液压转阀技术现状及展望.pdf

2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 0期 流体机械 4 1 文章编号 1 0 0 50 3 2 9 2 0 1 3 1 0 0 0 4 1 0 4 液压转阀技术现状及展望 韩冬 。 龚国芳， 刘毅 。 杨华勇 浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室， 浙江杭州 3 1 0 0 2 7 摘要 液压转阀利用阀芯相对阀体做旋转运动来实现油路的开闭和换 向。作为一种液压控制元件 ， 它具有结构简 单 、 工作频率高、 抗油液污染等优点， 可以广泛应用于高速换向、 高速激振的液压系统中。本文简要介绍了国内外液压转 阀研究现状 ， 指出了现有液压转阀尚存在的问题 ， 并对下一步的研究方向进行深入剖析， 为以后的研究奠定基石。 关键词 液压转阀； 阀口结构； 液动力； 流动规律 中图分类号 T H1 3 7 文献标志码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 1 0 ． 0 0 9 Re s e a r c h S t a t u s a n d Pr o s p e c t o f Hy d r a u l i c S p i n Va l v e HAN Do n g， GONG Gu o f a n g， LI U Yi ， YANG Hu a y o n g T h e S t a t e K e y L a b o f F l u i d P o w e r T r a n s m i s s i o n a n d C o n t ml ， Z h e j i a n g U n i v e r s i t y ， H a n g z h o u 3 1 0 0 2 7 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e s p o o l S r o t a t i o n r e l a t i v e t o t h e v a l v e b o d y ． h y d r a u l i c s p i n v a l v e i s u s e d t o c o n t r o l o i l c i r c u i t s o n - o ff a n d d i r e c t i o n ． As a k i n d o f h y d r a u l i c c o n t r o l c o mp o n e n t ， i t h as ma n y a d v an t a g e s ， s u c h as s i mp l e s t r u c t u r e ， h i g h wo r k i n g f r e q u e n c y， a n t i p o l l u t i o n f e a t u r e s ． T h e r e f o r e ， i t c a n b e w i d e l y u s e d i n h y d r a u l i c s y s t e ms w i t h h i g h s p e e d d i r e c t i o n o r h i s h s p e e d v i b r a t i o n ． T h e d o me s t i c a n d o v e r s e as s t a t u s an d e x i s t i n g p r o b l e ms o f s p i n v alv e w a s i n t r o d u c e d ． I n a d d i t i o n ， t h e f u r t h e r r e s e a r c h d i r e c t i o n i s d e e p l y d i s c u s s e d o n a s p e c t o f o r i fi c e s t r u c t u r e， h y d r o d y n a mi c f o r c e a n d fl o w i n g r e g u l a t i o n ． I t p rov i d e s t h e o r e t i c al fou n d a ti o n f o r f u t u r e s t u d y ． Ke y wo r d s h y d r a u l i c s p i n v alv e ； o rifi c e s t ruc t u r e ； h y d r o d y n a mi c f o r c e ； fl o w i n g r e g u l a ti o n 1引言 液压转 阀是一种利用阀芯相对 阀体做旋转运 动来实现油路的开闭和换 向的液压 阀， 其中 ， 转 阀 的转动可以依靠手动或者 由行程挡块拨 动 ， 也可 由专门的驱动装置驱动。