水下液压冲击器配油阀的分析.pdf

2 0 1 0年 4月 第 3 8卷 第 8期 机床与液压 MACHI NE TOOL ＆ HYDRAULI CS Ap r ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 8 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 8 ． 0 1 9 水下液压冲击器配油阀的分析 陈振 佳木斯大学机械 学院，黑龙江佳木斯 1 5 4 0 0 7 摘要配油阀是水下液压冲击器功能实现的关键部件。通过对锥阀芯的流量进行具体分析，确定锥阀芯的锥角角度。 利用 “ 水锤效应”的分析方法，对配油阀的设计参数进行验证。根据锥阀芯和配油阀阀芯的力平衡方程，对此配油阀进行 仿真分析，从液压冲击、阀口流量和力分析等方面校验了配油阀的设计合理性。 关键词冲击器； 配油阀；阀芯； 流量 中图分类号T H1 3 7 ． 3 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 80 5 1 4 St ud y o n Di s t r i b ut i ng Va l v e o f Un d e r wa t e r Hy dr a u l i c I m p u l s i o n Sh o v e l CHEN Z he n C o l l e g e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，J i a m u s i U n i v e r s i t y ，J i a mu s i He i l o n g j i a n g 1 5 4 0 0 7 ，C h i n a Ab s t r ac t Di s t rib ut i n g v a l v e i s a ke y c o mpo n e n t whi c h de t e r mi ne s f un c t i o n i mp l e me n t a t i o n o f un d e r wa t e r h y d r a u l i c i mp ul s i o n s h o v e 1 ． S u b u l i f o r m a n g l e o f s u b u l i f o r m v a l v e c o r e wa s d e t e rm i n e d t h r o u g h a n a l y s i s o f fl u x o f s u b u l i f o r m v alv e c o r e ． D e s i g n p a me t e m o f t h e v a l v e w e r e v ali d a t e d u s i n g a n a l y s i s me t h o d o f wa t e r h a mme r ． F o r c e b a l a n c e e q u a t i o n s o f s u b u l i f o rm v a l v e c o r e a n d d i s t ri b u t i n g v a l v e c o r e w e r e s e t u p ． Ac c o r d i n g t o t h e s e e q u a t i o n s ，mo t i o n o f d i s t ri b u t i n g v alv e wa s s i mu l a t e d t o v a l i d a t e t h e d e s i g n ． Ke y wor ds I mp ul s i o n s h o v e l ； Di s t r i b u t i ng v alv e； Valv e c o r e；Fl u x 水下液压冲击器是一种清除水下管道钢筋混凝土 配重层的机具 。由于 目前没有相关产 品 ，因此必须根 据现有的技术 ，结合工作要求进行此机具的研制 。