著啟動不平穩(wěn)和流量控制精度較低的問題,為了使得閥芯移動時閥口過流面積近似于線性變化,以增強流量的平穩(wěn)過渡[18-22],本文提出一種節(jié)流槽形狀為斜坡漸擴形的新閥芯,通過理論計算、仿真分析、試驗驗證對U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽的流量特性、位移響應特性進行分析和研究。

1 閥口過流面積推導與計算

閥口過流面積是影響閥口流量特性的最主要因素,它的計算是閥芯設計的關(guān)鍵,是流量計算的前提和基礎[23-25]。U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口結(jié)構(gòu)如圖1a、1b所示,閥口壓差分布如圖1c、1d所示。

圖1 U形和斜坡漸擴形節(jié)流槽三維圖和閥口壓力分布圖Fig.1 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves 3D diagram and pressure distribution diagram

1.1 U形節(jié)流槽閥口過流面積推導與計算

U形節(jié)流槽又稱矩形節(jié)流槽,由半圓段和矩形段組成。運用Fluent仿真軟件對U形節(jié)流槽進行流場仿真,由U形閥口在某一開度下閥腔內(nèi)部的壓力分布圖(圖1c)可以看到U形節(jié)流槽閥口壓差主要集中在節(jié)流面A1、A2上,且具有二級節(jié)流的特征,其節(jié)流槽過流面積計算簡圖如圖2所示。

圖2 U形節(jié)流槽過流面積計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of discharge area of U-shaped throttle

因為U形節(jié)流槽具有二級節(jié)流的典型特征,所以U形節(jié)流槽的閥口面積SU按節(jié)流面A1和A2的面積串聯(lián)等效計算,其等效方程為

(1)

閥口開度0

(2)

(3)

閥口開度xn

(4)

(5)

式中x——閥口開度R——閥芯半徑

β——開口槽圓心角

W——節(jié)流槽口寬度

H——節(jié)流槽上平面到閥芯中心軸距離

D——節(jié)流槽特征深度

L——節(jié)流槽長度

SU、S1、S2——節(jié)流槽閥口面、節(jié)流面A1、節(jié)流面A2的面積

1.2 斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口過流面積推導與計算

圖3為閥口坡度為β1時的斜坡漸擴形過流面積計算簡圖,運用Fluent對斜坡漸擴形節(jié)流槽進行流場仿真,得到如圖1d所示在某一開度下閥腔內(nèi)部的壓差分布圖,由圖可知斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口壓差主要集中在節(jié)流面A3的投影面A4上,其具有單級節(jié)流的特征。閥芯通過左右移動改變閥口開度x來獲取相應的過流面積,進而控制通過節(jié)流口的流量。斜坡漸擴形節(jié)流槽的典型特征是隨著閥口開度的增加,閥口過流面積也在持續(xù)增加,過流面積變化梯度較為平穩(wěn)。

圖3 斜坡漸擴形節(jié)流槽過流面積計算簡圖Fig.3 Calculation diagram of discharge area of slope-diverge-shape throttle

斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口過流面積的計算可用最小截面來確定。由于閥芯節(jié)流口上節(jié)流邊所在的面為圓弧面,圍成曲面的相貫線為空間三維曲線,因此難以獲得此處過流面積的精確解析解,所以本文在推導斜坡漸擴形節(jié)流槽過流面積時對閥口結(jié)構(gòu)進行了簡化,采用以直代曲的方法將閥口上節(jié)流邊的圓弧簡化為直線。因為斜坡漸擴形節(jié)流槽進出口壓差集中分布在斜面A4上,所以閥口面積可按閥口開度處的截面A4在斜面A3上的投影面積計算,其過流面積計算公式為

S4=S3cosβ1

(6)

0

(7)

hx=xtanβ1+h1

(8)

Wx=2rsinα1

(9)

S3=Wxhx

(10)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(11)

(12)

L1

hx=xtanβ1+h1

(13)

(14)

(15)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(16)

(17)

L2

hx=xtanβ1+h1

(18)

(19)

(20)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(21)

(22)