液压转阀与其他液压滑 阀相比， 在结构特点、 性能参数等方面具有明显的 不 同。作为一种液压控制元件 ， 它具有结构简单 紧凑、 可靠性高、 工作频率高、 抗油液污染、 无加速 度零漂等优点， 可以广泛应用于高速换向、 高速激 振 的液压系统 中。 本文对国内外液压转 阀技术的研究现状进行 探讨 ， 指出现有液压转阀尚存在的问题 ， 并从阀口 结构 、 液动力和内部流场流动规律 3个主要方面 对下一步的研究方向进行展望。 2 转 阀的国外研究现状 英国、 美国、 德 国等对液压转阀的研 究较早 ， 主要从 阀的结构方面进行大量的创新和研究。 英 国引擎 有限公 司的 G r i f fi n设 计发 明的转 板式液压转阀， 其阀套上沿轴向开有 2个沿半径 对称的贯通油孔， 贯通油孔下部与阀体的进出油 孔相通 ， 贯通油孑 L 上部与阀芯内油孔相通 ； 阀芯上 收稿 日期 2 0 1 30 22 6 基金项 目 国家自然科学基金资助项目 5 1 2 7 5 4 9 9 ； 国家“ 9 7 3 ” 重点重点基础研究发展规划资助项 目 2 0 1 3 C B 0 3 5 4 0 4 4 2 F L U I D MACHI NER Y Vo 1 ． 4 1， N o ． 1 0， 2 0 1 3 设置的对称油孔与 阀套上的通径一样 ， 且位于同 一 径向环面上 ； 阀芯顶部开有环形槽连接两油 口， 以提供油液通路。该阀结构简单， 工作频率高， 但 是轴向不平衡力和摩擦 阻力较大 ， 线性工作段较 窄， 所以该阀仅适用于工作压力不高的场合u J 。 美 国的 J o s e p h设计 的旋 塞式 高速 、 高压 液压 转 阀 ， 球阀装在上游 阀座 和下游 阀座之 间， 阀座可 动 ， 通过转动阀芯即可控制油液的通断 ， 改变阀芯 转角可以控制流量； 为了减少泄露， 提高阀芯的转 速 ， 阀座与阀体之间有一层密封材料 。该 阀密封 性能 好， 最 高 频 率 可 达 2 0 0 0 H z ， 压 力 可 达 6 0 M P a l 2 J 。美 国的 G e o r g e H o c h r e i n等设计的轮齿 式液压转阀， 其阀芯截面呈 圆齿形 ， 沿轴 向开有一 环形贯通孔， 与阀套以及阀体上的回油口相连； 阀 套上开有一系列轴向槽， 阀套外径表面还开有三 个环形槽 ， 分别与 阀体上的进油 口和工作油 口相 通。矩形阀口的设计使输出流量与阀芯转角成线 性关系 ， 是一种正开 口或零开 口的比例换 向阀； 且 阀芯与阀套结构对称， 径向油口均匀布置， 保证了 阀芯 的径 向和轴 向受力平衡 ， 阀芯驱动力矩小 。 该阀主要用于汽 车转 向系统的液流控制 ， 使汽车 的换向和操纵更为简单， 且降低了噪声 』 。由德 国 E MG公 司设计开发的 S V 1 1 0系列 回转伺服 阀 具有单 级结构 ， 阀体 内未设 置节流孔 ， 抗 油液污 染， 阀芯为自动补偿的静压支撑式结构， 能够自动 平衡工作油口的油压， 运行时与阀体间的摩擦力 小； 在阀左端的调节螺钉能够改变静压支撑情况， 方便阀内部污染物 的清洗 ， 阀右端 的调节螺钉可 以调节 阀芯位置 ， 进而改变流量大小及 方向。当 线圈通入控制电流后 ， 力矩马达输 出力矩 ， 与偏置 弹簧的反力矩平衡后输出角位移驱动阀芯旋转， 改变阀芯与阀体间油孔重合 面积大小 ， 达 到控制 油液流动方向、 流量计压力大小的 目的 。 目前 ， 英 国、 美国、 德国等的公 司和研究所 已 经相继开发出液压转 阀的系列产品 ， 因为该方面 相关的研究文献和技术资料设计企业生存发展， 所 以有关液压转阀的研究和设计文章较少 ， 相关 技术多查询于国外专利和企业产品介绍。 3 转 阀的国内研究现状 浙江大学流体传动及控制实验室最早研制的 平衡台阶式液压转阀， 阀芯沿径向割有通油槽， 且 与阀套上油孔位 于同一平面 ， 转动 阀芯 即可控制 油路的通断和液 流的方 向， 功能与传统 的三位 四 通滑阀相同。为了补偿由工作压差造成的转轴径 向力不平衡 ， 该阀在阀套上设有补偿油路 ； 由于油 压沿轴 向和径 向的压力 分布十分复杂 ， 通过油压 补偿槽几何参数的优化计算才能够获得较佳的补 偿效果。此外 ， 为平衡转阀负载 口的油压 ， 阀芯上 还切有平衡 台阶。阀芯与阀套间的泄漏大小 由两 者间的配合间隙决定， 选择合理的配合公差能够 在泄漏量和阀芯摩擦力间取得合适 的平衡 ， 并能 降低制造工艺上的要求。