进 行机具设计 时 ，需要通过理论分析来确定相应的设计 参数 ，而初步设计完成后 ，设计的正确性和合理性也 需要通过理论分析来证 明。作者将从几个方面 ，对水 下液压 冲击器配油阀的设计进行校验和修正 ，对 此类 设计 的理论分析方法进行一些探讨 。 1 水下液压冲击器的工作原理 图 1为水下液压 冲击器 的原理简 图。配油阀 4的 B口与 D口总是相通 ，阀芯 7的往复运动 只是调 节 A 口与 C口、D 口的连通情况 。如 图 1 示的状态 ，从 油 泵出来 的高压 油 ，由 D 口进人 配油 阀 ，又通 过 阀芯 的通孔 6进入阀芯的左腔，高压油产生向右的推力克 服 阀芯右侧的弹簧推动阀芯 向右运动到极 限位置。这 时，B口与 D口相连 ，A 口与 c口相连 ，Ⅲ腔通人高 压油 ， Ⅱ腔与油箱相通 。活塞杆 向左运动 ，此液压 冲 击器处于 回程状态 。在活塞杆 向左运动过程 中，氮气 室体积减小 ，压力 升 高 ，对 活 塞 杆 的阻 力增 加 。因 此，向左运动过程中Ⅲ腔的压力会增加，当增达到一 定值时 ，锥阀芯打开，阀芯左腔泄油，阀芯 向左运 动。这时 ，A I I 和 B 1 1 同时与 D E l 相通 ，由于 Ⅱ腔 对活塞杆的作用面积大 于 Ⅲ腔对 活塞杆 的作用 面积 ， 所 以在 Ⅱ腔的推 力和氮 气室压力 的同时作用下 ，活塞 杆 向右迅速运动 ，此液压 冲击器处于 冲程状态 。在液 压 冲击器 的冲程 状态 中 ，系统压 力减小 ，锥 阀关 闭 ， 阀芯 向右运动 ，B口与 D 口相连 ，A 口与 c口相 连 ， 活塞杆 的冲程状态结束 ，回程状态开始。 图 1 自反馈式液压冲击铲的原理简图 配油阀的锥阀芯分析 2 ． 1 锥 阀芯 的流量 分析 通过水下液压冲击器的工作原理的分析可知 ，配 油阀是此冲击器功能实现的重要部件，因此对其进行 分析十分重要。图 2为此液压冲击器配油阀的结构 图。锥阀芯不动作时，配油阀的阀芯在高压油的压力 作用下 向左运动到左边的极限位置 ，变压腔 回油 ；当 系统压力升高到调定值时 ，锥阀芯动作 ，配油 阀阀芯 收稿 日期 2 0 0 9 0 4一 O 1 基金项目 佳木斯大学科研课题资助项 目 1 2 0 0 9 ． 1 1 3 作者简介 陈振 1 9 7 2 一 ，男 ，工程硕士 ，讲师。电话 1 3 5 5 5 5 8 0 3 1 2，Em a i l l i u h e p i n g l y a h o o ． c o m ． c n 。 5 2 机床与液压 第 3 8卷 右端的腔体泻油，阀芯在弹簧的作用下向右运动到右 极限位置。 图2 自反馈液压冲击器的配油阀的结构图 锥 阀芯在弹簧 的弹力 下与对 应 的孔 紧密接触 时 ， 要求有一定 的密封作用 ，而锥 阀芯受 到液压力作用而 开启时 ，需要 阀口有一定的流量以保证配油 阀阀芯腔 体内迅速泻油。 ’ 密封性可以用加工精度来保证，而泻 油能力就需要通过锥阀芯锥 角来改变 。锥阀芯位移相 同时 ，不 同的锥角导致 液压油 的流量也不 同，下面就 具体分析一下 。 如果锥 阀芯打开 ，那么液 压油进入配油 阀后 ，会 流入活塞的腔体和通过阀芯流人回油路。如果假设两 个管路的压差相同 ，则 QQ l Q 2 A l l A 2 2 式 中 Q为 总供油 量 ；Q ， 、Q 分 别为 流入 活塞 和 阀 芯 的流量 ；A 。 、A 分别 为 阀芯对 活塞 的开 口面 积和 阀芯 内部控制孔 的截 面积 ； 、 分别为 流人活塞 的 液压油的流速和进入 阀芯内部 的液压油的流速。 由于 Q 。 ／ Q A ／ A 和 。 ，因此 流入 活 塞和 流入 阀芯 内部的流量 与油路开 口的截面积有关。通过 配油阀的具体尺 寸可得 Q 即当锥阀芯打开 ，流过锥 阀芯所在支路的最大流量为 油源总供 油量 的 1 ／ 3 1 。 2 ． 2 锥 阀芯锥 角的确 定 锥阀的实 际流量与锥 阀的结构参数是 有关 的，如 果结构参 数选择不 当，那么配油阀腔体内的液压油和 不断流人 的液压 油就不能在允许的时问内泄掉。 锥 阀的流量表达式为 Q n ㈡ 3 5 5 4 [ d ． ／I 似 0 ．13 0 ．