滑阀式超高压液压电磁换向阀静、动态分析.pdf

2 0 0 7年 5月 第 3 5卷 第 5期 机床与液压 MACHI NE T 00L HYDRAUL I CS Ma v 2 0 0 7 V0 l _ 3 5 No ． 5 滑阀式超高压液压电磁换向阀静 、动态分析 杨 红 艳 内蒙古工业大学机械 学院，包头 0 1 0 0 6 2 摘要应用有限元分析方法对超高压液压电磁换向阀进行受力分析，按照换 向过程中受到的最大推力和阻力，找出阀 体、阀芯在静态过程中应力及变形的最大部位，并得到推杆在换向过程中的动态特性及压力损失、泄漏量随时间变化的特 性曲线，为换向阀的设计提供了理论依据。 关键词超高压电磁换向阀；静动态特性 ；有限元 中图分类号T H1 3 7 ． 5 2 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 0 7 51 2 2 3 Fi n i t e El e me n t An a l y s i s o f S po ol Va l v e Ty p e Ul t r a- h i g h Pr e s s u r e S o l e no i d Va l v e YANG Ho n g y a 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 ， I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，B a o t o u 0 1 0 0 6 2，C h i r ／ a Ab s t r a c t T h e fi n i t e e l e me n t t h e o r y w a s u s e d t o a n a l y z e t h e f o r c e o f u l t r a - h i g h p r e s s u r e s o l e n o i d v a l v e ． Ac c o r d i n g t o t h e b i g g e s t t h r u s t a n d r e s i s t a n c e i n t h e p r o c e s s o f c h a n g i n g d i r e c t i o n，t h e p o s i t i o n t h a t s t r e s s a n d d e f o r ma t i o n a r e t h e b i g g e s t i n s t a t i c c o u r s e w a s f o u n d ． T h e d y n a mi c p r o p e r t i e s o f h a n d s p i k e a n d t h e c h ara c t e r i s t i c c u r v e s o f p r e s s u r e l o s s a n d l e a k c h a n g i n g w i t h t i me i n t h e p r o c e s s o f c h a n n g d i r e c t i o n w e r e o b t a i n e d ． Ke y wo r d s U h r a h i g h p r e s s u r e s o l e n o i d v a l v e ； S t a t i c a n d d y n a mi c p r o p e rt i e s ； F i n i t e e l e me n t 0 引言 超高压液压电磁换 向阀是超高压液压系统 中的换 向元件，在超高压工况下，要求其具有响应快 、泄漏 量小等特点。保证换向阀动作灵活，运动阻力小同时 实现可靠的密封，是电磁换向阀设计中的重点问题。 本文使用 A N S Y S软件对超高压电磁换 向阀的阀体 、 阀芯及推杆进行有限元分析计算，为确定合理的结构 尺寸提供依据。 1 电磁换向阀的结构及工作原理 本 文 对 三 位 四 通 M 型 电磁 换 向 阀 进行研 究，其 结构 如 图 1所 示 。