一种高压大流量气动电磁阀的可靠性分析.pdf

Hy dr a ul i c s Pne uma t i c s Se a l s ／No ． 2 ． 201 0 一 种高压大流量气动 电磁 阀的可靠性分析 王鹏 李运 华 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院 ， 北京 1 0 0 1 9 1 摘要本文针对一种高压大流量气动电磁阀在使用过程中产生的颤振以及总泄漏量超差的问题进行了分析，通过传统集中参数 法计算和 C F D方法计算的比较，指出了 C F D方法在使用时的特点和优越性。 关键 词 颤振 ；稳 态气动力 ；C F D；F L U E N T 中图分类 号 T H1 3 8 ． 5 文献标识码 i A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 2 0 0 1 5 0 4 An a l y s i s o f a n Hi g h P r e s s u r e H i g h F l o w Pne u ma t i c S o l e no i d Va l v e’ s R e l i a b i l i t y WANG Pe n g L I Yu nhu a S c h o o l o f A u t o ma t i o n S c i e n c e a n d E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g ，B e i h a n g U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 1 9 1 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t h i s p a p e r ，f o c u s e d o n a k i n d o f t h e p n e u ma t i c s o l e n o i d v a l v e wi t h h i g hp r e s s u r e a n d l a r g e fl o w r a t e ，t h e c h a t t e rin g a n d t h e t o t a l l e a k a g e o f t h e v a l v e i n t h e a p p l i c a t i o n s h a v e b e e n a n a l y z e d b y t h e t r a d i t i o n a l l u mp e d p a r a me t e r me t h o d a n d C F D me t h o d s ． We h a v e c o mp a r e d t wo me t h o d s a n d h a v e p o i n t e d o u t t h e c h a r a c t e ris t i c s a n d s u p e ri o r i t y ． Ke y W or d sflu t t e r ；S t e a d ys t a t e flo w f o r c e；CFD；F LUENT O 引言 高压大流量气压 电磁阀是运载火箭和导弹上燃料 输送系统中的重要调节和控制元件 ，目前这方面的文 献和研究极少 。本文所研究 的用于导 弹燃料输送部分 的高压大流量气压 电磁 阀 ，通／ 断气体 为绝对温度 为 2 0 K和压 力 为 2 1 MP a的 氦 气 ，其 工 作 温 度 为 2 0～ 7 0 K，环境温度为 2 3 3～3 1 3 K。在 如此恶 劣的条件 下 工作 ，对 阀的可靠性提 出了更高的要求 。 目前发现该 阀门在使用过程 中存在着阀芯颤振 以及 阀门开关前 后 泄漏量超差问题 ，这影响 了阀的性 能可靠性。本文 主 要针对这个问题进行初步分析 。 1 研究 对象描述 所研究高压电磁阀为先导式 电磁 阀，其结构如 图 1 所 示 。 其工作原理是 当 2 1 MP a的高压冷氦 2 0 K气 体 由电磁阀的入 口进入 阀门内腔 ，通过主阀与阀套 之 间的间隙进入主阀与先导阀 的背压腔 ，当阀门未通气 时，由于主阀和先导阀分别有 弹簧作用 ，它们处 于关 闭状态 。当高压冷氦气进 入主阀和先导 阀背腔后 ，使 阀门完全处于密封状 态。给甚低 温直流 电磁铁 通 电， 在 电磁吸力 的作用下 ，顶 杆顶开先导 阀，主阀背压腔 的冷氦气体通过先导阀及 阀体上 的孔道排人电磁 阀的 出口，此时作用 在主 阀上 的不平 衡力 使主 阀迅 速打 收稿 日期 2 0 0 9 0 9 2 5 作者简介 王鹏 ，男 ，研 究生 学历 ，主要研 究方 向为 流体 传动 与控 制 领域 。 