oos 等 鲁 式 中 Q为锥 阀节 流 1 1 的 流量 ；P为油 液 的密度 ；d 为锥 阀口的直径 ；O ／ 为 1 ／ 2锥角 ； 为锥 阀芯移动 的 位移 ；R e 为雷诺数； 为径向流动起始端的附加压力 损 失 系 数， 当 告 1 0 1 5 0 时， 0 ． 1 3 0 ． 0 0 8 ； n ’y t ， 为平均流速，6为阀口间隙， 为运动黏度。 相应的导数为 Q’ 一 n d 2 咖一似 n 鲁 0 ． 13 0 ．0 0 8 等 5 3 4 5[ d , ／ I 2--a p c 。 s 图 3为锥 阀角度与流量 的关系曲线。可知 ，此锥 阀 芯 的锥 角 为 1 2 0 。 时 流 量 最 小 ，为了能够 尽快地 卸掉与 锥阀芯 连接 的腔 体 中压力 ， 锥角选 择越 小越好。但锥角 越小 ，相 同底 面直 径下 ，锥 体越 高 ，这会导致与 其连接 的腔体 的长度增 大 ，使局部 结构增 大 ，这是 不允 许 的。 求 ，可得这样 的限制条件 c 。 t ≤ f 1 1 1 1 0 0 0 2O 6 0 l 00 l4 0 a t 。 图 3 锥阀角度与流 量的关系曲线 根 据 此 冲击器 的具 体要 式中 ，d为锥阀芯所对 应 的孔直径 ；Z 为锥 阀芯所连 接的腔体 的长度 。因此 ，根据此式 ，选择锥角 3 0 。 。 当锥 阀芯打开 ，阀芯的油腔开始卸油时 ，阀芯 内 部 的流量 为 0 ． 0 2 L ／ s 。 当锥 阀芯 的位 移 为时 1 m m， 通过锥 阀芯泄油的流量为 一 Q c 3 ,rr d 3 s in a x 2 ／ I p 0 一 △ p 1 一 A P 2 0 ． 8 L ／ s V P 因此 ，当阀芯的位移为 1 m m时 ，其流量 比油源 的供油量要大，因此只要此阀芯能够精确响应压力信 号 ，准确地开合 ，至于其阀 口的开 口大小 ，便不用考 虑 。 2 ． 3 锥阀芯力平衡方程的建立 锥 阀芯的力平衡方程 2 o C 3 - r r d 2 s i n 2 P 0 一 △ p l 一 △ p 2 B d x m d 2 x 孚 一 卸 一 △ p 式 中 ， 为与锥 阀芯相连的弹簧 的刚度 ； 为锥 阀芯 的位移 ； 为锥 阀芯 的预压缩 量 ；m 为锥 阀芯 的质 量 。 3 配流 阀阀芯的分析 3 ． 1 配 流阀 阀芯的理论 分析 当液体流动速度发生骤然变化时，在液体中将会 产生以声速传播的冲击波。这种冲击波会使管道中的 局部压力速度增大并引起振动，甚至会使某些零件损 坏。这种效应一般称为 “ 水锤效应 ” 。 由于水下液压 冲击铲中配油阀阀芯与冲击活塞杆都往复运动，油液 流动也会频繁地发生流向及速度的改变，因此会有 “ 水锤效应”发生。根据水锤现象的具体分析 ，如果 2 8 6 4 2 l 8 6 4 第 8期 陈振水下液压冲击器配油阀的分析 5 3 想减少冲击波的损害，必须满足 t k t p 式中 t 为 控制 阀 的关 闭 开启 时 间；t 为 冲击 波在管道 中从 控制 阀发 出到返 回控 制 阀所 需要 的时 间 ， ，其 中 为从控制 阀到冲击 波反射处 的距 离 ， 为冲击波在液体中的传播速度 ／ s 1 式 中E 为工作液体 的体变形 弹性模 量 ；E 为管路 材料的弹性模 量 ；d为管路 内径 。 图 4阀口处液流不意 图 图 4为阀 口处 液流示 意图 ，通过 阀 V I 的油液 的压 力变化值为 △ pv b p A v 式 中 为液体流速的变化量 ， P为液压油的密度。 通过速度与时间的关 系可求出 t k AV m 式中 A v 为允 许 的速 度最 大值 。根 据此 液 压 冲击 铲 的实际情况分析得 A v m vt ． o l 因此 t t ，从而证 明了此液压 冲击铲将 不会受 到此类液压冲击的影响。 3 ． 2 配油阀阀芯力平衡方程的建立 阀芯的力平衡 方程 为 △ p 1 X , o x 1 d x l 式 中 k 为弹簧 2的刚度 ； 。 。 为弹簧 2的预压缩 量 ； 为阀芯的行程 ；m 为 阀芯质量 ；B 。 为 阀芯 的黏 性 阻尼系数。 流进配油阀腔体的流量连续性方程为 Q Q 。 