式中r——閥口半徑

α1——節(jié)流槽漸擴度

h1——節(jié)流槽初始深度

hx——閥口開度為x時的節(jié)流槽深度

γ1——二級節(jié)流槽漸擴角

γ2——三級節(jié)流槽漸擴角

L1、L2、L3——三級節(jié)流槽長度

W1、W2、W3——三級節(jié)流槽寬度

Wx——閥口開度為x時的節(jié)流槽寬度

S3、S4——節(jié)流面A3、節(jié)流面A4的面積

通過上面的計算結(jié)果,可以得到U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口面積隨閥口開度變化的曲線圖如圖4所示。由圖可知,在小開口處,斜坡漸擴形節(jié)流槽具有較小的面積變化梯度,即流量增益較小,因此執(zhí)行機構(gòu)起動過程較平穩(wěn)、調(diào)速性能好、沖擊力較小。整體來看,斜坡漸擴形節(jié)流槽的過流面積變化曲線的線性度較好,具有較好的響應速度和流量控制精度。

圖4 不同節(jié)流槽形狀下閥口面積-閥口開度曲線Fig.4 Valve port area-opening curves under different throttle groove shapes

2 流動特性仿真分析

為了驗證過流面積理論計算的合理性,以及不同節(jié)流槽形狀的閥芯對主閥在小開口處的啟動平穩(wěn)性、響應特性和流量特性的影響情況,運用計算流體力學的方法通過Fluent軟件對不同閥口開度進行流場仿真。首先利用SolidWorks軟件建立U形和斜坡漸擴形節(jié)流槽閥芯的三維模型如圖1a、1b所示。然后通過DM進行主閥閥口處流道的抽取,再利用ICEM進行網(wǎng)格劃分,由于主閥閥口處分布有節(jié)流槽,閥口處的結(jié)構(gòu)以及油液的流態(tài)復雜,壓力、速度變化梯度較大,因此在閥口處采用局部網(wǎng)格加密,其它區(qū)域采用粗網(wǎng)格的方法。邊界條件采用固定壓差,入口壓力設置為20 MPa,出口壓力設置為18 MPa,固定壓差為2 MPa;油液密度844 kg/m3,運動粘度0.025 49 m2/s,仿真模型選擇k-ε。對兩種閥芯在閥口開度分別為1、2 mm時進行仿真,得到壓力云圖如圖5所示;速度云圖如圖6所示;速度流線圖如圖7所示。

圖5 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽在不同閥口開度下的壓力云圖Fig.5 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves pressure cloud diagram under different port openings

圖6 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽在不同閥口開度下的速度云圖Fig.6 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves velocity cloud diagram under different port openings

圖7 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽在不同閥口開度下的速度流線圖Fig.7 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves speed streamline diagram under different port openings

滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力可以理解為閥芯臺階面壓力狀態(tài)的改變,使得閥芯產(chǎn)生了一個軸向附加力。由于閥芯節(jié)流槽是對稱分布的,所以閥芯徑向力相互抵消,只有軸向力存在,而閥芯臺階面上的軸向壓力差值即為穩(wěn)態(tài)液動力[26]。穩(wěn)態(tài)液動力是影響比例閥控制特性的關(guān)鍵因素之一,本文針對U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽進行了流場仿真,在滿足主閥最大流量特性要求的同時,比較兩種節(jié)流槽結(jié)構(gòu)哪個具有更小的穩(wěn)態(tài)液動力。由圖5可知,U形節(jié)流槽在流動過程中在第1次節(jié)流和第2次節(jié)流處存在壓力損耗,而斜坡漸擴形節(jié)流槽只有一次節(jié)流,所以節(jié)流口處的壓力損耗相比U形節(jié)流槽更小。由圖6可知,閥口開度較小時,流體的最大速度處于節(jié)流槽斜坡與閥體拐點的垂線上,由此證明了節(jié)流面積理論計算部分選取的節(jié)流位置是合理的。U形節(jié)流槽入口處的流速大于斜坡漸擴形入口處的流速,根據(jù)穩(wěn)態(tài)液動力的簡化計算公式

Fs=ρqvv1cosα1

(23)

式中ρ——油液密度qv——體積流量

v1——流速α1——射流角

可知,流速越大,產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動力也更大。所以,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽具有較小的穩(wěn)態(tài)液動力,因而也具有更好的位移響應特性。

