阀芯直径对液压锥阀性能的影响.pdf

2 0 1 0年 l 0月 第 3 8卷 第 2 0期 机床与液压 MAC HI NE T0OL HYDRAUL I CS 0c t ． 2 01 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 0 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 2 0 ． 0 2 3 阀芯直径对液压锥阀性能的影响 石金艳 ． 1 ．湖南铁道职业技术学院，湖南株洲 4 1 2 0 0 1 ； 李辉 ，谢永超 2 ．四川川润股份有限公司技 术中心 ，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要采用计算流体动力学方法对锥阀阀腔内的流场进行数值求解，并比较分析不同阀芯直径下不同开口度对应的流 量系数与液动力值。结果表明对应相同开E l ，阀芯直径的变化基本不会引起流量的变化，并且流量系数基本保持不变， 为0 ． 8 5左右；阀芯直径对阀芯作用力及稳态液动力的影响较小。该结论为锥阀的结构设计提供一定的参考。 关键词液压锥阀；流量 ；流量系数；阀芯阻力；稳态液动力 中图分类号 T H 1 3 7 ． 5 1 文献标识码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 00 6 6 3 The Ef f e c t o f Va l v e Co r e Di a me t e r o n t he Pe r f o r ma nc e o f Hy d r a u l i c Po p pe t Va l v e S HI J i n y a n ．L I Hu i 。XI E Y o n g e h a o 1 ． 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 Hu n a n 4 1 2 0 0 1 ，C h i n a ； 2 ． T e c h n o l o g y C e n t e r ，S i c h u a n C h u a n r u n C O ． ，L t d ． ，C h e n g d u S i e h u a n 6 1 0 0 3 l ，C h i n a Ab s t r a c t T h e c o mp u t a t i o n a l fl u i d d y n a mi c s me t h o d w a s a d o p t e d t o a n a l y z e t h e d i f f e r e n t i n n e r f l o w fi e l d s o f h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e ． Wi t h d i f f e r e n t v a l v e c o r e d i a me t e r s ， t h e d i s c h a r g e c o e ffic i e n t a n d s t e a d y fl o w f o r c e o f h y d r a u l i c p o p p e t v alv e i n d i ff e r e n t u n c o r k w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t c o r r e s p o n d i n g t o t h e s a me u n c o r k，t h e c h a n g e o f v alv e c o r e d i a me t e r d o n o t c a u s e c h a n g e s o f t h e fl o w a n d d i s c h a r g e c o e ffi c i e n t i s n e a r l y 0 ． 