孚 軎 式中V o 为腔体的初始容积； 为流体体积弹性模 量； P为配油阀的阀芯与锥阀之间腔体的压力。 在控制阀中，液流的流速和方向都会发生变化， 这样就会在控制阀的轴向产生附加作用力，使控制阀 工作不稳定。当液流流动方向和控制阀轴线之间存在 夹角 时 ，此轴 向力为 P 0 p A v Qc o s a 1 式中P为液体的密度， 为液流速度变化量 ，Q为 液体的流量 。对于圆柱形直 口阀缘 ， 6 9 。 。由伯努 利定律可知 A v 2 式 2 代 入式 1 可得 P 0 J2 p a p Q c o 根据流体力学 ，当液流不稳定、流量发生变化 时 ，还会产生附加的惯性力 ，这时 P 。 变成 P o p v Qc o s 0 p L d Q 式中 为在控制 阀内液流流束的长度；d Q ／ d t 为流 量的变化率。对阀来说 ，当 L0时，p L d Q I d t 0 ， P 值将 增大 ，这 样会 使 控制 阀发 生 振动 。因此 阀芯 运动时 ，要把此轴 向力考虑进去 。 4配油阀仿真 系统压力随着活塞杆的运动而周期变化 ，频率在 2 5 H z 以上 ，只有 配油 阀的 阀芯与锥 阀芯能够及 时地 响应此变化 ，才能完成 活塞 杆快速 往复运 动 的功能 。 因此 ，通过上面 的配油 阀的阀芯与锥 阀芯 的流量和压 力 的分析 ，利 用 M a t l a b对 阀芯与 锥 阀芯 的运 动进 行 仿真 。 根据对配油阀的运动分析可知 ，配油阀的阀芯运 动将 受到阀芯质量 m，与 阀芯相连 的弹簧 的刚度 系数 k和腔体 的截面积 A影 响。由于阀芯的形状 和质量 的 限制 ，阀芯的 质量 m 和截 面 积 A基 本上 是 确定 的 ， 因此要通过选择合理的弹簧刚度系数 k 来达到理想的 阀芯运 动。由此 冲击铲 的工作原 理可知 ，当阀芯的位 移小于2 m m时 ，常高压腔与变压腔接通，同时通入 高压油 ，当阀芯的位移大于 2 m m时，变压腔与油箱 相通。结合冲击铲的工作原理，在冲击铲工作过程 中，液压信号 近似 为最 小压 力 1 ． 8 1 MP a 、最 大压 力 3 M P a ，信号上升 时 间为 0 ． 0 3 s 、下 降 时间 为 0 ． 0 1 s 的三 角波信 号 ，当调定 压力为 2 ． 5 M P a ，控 制锥 阀芯 的弹簧 刚度 为 3 ． 6 N ／ m m时 ，阀芯 的位移 响应 曲线如 图 5所示 。可 以看 出，配油阀的 阀芯对输入信号响应 很好 ，只是由于系统响应速度较慢 ，使得配油阀的位 移不能达到零。 增加腔体的截面积 A和减小阀芯质量 m都可以 增加系统的固有频率 ，这样就会增加系统响应速度。 由于阀芯采用钢质材料，而且结构尺寸已经很小，减 小其质量很困难，所 以只有增加腔体的截面积 A的 值。当截面积增加到原来的2倍时 ，配油阀阀芯的运 5 4 机床与液压 第 3 8卷 动曲线 如 图 6所 示 ，虽 然 位 移 的最 大值 没 有 达 到 4 m m，但开度和启闭时间都满足要求 ，能够保证此 冲击铲正常工作。响应速度增加，但曲线顶端不是平 直的 ，出现 了弧度 ，这是因为增加腔体截面积 ，提高 了系统 的固有频率 ，同时也 降低 了系统 的增益 。增加 弹簧 的刚度 ，也可以提 高系统 的固有频率 ，提高系统 的响应速度 。由图可知 ，系统可 以在时间上精确地响 应输入信号，但阀芯的行程很小，能否满足配油阀阀 芯泄油的要求 ，还需要进一步分析 。 图 5阀芯的位移 图 6 锥 阀芯 的位 响应曲线 移响应曲线 下面对圆柱缝隙进行分析，流过圆柱缝隙的流量 公式为 Q_- 邸 式 中Q为流过 缝 隙的流量 ；d为 圆环缝 隙 的直径 ； 6 为缝隙的宽度 ；卸 为缝隙两端的压差 。 当缝隙的宽度为 0 ． 5 m m时 ，允许流过 的最大流 量为 1 3 ． 7 L ／ s ，这远比油源提供的流量大得多 ，因此 此设计满足要求 。 5结论 设 计需要 以理论分析为基础 ，而设计 的合理性也 需要理论分析进行一定 的验证 。作者利用 多方 面的知 识 ，从 多角度对此冲击器的配油阀的设计进行 了分析 校验 。