该 阀功率级的结构设计 使其适用于高压大流量的工作场合 J 。 浙江大学流体传动及控制实验室研制的回转 直动式电液伺服阀主要由耐高压双向比例电磁铁、 耐高压电涡流角度传感器 、 阀体、 阀套、 转轴式阀芯 组成。耐高压双向比例电磁铁 的转子通过柔性联 轴器驱动转轴式阀芯旋转 ， 实现对油液方 向、 流量 大小和工作压力的控制 ； 耐高压 电涡流传感器可实 现阀芯角位移的反馈控制 ， 提高电液转阀的控制精 度和工作性能 ； 转轴式阀芯上设 有两个扇形部分 ， 零位时扇面的张角恰好遮住 阀套上的矩形窗 口， 使 转阀具有零开口特陛， 扇面的两个径 向通孔与对应 的阀芯轴向孔连通 ， 径向通孔结构形式使扇面上下 工作腔中的油压相互平衡， 可使阀芯沿径向受力均 匀， 有效补偿转阀的径向不平衡力 。 浙江工业大学研制的 2 D数字 电液四通换 向 阀由阀体、 电一机械转换器 步进电机 、 传动机 构和角位移传感器等组成 引。阀右腔的面积为 左腔的一半 ， 通过两个小孔 、 阀芯杆 内通道与进油 口相通。阀芯左端台肩上开有高低压孔， 螺旋槽 则对称开在阀体左端的内表面上， 并且与高低压 孔之间形成两个微小的弓形缝隙， 作为可变液阻 构成液压半桥控 制 阀芯左 腔 的压力 。阀芯旋转 后 ， 高低压侧 的 弓形 面积发生 变化 ， 推动 阀芯移 动， 直至达到新的平衡。相对其他伺服阀具有结 构简单 、 抗污染能力强 、 构成导控阀导控级的零位 泄漏小、 固有频率高、 动态性能好等优点 。 为了保证有较高的响应速度和定位精度， 获得线 性的控制效果， 对步进电机设计了专门的控制器， 提高了电机控制电路和控制算法的复杂性。 我国对液压转阀的研究起步较晚， 进行研究 的单位集中在少数国家科研机构和高校， 基本上 没有技术成熟的企业， 而且对液压转阀的研究也 处于结构探索创新阶段， 没有形成完善的机构优 化及技术参数理论的指导 ， 更没有成熟 的产品。 2 0 1 3年第 4 1 卷第 1 0期 流体机械 4 3 4 存在的问题 近年来 ， 对液压转阀理论的研究取 得 了一些 成果 。刘毅博士提出一种液压激振与夹持独立 的 捣 固装置 ， 并以此设计 了一种新型液压转 阀来提 高液压激振系统的频率 和流量 ， 建立数学模型 ， 采 用 Ma t l a b ／ S i mu l i n k软件 进行分 析 l 2 引。任 燕博 士根据 2 D液压转阀控制 的电液激振器建立数学 模型 ， 采用分段积分的方法 ， 推导出激振器输出波 形方程的解析解， 并将实验波形与解析波形进行 对比， 根据频谱特性分析波形的失真度 J 。装 甲 兵工程学院的郭晓林应用液阻网络理论对流量控 制式 电控液压助力转 向系统 中的转阀的等效流通 面积和助力特性进行分析 ， 建立转 阀阀 口流通面 积与转阀主要结构设计参数之 间的数学关 系， 并 对转 阀的主要结构设计参数进行优化 J 。但是 ， 现有 的液压转阀仍然存在以下问题 1 波形简单 ， 波形失真较为严重 ； 2 流量小 ， 流量特性不明 ； 3 效率较低 ， 发热严重 ； 4 流量脉动大 ， 压力波动大 ， 噪声大。 5研究方向 通过对 国内外液压转 阀研究现状的分析 ， 以 及针对现有的液压转阀仍然存在的问题， 今后在 液压转阀领域进一步的研究方向主要包括 1 液压转阀阀口结构 的优化设计。国内外 有部分学者对滑阀阀 口特性进行 了相关研究 。浙 江大学冀宏 、 傅新等分析 了典型节流槽 的结构特 征 ， 对节流槽 阀口面积模型的精确进行了探讨 ， 提 出了非全周开 口滑阀流量特性 的“ 流量 回环” 现 象 。西班牙 J o s e ’ R． V． a i d e ’ S 等对一液压 比 例滑阀阀口流量精确估算进行研究， 运用流场仿 真方法分析阀内流速特征， 对此类滑阀传统的流 量计算模型进行了修正， 修正模型计算结果与流 场仿真计算结果吻合 良好 。然而， 关于转阀的 阀 口面积模型机流量特性的系统研究都未见相关 报道， 在转阀的设计计算中阀口面积的计算和流 量系数的选取都存在较强的近似性和模糊性。另 外， 转阀阀芯旋转时， 通过阀口的流量和压力会发 生周期性变化， 阀口尺寸、 形状的不同， 通过阀口 的流量和压力也会不 同， 这个 映射 的变化规律决 定着液压转 阀的动态性 能。因此 ， 需要针对转 阀 的阀芯运动特性和内部流场特性进一步修正转 阀 阀口面积模型和流量模型 ， 并在此基础上建立 阀 口尺寸 、 形状与转 阀动态性能的映射关系模型 ， 提 出基于转阀动态性能的阀口设计方法。 2 液压转阀的液动力模型。阀芯旋转时液 流流速方向和大小 被迫改变 ， 液流动量的变化对 阀芯产生液动力， 液动力不仅影响阀的操纵 ， 还可 能引起 阀的 自激振 动， 进而影响整个系统 的可靠 性和稳定性。