8 5； t h e e f f e c t s o f v alv e c o r e d i a me t e r o n t h e v a l v e c o r e f o r c e a n d s t e a d y fl o w f o r c e a r e s ma l 1 ． T h e y p r o v i d e r e f e r e n c e f o r s t r u c t u r e d e s i g n o f h y d r a u l i c p o p p e t v a l v e ． Ke y wo r d s Hy d r a u l i c p o p p e t v a l v e ； F l o w； Di s c h a r g e c o e ffic i e n t ；Va l v e c o r e r e s i s t a n c e ； S t e a d y fl o w f o r c e 液压锥 阀是流体传动与控 制技术 中重要 的基础元 件。锥 阀主要 由阀芯 、阀座及 附属的弹簧 、密封 件等 构成，安装时只需将阀芯插入阀体或阀块的插孔内， 利用控制盖板与阀体或阀块的螺钉联接而固定。虽然 阀套、阀体插孔和盖板三者之间的相关尺寸均已标准 化，但组件内部尺寸包括阀芯形状、阀套内孔与阀芯 配合部分的形状及尺寸、弹簧尺寸等，均可由设计者 决定 ，其 中，阀芯形状对 阀性能影响最大。因此 ，文 中主要研究了锥 阀的阀芯直径对锥阀性能的影响。锥 阀工作时，通过阀芯在阀座内轴向移动，实现对压 力 、流量的控制 。 利用计算流体动力学 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 ，C F D 的方法，对外流式锥 阀进行流体解 析，得出阀芯直径的变化对流量系数与液动力的准确 影响，对锥阀的结构设计具有一定的参考价值。 1 锥阀结构与建模 1 ． 1 锥 阀结构 如图1为 C F D解析用锥阀的主要结构，由阀芯 与阀座构成 ，其主要结构尺寸如下A9 0 。 ，B l 6 ． 5 mm， C3 mm，D 6 mm ，F 1 2 0。，G 1 2 0 。， 为阀芯直径值。图 1中箭头方 向为流体的流动方 向；I 区及 I I 区分别是两 个旋涡产生 区。由于锥 阀阀 腔结构对称 ，内部流动对称，因此可仅取流动区域的 一 半作为计算对象。 图 1 锥 阀的基本结构 1 ． 2几何 模 型与 网格 划 分 将图 1中的流体区域作为求解区域，利用三维设 计分析软件 I - d e a s 按上述思想对锥阀建模；并采用四 面体网格进行划分，考虑到计算机的运行时间和存储 容量，需要对计算网格进行规划，在入口和出1 1 部分 因为流速和压力变化缓慢，网格较粗；阀口处存在节 收稿 日期 2 0 0 9 0 71 3 作者简介 石金艳 1 9 8 3 一 ，女 ，硕士 。电话 1 3 4 0 7 4 7 3 4 1 0 ，Em a i l s h i j i n y a r r 2 0 0 8 1 2 6 ． c o rn。 第 2 0期 石金艳 等阀芯直径对液压锥阀性能的影响 6 7 流作用 ，压力梯度较 大 ，速度变化很大 ，对 阀口处的 网格进行 了初步的细化 ，并且在 出口拐角处进行 了局 部细化。将网格导人流体分析软件 S t a r C D中对锥阀 进行 C F D解析 。 低 对称 边界 图 2 锥阀模 型的边界 条件 1 ． 3 解析条件 文中对锥阀进行解析计算时，对上述模型作如下 假设 1 假设锥阀为理想锥阀，即阀芯与阀套配 合精确而无径向间隙； 2 流体为不可压缩 、恒定 的牛顿流体 即速度梯度变化时，动力黏度 不 变 ； 3 因阀体尺寸很小，忽略流体重力与阀腔内 部流体传热的影响； 4 流体的介质参数如表 1 ； 5 边界条件设定如图2 。 表 1 流动 介质参数 4 O o C土1℃ 2 C F D解析结果及分析 通过对锥阀进行 C F D数值解析，得到不同阀芯 直径 E下，不同阀口开度 时稳态的速度分布、压力 分布等情况，并得出流量系数与液动力值。 2 ． 1 阀芯直径对锥阀流量特性 的影响 通过对 阀芯直 径 E从 1 6 m m 以 1 mm为梯 度变 化至 2 0 l n m对 应 的模 型进 行 C F D解 析 ，可 以得 到 锥 阀在 不 同开 口时 的速 度 分 布 和压 力 分 布 。通 过 对 阀 口处 的 速 度 分 布 进 行 积 分 ，得 到不 同 开 口对 应 的流 量 图 3 4 和 锥 阀的 流量 系 数 曲线 图 5 6 ．毫 面 蟋 图3 相同阀口开度 的流量比较 、 ．量 宣 删 避 图4 相同阀芯直径 的流量比较 图6 相同阀芯直径 E的流量系数比较 由图3和4可以看出相同阀口开度 下，阀芯直 径 E的变化引起流量的变化很小，几乎可以忽略 ；在相 同的阀芯直径 E下，流量随阀口开度 增大而增大。 从图5和 6可以看出相同阀口开度 下，阀芯 直径 E的变化对流量系数的影响较小。