首先利 用 管路 两端 的压 差分 析 了锥 阀芯 的流 量 ，再根据流量 确定 了锥 阀芯 的锥 角。利 用 “ 水 锤 效应”的分析方法，验证了配油阀的设计合理性。 建立 了锥 阀芯和配油 阀阀芯的力平衡方程 ，结合配油 阀具体 的设计值 ，对锥阀芯和配油 阀阀芯 的运动进行 了仿真分析，从而修正了配油阀腔体的截面积，从理 论上对水下液压冲击器的配油阀进行了校验和修正。 参考文献 【 1 】刘贺平， 孟庆鑫 ， 张岚， 等． 几种绕管道作周向行走机具 的方案研究[ J ] ． 机械设计 ， 2 0 0 4 1 1 5 3 5 4 ． 【 2 】孟庆鑫， 刘贺平， 张岚， 等． 自反馈式水下液压冲击器冲 击频率的确定[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报， 2 0 0 5 2 1 7 9 一 l 8 3． 【 3 】 刘贺平， 罗阿妮． 水下液压冲击铲关键技术分析[ J ] ． 哈 尔滨工程大学学报， 2 0 0 6 6 8 7 88 8 1 ． 【 4 】 杨务滋， 高双锋， 邱海灵． 一种新型氮气式液压冲击器的 实验研究[ J ] ． 凿岩机械气动工具， 2 0 0 6 2 2 7 3 1 ． 【 5 】杨国平． 新型先导式液压冲击器系统的计算机仿真研究 [ J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 6 2 2 3 32 3 7 ． 【 6 】 L I U H e p i n g ，L U O A n i ， M E N G Q i n g x i n ． V i r t u a l p r o t o t y p e s i mu l a t i o n o n u n d e r w a t e r h y d r a u l i c i mp i n g e me n t s h o v e l [ J ] ． J o u r n a l o f Ma r i n e S c i e n c e a n d A p p l i c a t i o n ．2 0 0 7 1 5 8 6 2 ． 上接 第5 0页 与静压轴承相似 ，应用上式计算导轨刚度相当复 杂 ，故采用设计状态下的刚度进行计算 。设计状态下 的扭转 刚度为 ．．D 1 S 。 6 ∑f f Pp s x d d z 。 i ． O 将各参数数值代入上式求得 S 。 6 6 3 N m m ／ s ， 符合刚度大于 5 0 0 N m m ／ s 的设计要求 。 2 ． 3油路 的设 计 内花键导轨的油路设计 比较复杂 ，由于它与蜗轮 一 同转动 ，因此毛细管节流器必须与 内导轨固定在一 起 ，否则就会 阻碍导轨运动 。如图 4所示 ，压力油先 进入孔 1 ，然后通过 毛细管节 流器流入孔 2 ，最 后沿 油路流人油腔 6 。在设计 时 ，孔 3 、孔 4和孔 5的采 用是为了加工 与制 造 的方便 。为防止 压力油 的外泄 ， 平时 3者 的端部都被油堵 堵住 ，并且孔 3还可 以接人 压力表 ，这为油路 中润滑油压力的测量 提供 了方便 。 螺 栓孔 图 4 内花键 导轨 油路结构 图 3结束语 1 应用静压理论设计出的插齿机主运动导轨 结构，在承载能力上满足工况要求。 2 插齿机主运动导轨结构，符合结构尺度要求 。 参考文献 【 1 】S h a r m a S C ， K u m a r V， J a i n S C ， e t a1 ． A s t u d y o f s o l t e n t r y h y d r o s t a t i c ／ h y b ri d j o u rna l b e a r i n g u s i n g t h e f i n i t e e l e m e n t m e t h o d [ J ] ． T r i b o l o g y I n t e rna t i o n a l ， 1 9 9 9 ， 3 2 4 1 8 5 1 96． 【 2 】王东锋． 液体静压导轨及其设计研究[ J ] ． 润滑与密封 ， 2 0 0 4 4 1 1 71 1 8， 1 2 7 ．