工 作 原理 当两端 电磁 铁 都 断 电 时 ，阀 芯 在两端 弹簧力 的作 用下 处 于 中间位 置 ， 图 1 M型三位四通电磁 换向阀结构简图 P口压力油通过 阀芯径 向孔进 入阀芯轴 向孔 ，并与 T 口相通，实现泵的卸载节能，A口 B口截止。当左端 电磁铁通电，阀芯右移，使 P口与A口连通，B口与 T口连通 ，这时，左边弹簧被放松，右边弹簧被压 紧。电磁铁断电后 ，靠被压缩的右边复位弹簧的作 用，使阀芯回到中间位置。当右端电磁铁通电，阀芯 左移 ，使 P口和 B口相通，A口和 T口相通，电磁铁 断电，在左端弹簧力的作用下阀芯回到初始中间位 置 。 2 实体模型的创建 阀体、阀芯采用 软 件 P R O ／ E建立三维实体 模 型，并转存为 I G E S格 式 ，由有 限元 分 析 软 件 A N S Y S读入，推杆采用 直接 法 自顶 向 下在 A N S Y S中直 接建 立 三 维模 型。单元类型采用 1 0节 点4面体实体结构单元 S O L I D 9 2 ，智 能 网 格 划 图 2 阀体网格划分 分，精度等级为7级。材料为4 0 C r ，以此确定弹性模 量和泊松比。网格划分结果如图2 4所示。 图3 阀芯网格划分 图4 推杆网格划分 3 约束及载荷处理 对于换向阀芯，当到达换向位置时其两端通过推 杆与电磁铁紧贴在一起 ，可视为静止不动，其轴向自 由度为零 。在阀芯各圆周面上，由于与阀体有配合间 隙，故可有位移。表面压力载荷 1 0 0 M P a 作用在 P口 基金项目内蒙古工业大学科学研究基金 项目编号X 2 0 0 4 0 6 维普资讯 第5期 杨红艳 等滑阀式超高压液压电磁换向阀静 、动态分析 1 2 3 到 A口和 P口到 B口的圆周面及侧面上。 对于换向阀体，与电磁铁接触的左 、右端轴向自 由度为零 ，阀体内孔与弹簧座接触的内圆周表面径向 自由度为零。表面压力载荷 1 0 0 M P a作用在 P口到 A 口和 P口到 B口的圆周面及侧面上。因进、回油管 的变形对泄漏及压力损失影响较小，不是本文分析的 重点，故简化处理 ，没有施加表面压力。 推杆大端圆周面与阀芯内表面接触，径向自由度 为零，推杆小端圆周面与弹簧座接触部位径向自由度 也为零。由于推杆处于回油T口的位置，故作用在圆 周表面的压力较小 ，可以简化不考虑。推杆的受力主 要在两端面，一端为电磁铁的推力，另一端为通过阀 芯传递过来的在换向过程中产生的换向阻力，包括液 压卡紧力、粘滞阻尼力 、稳态液动力、瞬态液动力和 复位弹簧作用力。这些力随阀芯位移而变化，需进行 分段线性化处理，分析类型为瞬态分析 ，采用默认的 完全瞬态分析方法求解。 4 阀体、阀芯静态运算及结果分析 在建立有限元模型并完成边界条件和载荷条件的 施加后 ，利用 A N S Y S 对有限元模型进行求解 ，采用 默认的波前求解器求解。阀体 、阀芯的分析是在电磁 换向阀阀口全开，液压力不发生变化的情况下进行 的，分析类型为静态分析。在通用后处理器中进行结 果分析，阀体和阀芯的变形如图 5 、6所示 ，阀体的 图形以通过 A、B口油管轴线的平面为剖面显示。 图6 阀芯变形图 从图中可以看出，阀体最大位移为0 ． 0 3 1 0 4 9 m m， 阀芯的最大位移为 0 ． 0 2 3 6 4 7 m m，阀体和阀芯承受液 压力的部分产生的位移相对较大，并且 主要为径 向 位移 ，在 阀体 阀芯 配合 处 阀体 最 大 径 向位 移 为 0 ． 0 1 1 0 2 mm，阀芯最大径 向位 移为 0 ． 0 1 8 4 9 m m。换 向阀的配合间隙对泄漏的影响最大，在其它因素不变 的情况下，泄漏量与间隙的三次方成正比，故应在设 计和加工允许的范围内尽量减小配合间隙。 图7 、8为阀体 阀芯的应力分布图。由图可知， 阀体和阀芯承受液压力的部分产生的应力相对较大， 阀体 最 大应 力 为 8 1 1 ． 1 6 2 M P a ，阀芯 最 大 应 力 为 5 1 0 ． 9 0 2 M P a 。对阀体进 行应 力校 核，抗 拉 强度 为 1 1 8 6 M P a 热 处 理方 式 为 C A 2 ，安 全 系 数取 2 ． 5 ， 阀体应力远小于许用应力。 图 7 阀体应力分布图 图 8 阀芯应力分布图 按初始参数求解得到的结果表明，阀体阀芯的 应力较小 ，位移较大。