当阀口开度 0 ． 3 m m时 ，流量系数 随阀芯直径 的变化基本保 持不变 ，为 1 ． 1 5左右 ；当 阀 口开 度 在 0 ． 6至 2 ． 4 之间时，流量系数随阀芯直径 E的变化基本保持不 变 ，为 0 ． 8 5左右 。 2 ． 2 阀芯直径 E对阀芯作用力的影响 暖 世 霆 阀芯直 径 ， 1 1 1 1 11 图7 相同阀口开度 的阀芯作用力比较 6 8 机床与液压 第3 8 卷 通过对锥 阀 的 C F D解 析 ，可 得其在 不 同阀芯 直 径 E下产生 的阀芯作 用力 及液 动力 变化 曲线 ，如 图 7 1 0所示 。 Z 匪 均 匠 图 8 相 同阀芯直径 E的阀芯作用力 比较 - x 0 ． 3 m m 一x 0 ． 6 ram 卜 0 ． 9 mI ll 一 一 1 ． 2 ram ￡ } 一 1 ． 5m m夺一 1 ． 8ra m _ 2． 1m n l*一 2． 4m m 图 9 相同阀 口开度 的阀芯液动力 比较 图 1 0 相同阀芯直径 E的阀芯液动力 比较 从 图 7和 8可 以得 出 相 同阀芯 直径 E的条件 下 ，阀芯上作用力 随阀 口开度 的增 大而减小 ；小开 口时 ，阀芯 上作 用力 不 受 阀 芯直 径 E变 化 的影 响 ； 当开 口较大 ，且 阀芯 直径 E也 较 大时 ，阀芯上所 受 的作用力会 发生 明显 的变化 。 从图 9和 l 0可以得 出相 同阀芯直 径 E的条件 下 ，阀芯上液动力 随阀口开度 的增大而增大 ；小开 口时 ，阀芯上液动力受 阀芯直径 E变化的影响极小 ； 当开口较大，且阀芯直径 E也较大时，阀芯上的液 动力会有 明显 的波动 。稳态液动力的变化趋势与 阀芯 作用力 的变化趋势相反 ，所产生的稳态液动力均使 阀 芯趋 于关闭 。 3结 论 文 中给出了液 压锥 阀 阀芯直 径 E变 化时 流场 的 C F D解析结果 ，对解析结果分析可得 出如下结论 1 对应相 同开 口，阀芯直 径 E的 变化基 本不 会引起流量 的变 化 。流量 系数 随参 数 E的变化 保持 不变 ，处 于 0 ． 8 5 左右 。 2 阀芯直径 E对阀芯作用力及稳态液动力的 影响较小 ，仅会影 响阀 口下游漩 涡 区的形状 与强度 ， 产生的液 动力均使 阀芯趋于关闭 ，且 变化平稳 。 参考文献 【 1 】 路甬祥． 两通插装阀的流量系数和液动力[ J ] ． 液压气 动与密封 ， 1 9 8 3 4 1 62 3 ． 【 2 】刘晓红， 柯坚． 基于计算流体动力学解析的液压锥阀噪 声评价 [ J ] ． 中国机械工程 ， 2 0 0 7， 1 8 2 2 2 6 8 7 2 6 8 9 ． 【 3 】王福军． 计算流体动力学分析 [ M] ． 2版． 北京 清华大 学出版社 ， 2 0 0 5 ． 5 1 2 ， 1 1 91 2 5 ． 【 4 】 许福玲． 液压与气压传动[ M] ． 北京 机械工业出版社， 20 0 0． 【 5 】 郁凯元， 盛敬超． 关于内流式锥阀稳态液动力方向的探 讨 [ J ] ． 液压与气动， 2 0 0 6 1 0 2 6 2 8 ． 上接第 3 8页 对穆格公司的／ 9 6 3 3直动式伺服新阀进行测试，测 得在 7 M P a 时平均压力增益为 1 3 ． 8 5 M P a ／ V ，压力增益 曲线如 图 6 示 。由所得结果及 实验 曲线可知 ，该被测 电压／ v 图6 压力增益实测曲线 阀的压力灵敏度很高。将测得的结果与被测阀的原有 性能参数对比，可知该测试系统的测试能力满足要求。 5结论 该测试 系统采 用 了静 态 和动 态性 能一 次 测试 的 免拆 装设计 ，由插装 阀作 为 油路 切 换控 制 阀 ，实 现 大流量控制 ，提高了系统 的自动化程度。在实际调 试 和应 用 中测试 结果 比较 理想 ，完 全满 足测 试性 能 的要求 。 参考文献 【 1 】袁宏杰， 李传 日， 姚金勇． 通用电液伺服阀自 动测试系统 研制[ J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 9 1 1 0 51 0 6 ， 8 7 ． 【 2 】李福尚， 张继木， 郑广良， 等． 电液伺服阀的内泄漏特性 及故障在线分析实例[ J ] ． 山东电力技术， 2 0 0 6 2 2 0 2 1 ． 2 9 ． 删 圳 枷 鲫0 0 0 0 0 0 O 0 O 0 0 O 0 0 0 0 0 8 7 6 5 4 3 2l Ol 2 3 4 5 _ _ ． I ． ． ． 目 - I 、