图 1 电磁 阀结构 图 开 ，电磁阀人 口与 出口相通开始让气体通过 。当电磁 铁断电，主阀背压腔迅速建立起压力 ，抵消掉主阀上 的不平衡力 ，使 阀门关闭。原理图如图 2所示 。 间隙气阻 图 2 高压大 流量 气体 电磁 阀原理图 1 5 液 压 气 动 与 ．W- 封／ 2 01 0年 第 2期 目前在使用过程 中发现主要存在的问题是主阀颤 振和总泄漏量超差。 2 理论计算分析 2 ． 1 采用传统方法的计算分析 ’ 在传统阀门设计和分析时，对 阀芯运动 的计算是 研究的主要内容之一。在分析阀芯运动时 ，主要要考 虑阀芯的受力状况 。阀芯受力包括 阀芯质量的惯性 力 ，阀芯与阀套 间的摩擦力 ，阀芯所受的气动力 ，弹 性力 ，任意外负载力 、液压不平衡力等。 由于本阀的使用条件特殊 ，主阀阀芯所受 到的稳 态气动力对阀芯 的运动会造成很大的影响。所以主阀 阀芯受到的稳态气动力的计算是考虑的重点。 气流流经控制阀时，气流速度 的大小和方 向发生 改变 ，其动量变化对阀芯产生一个反作用力 ，这就是 作用在阀芯上的气动力 。气动力本质上是由于流体流 动造成阀芯壁面压力分布发生 了变化而产生的。根据 动量定理可以推导主阀阀芯所受到的稳态气动力。 图 3主 阀 闵 口流 动 不 意 图 图 3为主阀阀口流动示意 图。根据动量定理可以 得 到 p AF p Q v 2 c o s 0- p Ql 1 1 式中Q 断面 A处 的体积流量 ； Q 阀口流量 ，稳态气动力。 再联系阀口流量公式 Q 1 V A 2 和出口流速公式 √ ㈩ 式 中C 流量系数 ； 阀 口面积 梯度 ； 阀口开度 ； p 流体密度 ； l 、 2 修正系数。 1 6 由此可以得到稳态气动力 的计算公式 ， c d ． 删卅 4 利用上面的公式 ，代人参数 ，得到了在输入流体 压力 为 2 1 MP a时 ，A x在 0 ． 5 mm、1 ． 0 m m、1 ． 5 m m、 2 ． 0 m m下 的稳态气动力的数值 ，如表 1 所示。 表 1 经典分析计算稳态气动力值 从上面的计算结果可 以看到，稳态气动力与弹簧 的作用相类似 ，呈现近似线性 的特性，是一种 由液体 流动所引起的弹性力 。阀芯在关 闭过程 中所受到的力 是逐渐变化的 ，运动状态应该是 比较平稳的。 2 ． 2基于 C F D方法的计算分析 计 算 流 体 力 学C F D， C o m p u t a t i o n a l F l u i d D y n a m i c s 是一门用数值计算方法直接求解流动主控 方程 E u l e r 或 N a v i e r S t o k e s 方程 以发现各种流动 现象规律的学科 。在流体力学数值方法 中，应用比较 广泛的是有限差分法 、有限元法 、边界元法 、有限体 积法和有限分 析法等。随着 电子计算机技术 的发展 ， 各种计算流体力学的软件应运而生 ，对液压元件 内部 流道流体运动问题 的可视化研究成为可能，它们的使 用在一定程度上可 以代替实验 ，从而可 以提高研究 的 准确度。 F L U E N T软件是个工程运用 的 C F D软件 ，针对每 一 种流动的物理问题 的特点，采用适合于它的数值解 法在计算速度 、稳定性和精度方面达最佳。 应用 F L U E N T软件计算时，首先要对计算对象进 行三维参数建模 ，本文 中要分析阀 内阀芯受力情况 ， 首先就应该建立起阀 内流体流动的三维模型 ，图4是 使用 S o l i d Wo r k s 建立起来的流体三维模型。 图 4 三维流体模 型图 建立 模 型后 将 其 导 入 F L U E N T 的前 处 理 软 件 G a mb i t ，利用 G a m b i t 的网格划分功能对其进行网格划 分 ，得到网格图，进行计算。 稳态气动力直 接 的表 现形式 就是 阀芯 端面 的动 Hy d r a u l i c s Pn e u ma t i cs S e a l s ／No ． 2． 2 01 0 压 ，利用 C F D分析 ，根据 N a v i e r S t o k e s 方程 ，对整 个流场进行数值解析就可 以得到阀芯上气动力 的精确 解 。通过不 同阀 口开度 的压力分布和阀芯与流体的接 触面积进行积分 ，就可以得到 阀芯上的气动力 ，求解 公式为 F∑J P nd s 5 式中p 壁面压力 ； n 轴 向正方向 ； s 阀芯受力面的面积 ； 面积微分 ； 受力面的个数 。 F L U E N T中提供了对 于指定 面的指定物理量 的积 分功能 ，在 G a mb i t 网格设置时 ，把阀芯的受力面指定 为流体的边界面 ，便可 以在 F L U E N T中直接通过积分 功能得到阀芯受到的稳态气动力。 把图 3的主阀芯 f a c e 3设定为需要计算 的边界面 ， 计算其 动压 力 ，即为稳 态 气动 力。