改变阀芯直径等参数 ，对阀 体 、阀芯 的位 移和应变进行分 析，结果 如表 1所 示 。 维普资讯 1 2 4 机床与液压 第 3 5卷 表 1 阀芯5 2 7 ． 4 5 8 0 ． 0 2 9 3 6 5 1 0 ． 9 0 2 0 ． 0 1 8 4 9 4 9 5 ． 8 6 5 0 ． 0 0 9 3 6 阀体 8 3 0 ． 1 4 2 0 ． 0 2 5 1 1 8 1 1 ． 1 6 2 0 ． 0 1 1 0 2 7 9 8 ， 2 3 6 0 ． 0 0 2 3 1 由表 1 可知，阀芯直径增大，作用在阀体阀芯上 的应力与位移都减小，泄漏量也随配合间隙的减小而 减小。 5 推杆瞬态运算及结果分析 如上所述，推杆的分析类型为瞬态分析。在通用 后处理器和时间历程后处理器中分析结果，变形如图 9所示，图中以实体表示变形后的推杆。由图可知， 变形 主要沿轴 向发生。 图9 推杆变形图 沿轴 向 的应 力 如 图 1 O所 示。最 大 应 力 为 6 ． 6 4 8 M P a ，发生的位置在推杆大直径与小直径 的交 界处。并且其值远远小于推杆材料的许用应力。 图 1 0 推杆轴向应力图 通过换向阀的压力损失主要由阀前孔压力损失、 阀孔的局部压力损失、T口到 T口的机加工流道的压 力损失组成。通过换向阀的泄漏量与阀芯直径 、阀体 阀芯配合间隙、通过阀口的压差及封油量有关。应用 时间历程后处理器求出压力损失、泄漏量随换向时间 的变化曲线如图1 1 、1 2所示。 0． 80 8 0． 79 2 ，， 罪0 ． 7 6 0． 7 44 0． 7 28 ＼ ＼ ＼ ＼ ＼ 0， 64 0． 48 0． 32 嘿 0 ． 1 6 崮 l I } { i i } i i 一 i I l i l { ； {I l ＼ ⋯ r广1 一 r 三 ‘‘ 一 l ＼ I j ；； ＼ ＼ 0 ． 0 5 0 ． 0 6 0 ． 0 7 0 ． 0 8 0 ． 0 9 0 ． 1 0 ． 0 5 0 ． 0 6 0 ． 0 7 0 ． 0 8 0 ．0 9 0 ． 1 t l s t l s 图 1 1 压力损失随换 向 图 1 2 泄漏量随换向时 时间的变化曲线 间的变化曲线 由图可知，随换向时间的增加，压力损失 、泄漏 量逐 渐减小 ，最 大泄漏 量为 0 ． 6 8 m L ／ s ，最 大压力 损 失为0 ． 7 9 5 M P a ，均小于换向阀许用泄漏量、许用压 力损失。 6结论 运用有限元方法对电磁换向阀进行仿真计算，为 换向阀的设计提供理论依据。 阀体 、阀芯及推杆的应力远小于材料 的许用应 力，可改选抗拉强度低的材料或在结构允许的情况 下，减小结构尺寸，使材料性能得以发挥。 由于加工制造的精度难 以达到较小的配合间隙， 可通过增大阀芯直径来减小泄漏量。 ． 由压力损失、泄漏量随换 向时间的变化曲线可 知，在整个换向过程中，压力损失和泄漏量都在允许 范围内，进一步证明换向阀设计的合理性。 参考文献 【 1 】 宋鸿尧，丁忠尧 ．液压阀设计与计算 [ M]．机械工 业出版社，1 9 8 2 ． 【 2 】 谭建国． 使用 A N S Y S 6 ． 0 进行有限元分析 [ M]． 北京 大学出版社 ，2 0 0 2 ． 【 3 】 王亚丽，杨林，肖永飞 ． A N S Y S 在超高压液压增力装 置分析中的应用 [ J ]． 液压与气动，2 0 0 5 2 5 2 5 3 ． 【 4 】陶刚，马岳峰． 高速响应电磁阀弹簧疲劳寿命的仿真 计算 [ J ]．液压气动与密封，2 0 0 3 3 1 1 1 2 ． 作者简介杨红艳 1 9 7 4 一 ，女，讲师，硕士，主要 从事机械及液压方面的研究工作。Em a i l y a n g h o n g y a n 8 8 8 h o t mm1 ．c o m 。 收稿 日期 2 0 o 6一 O 6一l 6 订杂志 免费刊登广告 订阅全年 机床与液压杂志可获赠介绍 单位基本信息广告一次；若另加 3 O元 即 1 5 0 元 可获赠 6 0 m m8 0 m m 单色广 告一 次 ；另 加 6 0 0元可获赠全年 1 2期6 0 m m 8 0 m m单色广告。 维普资讯