由圖7可知,當油液沖擊閥芯壁面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時,會在閥腔內(nèi)形成漩渦,隨著閥口開度逐漸增大,漩渦越來越明顯,而漩渦的內(nèi)摩擦、漩渦與射流的混合是液壓系統(tǒng)能量損耗的重要原因。U形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)在開口為1 mm時,射流沿著閥腔壁流入,在閥口附近形成多個漩渦,使得閥口附近的流動狀態(tài)變差,也造成了較大的流動損耗。而在采用斜坡漸擴形節(jié)流槽后,閥腔內(nèi)漩渦渦核的位置發(fā)生了明顯的變化,漩渦的數(shù)量也明顯減少,漩渦產(chǎn)生的位置離閥口較遠,影響的范圍也減小,預期會有更好的閥口流動狀態(tài)以及更小的流動損耗。在閥口開度為2 mm時,U形節(jié)流槽閥腔內(nèi)部流場拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)上的變化,在閥腔內(nèi)部形成了兩個非對稱漩渦,主要是由閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對稱引起的,而在采用了斜坡漸擴形節(jié)流槽之后,渦核的位置產(chǎn)生了變化,漩渦的影響范圍和程度也有明顯的減弱。由于這種流場特性的不同,導致了U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽在閥口處的流量特性具有明顯的差異,結(jié)合兩種節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的壓力云圖、速度云圖以及速度流線圖可知,斜坡漸擴形節(jié)流槽在主閥小開口處具有更小的流動損耗和更平穩(wěn)的啟動特性。

3 閥口處流量與位移響應特性仿真分析

3.1 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽通過閥芯的流量隨閥口開度的變化特性

將通過計算所得到的閥口過流面積曲線導入到如圖8所示的AMESim仿真模型里,得到流量-閥口開度曲線如圖9所示。通過對比過流面積的仿真和計算結(jié)果可知,兩者能夠較好地吻合,證明了仿真模型的正確性和可行性[27]。

圖8 U形和斜坡漸擴形節(jié)流槽AMESim模型Fig.8 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves AMESim model

圖9 不同節(jié)流槽形狀下流量-閥口開度曲線Fig.9 Flow-opening curves under different throttle groove shapes

由圖9可知,在不影響主閥最大流量的前提下,U形節(jié)流槽閥口開度小于頂部圓弧半徑時,閥口面積梯度較大,流量增益較大;閥口開度大于頂部圓弧半徑時,閥口面積梯度較小,流量增益較小,因此當主閥在小開口時,會產(chǎn)生微調(diào)性能較差、啟動不平穩(wěn)的問題。而斜坡漸擴形節(jié)流槽在開度較小時,閥口面積梯度較為平緩,流量增益較小;開度較大時,閥口面積梯度較大,流量增益也較大,所以當主閥在小開口時,流量變化緩慢平穩(wěn),流量控制精度較好,增加了執(zhí)行機構(gòu)的啟動平穩(wěn)性,提高了比例閥的微動特性。此外相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽的調(diào)速性能更好,能較好地滿足有慢動作要求的工況,且在小流量工況下具有較好的緩沖效果,能夠防止執(zhí)行機構(gòu)突然動作。

3.2 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽的閥芯位移響應特性和流量控制特性

由流場仿真結(jié)果可知,主閥在小開口時,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽閥口處的穩(wěn)態(tài)液動力較小,流動狀態(tài)較好,具有較小的流動損耗。對于大流量比例閥,閥芯的位移響應速度和控制性能主要由穩(wěn)態(tài)液動力決定,穩(wěn)態(tài)液動力過大會降低閥芯的響應時間,會對閥芯控制的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。由此可知斜坡漸擴形節(jié)流槽應該在閥口開度較小時具有更好的響應和控制性能。

由圖10可知,當給定主閥位移信號為1 mm時,U形節(jié)流槽在0.27 s時達到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴形節(jié)流槽在0.23 s時就可以達到穩(wěn)定狀態(tài),比U形節(jié)流槽快了0.04 s。由圖11可知,當給定主閥位移信號為2 mm時,U形節(jié)流槽在0.33 s時達到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴形節(jié)流槽在0.26 s時就達到穩(wěn)定狀態(tài),比U形節(jié)流槽快了0.07 s。因此,在閥芯小開口時,斜坡漸擴形節(jié)流槽具有更好的位移響應特性。

圖10 閥芯位移為1 mm時位移響應曲線Fig.10 Displacement response curves when spool displacement was 1 mm