通 过 F L U E N T计 算 ，得出了在输 入流体 压力 为 2 1 MP a时 ，阀 口开度 △ x在 0 ． 5 mm、1 ． 0 m m 、1 ． 5 mm、2 ． 0 m m 下合力 F l 的数值 表 2 C F D计 算阀芯所受合力值 根据表 2 ，可以看出 F 呈现 出明显的非线性 ， 且在数值上要 比传统的计算方法大很多 ，根据这些数 值拟合 出一个计算 F 的公式。 假设 F 1 a A xb A x 。 △ p 6 式 中0 、6 常系数 ； 阀芯开 口度 ； 阀口压差。 利用表 2中的数 值 ，利 用式 6 ，阀 口压差 为 2 0 MP a，以最 小二乘 法拟合 ，求得 n和 b的数值 分 别为 口 4． 0 4 1 0一 ． b7． 0 9 1 0 从而得到 F 。 的计算公式 F f a 。 。 l 4 ． 0 41 0一 △ 7 ． 0 91 0 A x △ p 7 为了进一步分析问题 ，本文又利用 F L U E N T计算 了在额定流量 、阀芯开 口度 1 ． 0 mm和出 口压力不 变的条件下 ，进 E l 压力不同时的 F 数值 表 3 进 I 1 ／ t , 力不 同时的 F 将公式 7 算 出的数 据与表 3的数 值相 比较 ， 结果还是 比较接近 的，说明可 以利用公式 7 计算 本例 的阀芯气动力 。 3 颤振及总泄漏量超差 的原 因分析 通过上面三组计算结果的比较 ，尤其 是第二 、三 组数据 ，可以发现 ，C F D计算 出的数值不但呈现非线 性的特征 ，而且数值较高。原 因是经典 的集 中参数法 计算忽略 了一部分 能量损 失 ，并 由于计 算简 化 的需 要 ，忽略 了其 中非线性 因素的影 响，并没有考虑到细 小的结构变化就会引起 阀腔 内流体流动 的很大变化 ， 进而引起 阀芯受力 的变化 ，尤其是在阀芯高速运动的 过程中。而通过 F L U E N T的计算结果 和拟合 的非线性 公式就可 以较好地表现 出这种 非线性特征 ，这也是符 合实际情况 的。正是 由于气动力较 大和具有非线性 ， 才导致 了阀芯在关闭时出现反复震荡不 能在短时间关 闭，出现颤振。另外主阀芯的背压在仿真结果 中显示 并没有下降到足够低 的压力值 ，而是始终和 阀口附近 高压侧的压力值很接近。说 明在实际的工况 中，先导 阀的泄流通道作用失效 ，而这种失效也可 以导致 阀门 开关过程中出现颤振。 基于以上 的分析结 果再 分析 总泄漏 量超差 的原 因①高压电磁阀采用波纹带、涨圈结构实现阻尼和 泄漏量控制。涨圈结构对 电磁 阀背压腔进气和排气 的 影响 ，如果涨圈出现质量 问题容易导致 电磁 阀打不开 或关闭延迟。② 由于颤振现象 的发生 ，密封面和阀座 多次碰撞 ，致使密封面损伤 ，泄漏量加大③ 电磁阀的 形位公差不够和表面粗糙度达不到低温的要求都有可 能造成泄漏。④对 电磁 阀的先导 阀进行结 构分析 ，如 果先导阀的阀座结 构强度较弱 的话 ，容易产生形变 ， 导致在低温下尤其是高压 的时候 易产生泄漏。⑤先导 阀阀座在装配时为螺纹安装 ，如果定位不精确 ，不 能 保证先 导 阀座的形位 公差 ，使得 顶杆 与先导 阀不 同 轴 ，导致在低温下尤其是高压状态下极易产生泄漏。 4 结论 本文所研究的高压大流量气动电磁 阀使用的条件 十分恶劣 ，实验中很难分析 出其产生颤振 以及总泄漏 量超差 的原因，只能通过理论分析的方法进行研究。 1 7 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 0 1 0年 第 2期 挖掘机 回转马达配流盘 的结构研究 谢永超 石金艳 湖南铁道职业技术学院，湖南株洲4 1 2 0 0 1 摘要该文采用流体计算软件 S T A R C D，针对两种不同减压槽结构的配流盘进行 了 C F D解析，通过计算结果的对比，最后得 出设置两个小孔的结构较好 ，该研究结果为 回转马达配流盘的结构设计 提供 了重要参考 。 关键词 回转 马达 ；配流盘 ；结构 ；噪声 ；C F D 中图分类号 T H1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 0 0 2 0 0 1 8 0 4 S t u d v o n t he S t r uc t u r e o f Va l v e P l a t e o f S l e wi n g M o t o r o f Hy d r a u l i c Ex c a v a t o r X I E Y o n g c h a o S i l l J i n y a n H u n a n R a i l w a y P r o f e s s i o n a l T e c h n o l o g y C o l l e g e ， Z h u z h o u 4 1 2 0 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n fl o w c a l c u l a t i o n s o f t w a r e S T AR C D，a i mi n g a t t w o k i n d s o f r e l i e f g r o o v e o f v a l v e p l a t e ，C F D c a l c u l a t i o n i s c a r r i e d o u t i n t h i s pa pe r ．