国内外对液压阀液动力的研究尽管 很多， 如曹秉刚、 史维祥、 中野和夫对内流式锥阀 的液动力进行理论 探讨 ， 得 到新 的内流式锥 阀液 动力的理论方程和近似计算公式， 并设计了专门 的锥 阀阀芯锥面压强分 布液动力实验装置 ， 测定 并分析了液动力的变化规律 J 。冀宏等研究了 非全周开口滑阀的液动力变化规律， 并分析了典 型开口下 的液动力特点 。意大利 的 R．A mi r - a n t e 、 P ．G M o s c a t e l l i 等对液压方 向比例 阀的开 口 形式， 开口大小与液动力的关系进行了流场仿真 与理论分析， 并从阀腔内部流动和压力分布的角 度分析 了稳态液动力 的结 构补偿办法 l ， 弛 J 。但 上述研究大都针对滑 阀和锥 阀展开 ， 对流动状态 更加复杂 的液压转阀 尚未取得突破 ， 没有可以应 用的计算方法或模 型。因此 ， 需要结合液压转阀 内部的流场运动规律得到液动力的准确计算模 型 ， 设计针对液压转阀的液动力实验台 ， 测定并分 析液动力 的变化规律。 3 液压转阀的内部流场流动规律。阀芯旋 转造成阀口高速通断， 由于液体的惯性， 转阀流道 内流体产生较大的压力波动和压力冲击， 甚至产 生负压， 发生气穴现象。浙江大学的傅新等对固 定阀口开 口下 的纯水液压锥 阀阀内气穴非稳态流 动问题进行了研究 ， 通过高速摄像机捕捉到的实 验结 果 与 通 过 C F D仿 真 得 到 的 结 果 基 本 吻 合 引。浙江工业 大学 的 白继平 等借助 F L U E N T 软件对高频电液数字转阀阀腔流场进行研究 ， 主 要对极端环境 时的气穴变化规律进行深入探索 ， 揭示阀芯高速旋转时阀口气泡析出、 发育过程及 溃灭特性 。以上研究方法对揭示液压转阀的 内部流场流动规律具有很好的借鉴价值。 6结语 结合 国内外液压转 阀技术 的发展现状 ， 要充 FL UI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ．1 0， 2 01 3 分认识到现有液压转阀存在的问题， 在现有的研 究成果基础上 ， 重点 围绕基础理论问题及必要 的 实验方法和技术展开系统深入 的研究 ， 为新 型液 压转阀的结构设计及参数优化提供 中要的理论意 义和实际应用价值 。 参考 文献 [ 1 ]D a v i d G r i 伍n ， E d Wa l l s ， C h ri s Wi U i a ms o n ． A r o t a r y d i s c v a l v e U K， G B 2 3 9 8 8 5 6 A[ P ] ． 2 0 0 4 ． [ 2 ] T h o ma s A n t h o n y J o s e p h ， B r y o ma h r ． R o t a r y v al v e U S ， 7 0 1 3 9 1 7 [ P ] ． 2 0 0 4 ． [ 3 ] B r a d l e y G e o r g e H o c h r e i n ， T i mo t h y Ger a d O ff e r l e ．R o t a r y v al v e U S ， 6 4 9 9 5 0 7 B 1 [ P ] ． 2 0 0 2 ． [ 4 ] 田惠民， 孙景昌． 设计独特的 S V 1 1 0型单级旋转式 伺服阀[ J ] ． 液压与气动 ， 1 9 9 7 ， 5 2 2 - 2 3 ． [ 5 ] 唱一丹． 双向旋转比例电磁铁及旋转伺服阀的研究 [ D ] ． 杭州 浙江大学 ， 1 9 8 9 ． [ 6 ] 张光琼 ， 唱一丹． 双向极化式比例电磁铁及其静、 动 态特性研究[ J ] ． 防爆电器， 1 9 8 9 ， 4 2 8 - 3 2 ． [ 7 ] J i a n C u i ， F a n D i n g ， Yo n g L i ， e t a1． A n o v e l e d d y c u r - r e n t a n s l e s e n s o r f o r e l e c t r o h y d r a u l i c v a l v e s [ J ] ． Me a s u r e me n t S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， 2 0 0 8， 1 9， 0 1 5 2 0 5 ． [ 8 ] J i an C u i ， F a n D i n g ， Q i p e n g L i ．N o v e l b i d i r e c t i o 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