圖11 閥芯位移為2 mm時位移響應曲線Fig.11 Displacement response curves when spool displacement was 2 mm

4 試驗

圖12、13為不同節(jié)流槽形狀下比例閥微動特性測試試驗裝置原理圖和試驗臺,圖14為斜坡漸擴形閥芯的實物圖。比例閥節(jié)流口進出壓力分別由變量泵和比例減壓閥調(diào)定,系統(tǒng)最高壓力由溢流閥設定為30 MPa。軟管和進油口過濾器、回油口過濾器能夠有效地降低油液受污染的風險,以及減小油液脈動與沖擊對節(jié)流口處流動特性的影響。采用透明度高的亞克力板做成主閥的右控制腔殼體,然后再安裝位移傳感器,通過透明殼體可以直接觀察到主閥芯的位移變化情況。測控系統(tǒng)利用CompactRIO虛擬儀器測控平臺,對主閥芯進出口壓力以及主閥芯的位移變化情況進行高精度實時控制和檢測。采集系統(tǒng)利用NI9401板卡進行數(shù)據(jù)采集。

圖12 比例閥微動特性測試試驗原理圖Fig.12 Schematic of experimental scheme for testing micro-motion characteristics of proportional valves1.油箱 2.過濾器 3.變量泵 4.溢流閥 5.壓力傳感器 6.溫度計 7.截止閥 8.蓄能器 9.流量計 10.被試閥 11.位移傳感器 12.油缸

圖13 比例閥微動特性測試試驗臺Fig.13 Proportional valve micro-motion characteristics test bench1.泵站 2.被試閥 3.上位機 4.電源 5.壓力傳感器 6.油缸

圖14 斜坡漸擴形閥芯實物圖Fig.14 Physical diagram of slope-diverge-shaped throttle spool

針對比例閥微動特性的測試,分別采用U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽兩種不同節(jié)流槽形狀的閥芯進行試驗研究。采用PWM信號作為控制信號,向閥芯發(fā)送位移信號,觀察不同節(jié)流槽形狀下主閥芯的位移響應情況,以及不同閥口開度下,通過主閥芯的流量變化曲線。分別得到U形節(jié)流槽和斜坡漸擴形節(jié)流槽的位移和流量特性曲線如圖15、16所示。

圖15 不同節(jié)流槽形狀下閥芯位移曲線Fig.15 Spool displacement curves under different throttle groove shapes

因為高速開關(guān)閥先導橋路輸出的流量是離散化的,所以主閥芯的位移響應具有周期性的振蕩。從圖15可以看出,U形節(jié)流槽閥芯在0.41 s達到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴形節(jié)流槽閥芯在0.33 s達到穩(wěn)定狀態(tài)。相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽的位移響應時間縮短0.08 s。從圖16可以看出,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,證明了仿真模型的正確性和合理性,且在小開口階段,斜坡漸擴形節(jié)流槽流量變化緩慢平穩(wěn),提高了執(zhí)行機構(gòu)的啟動平穩(wěn)性,且流量特性曲線線性度更好,即流量的控制精度更高,因此斜坡漸擴形節(jié)流槽具有較好的微動特性。

圖16 不同節(jié)流槽形狀下閥芯流量曲線Fig.16 Spool flow curves under different throttle groove shapes

5 結(jié)論

(1)相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽閥芯在小開口處具有更小的穩(wěn)態(tài)液動力,且閥口的流動狀態(tài)更加穩(wěn)定,因此斜坡漸擴形節(jié)流槽具有更小的流動損耗和更好的啟閉特性。

(2)由仿真結(jié)果可知,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽在閥口開度為1 mm時,閥芯位移響應時間縮短0.04 s;在閥口開度為2 mm時,閥芯的位移響應時間縮短0.07 s。由試驗結(jié)果可知,斜坡漸擴形節(jié)流槽達到穩(wěn)定的時間相較于U形節(jié)流槽縮短0.08 s。因此斜坡漸擴形節(jié)流槽具有更好的位移響應特性。

(3)相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴形節(jié)流槽在閥芯小開口處,其過流面積變化梯度相對平緩,流量增益較小,且在閥芯的整個動作過程中,線性度更高,不存在過早的流量飽和。因此斜坡漸擴形節(jié)流槽具有更好的流量控制特性。