By c o mp a r i n g t he c a l c ul a t i o n r e s u l t s，i t c o n c l ud e s t h a t t he s t r u c t u r e wh i c h s e t s t wo h o l e s i s be t t e r，a n d t h e s t u d y p r o v i de s i mp o r t a n t r e f e r e n c e v a l u e f o r t h e de s i g n o f v a l v e p l a t e o f s l e wi n g mo t o r ． Ke y W o r d ss l e wi n g mo t o r ；v a l v e p l a t e；s t r uc t u r e； n o i s e；CFD 0 引言 回转马达作为挖掘机 回转系统 的重要组成部分 ， 其工作性能对液压挖掘机的作业有着很大的影 响。该 文研究的挖掘机 回转马达为轴 向柱塞马达，轴向柱塞 马达的结构噪声与流体噪声主要是在配流过程中产生 的。轴向柱塞马达的柱塞液压缸，工作时不断进行高 低压转换。充满低压油的柱塞液压缸突然和高压油腔 接通时，高压油会瞬间向缸 中倒流 ，产生液压 冲击和 噪声 ；同样 ，充满高压油的柱塞液压缸突然和低压油 腔接通时，缸中的高压油会瞬问 向低压腔膨胀 ，也会 产生液压冲击和噪声。对于同一个马达 ，工作压力越 高 ，柱塞腔与配流窗 口接通初期减压槽 孔 两端的 压差越大 ，液压回冲现象越剧烈 ，严重时还会在配流 盘表面和柱塞窗孔表面出现明显的麻点和很深的蜂窝 收稿 日期 2 0 0 9 0 61 8 作者简介 谢 永超 1 9 8 4一 ，男 ，湖南邵 阳人 ，工学硕 士，现 任教于 湖南铁道职业技术学院电气工程 系。 通过传统分析方法与 C F D可视化分析的比较 ，我们可 以看到 C F D流体计算软件有很强的优势和可操作 性， 它能够提供 更为优化 的算 法 ，把传 统 的分 析方法 与 C F D方法相结合 ，应用在一些较为复杂和特殊的情况 下 ，会有 比较好的效果。 参考文 献 [ 1 ] 刘国俊． 计算流体力学的地位、 发展情况和发展趋势[ J ] ． 航空计算技术 ，1 9 9 4 1 1 5 2 1 ． [ 2 ] 李志印， 熊小辉， 吴家鸣． 计算流体力学常用数值方法简介 l 8 状蚀坑 ，同时伴有剧烈 的噪声。 由于柱塞 马达 的配流噪声 和配 流盘结构直接有 关 ，因此，为了消除这种有害现象 ，通过对配流盘 的 结构进行合理设计 ，可以达到降低配流噪声的 目的。 1 解析假定 液压元件 内油液 的实际流动是非常复杂 的三维流 动现象 ，为了满足数值解析的可行性 ，必须对实际的 物理模型进行一定的简化。考虑到影响流体流动 的因 素常有 主次之分 ，可以在 问题 允许 的计算 误差范 围 内，只考虑主要因素而忽略次要 因素 ，对实际模型做 一 些基本假定 1 在高压轴向柱塞马达配流过程中，由于液压油 的可压缩性对柱塞腔内的压力超调量和 回油冲击影响 比较大，在数值计算 过程 中需要考虑 液压油 的可压 缩性。 2 假定液压油为黏性牛顿流体。即液压油的动力 黏度 是恒定的，不随速度梯度的变化而变化。 “”十一 一 十 “ 十一 ” 十” ” _”- ． 十“”十”十” - 4 - ” - ”“” ⋯- 4 -”十 [ J ] ． 广东造船， 2 0 0 4 3 ． [ 3 ] 吴帅等． C F D方法在直接驱动伺服阚 C A D ／ C A E一体化设 计 中的应用 [ J ] ． 流体传动与控制 ， 2 0 0 8 9 ． [ 4 ] 韩艳霞， 金辉． 计算流体力学通用软件一s r A RC D简介 [ J ] ． 甘肃科技， 2 0 0 5 ， 2 1 9 3 53 6． [ 5 ] 傅德薰． 流体力学数值模拟[ M] ． 北京 国防工业出版社， 1 9 933 6 ． [ 6 ] 翟建华． 计算流体力学 C F D 的通用软件[ J ] ． 河北科技 大学学报 ， 2 0 0 5 ， 2 6 2 1 6 01 6 5 ． [ 7 ] 王春行． 液压控制系统[ M] ． 北京 机械工业出版社， 2 0 0 6 ．