直动式锥型溢流阀静态特性理论分析.pdf

2 0 1 3年 1 2月 第4 1 卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS De c ． 2 0 1 3 Vo L 4l No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 2 3 ． 0 1 9 直动式锥型溢流阀静态特性理论分析 曹文琴 ，朱海燕 ，向毅 1 ． 华东交通大学机电学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ； 2 ．华 东交通大学轨道交通学院，江西南昌 3 3 0 0 1 3 ； 3 ．关的制冷设备有限公司， 广东佛山5 2 8 3 0 1 摘要介绍溢流阀在液压系统中的作用，分析直动式锥型溢流阀的结构和工作原理；构建该阀的结构简图，并在力学 平衡方程和流体连续性方程基础上建立其数学模型；通过对数学模型中相关参数的分析，得出了直动式锥型溢流阀的相关 变化参数对其静态特性的影响程度。 关键词直动式锥型溢流阀；流量 ；压力 ；静态特性 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 2 3 0 7 33 The o r e t i c a l Ana l y s i s f or S t a tic Ch a r a c t e r i s tic s o f Di r e c t - a c tin g Ta pe r e d Re Ue f Valv e CAO W e n q i n ，ZHU Ha i y a n ， XI ANG Yi 1 ． S c h o o l o f Me c h a n i c a l a n d E l e c t ri c a l E n g i n e e r i n g ， E a s t C h i n a J i a o t o n g U n i v e r s i t y ， Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3，C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f Ra i l wa y T r a c k s a n d T r a n s p o r t a t i o n，E a s t C h i n a J i a o t o n g Un i v e r s i t y， Na n c h a n g J i a n g x i 3 3 0 0 1 3，Ch i n a ； 3 ． Mi d e a R e f ri g e r a t i o n E q u i p m e n t C o ． ，L t d ． ，F o s h a n G u a n g d o n g 5 2 8 3 0 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e r o l e o f t h e r e l i e f v a l v e i n h y d r a u l i c s y s t e m wa s i n t r o d u c e d ．T h e s t r u c t u r e a n d wo r k i n g p ri n c i p l e o f d i r e c t a c t i n g t a p e r e d r e l i e f v alv e w e r e a n aly z e d ．I t s s t r u c t u r al w a s c o n s t r u c t e d，a n d t h e ma t h e ma t i c s mo d e l w a s b u i l t u p b a s e d o n t h e me c h a n i c al e q u i l i b r i u m e q u a t i o n s a n d t h e fl u i d c o n t i n u o u s e q u a t i o n s ．T h e i n fl u e n c e d e g r e e o f i t s r e l a t e d v a r i a b l e p a r a me t e r s o n t h e s t a t i c c h ara c t e ris t i c o f t h e r e l i e f v alv e w a s o b t a i n e d b y me a n s o f a n aly z i n g the p a r a me t e rs o f the ma the ma t i c s mo d e 1 ． Ke y wo r d sDi r e c t a c t i n g t a p e r e d r e l i e f v alv e ；Ho w c a p a c i t y；P r e s s u r e ；S t a t i c c h ara c t e ris t i c s 溢流阀是液压系统中使用最频繁的压力控制阀， 是构成液压回路不可或缺的阀⋯。当液压系统中执行 元件不需要更多的流量时，可通过溢流阀溢流将多余 的油液流回油箱，起到维持系统压力恒定、调节压力 大小的作用，即起给系统定压的作用。当液压系统的 压力达到或超过额定压力时，溢流阀阀门打开 ，将多 余的油液流回到油箱，以维持系统压力恒定或保护回 路的安全 ，即起安全阀的作用 。然而往油箱回流多 余的油液，会有压力能和热能损失掉。因此，溢流阀 的溢 流量尽 可能小 ，对应溢流 阀压力越小越好 。直动 式溢流阀按其阀芯的形状可分为球 阀式、圆柱滑 阀 式、锥型阀式等形式 。由于锥型阀式结构相对复 杂 ，对此型式阀的静态特性分析的文献目前还相对较 少，文中将以数学建模方式对此进行研究。 1 直动式锥型溢流阀结构及工作原理 图 1 为直动式锥型溢流阀结构的局部放大图。在 锥阀的下部有一阻尼活塞 3 ，活塞的侧面被铣扁 ，以 便将压力油引到活塞底部，该活塞除了能增加运动阻 尼以提高阀的工作稳定性外 ，还可以使锥阀自动导向 而在开启后不会倾斜。此外 ，锥阀上部有一个偏流盘 1 ，盘上的环形槽用来改变液流方向，一方面用以补 偿锥阀2的液动力 ；另一方面由于液流方向的改变， 产生一个与弹簧力相反方向的射流力 ，当通过溢流阀 的流量增加时，虽然因锥 阀阀口增大引起弹簧力增 加，但 由于与弹簧力方向相反的射流力同时增加，结 果抵消了弹簧力的增量 ，有利于提高阀的通流流量和 工作压力 。 从直动式锥型溢流 阀结构可 以看 出，锥 阀式 的阀 芯与阀套之间是一种线接触，阀芯与阀座都加工为锥 面，但二者的角度稍有不同，这不仅可以使接触接近 于线接触，而且通过合理设置二者锥角的大小，可以 改变油液经过阀口的状态，而且锥阀式结构所需密封 力小 ，容易达到密封的要求 ，另外阀芯只要很小的行 程就能通过很大的流量，通流能力大，因此锥阀结构 收稿 日期 2 0 1 21 21 2 作者简介曹文琴 1 9 7 8 一 ，女 ，博士研究生，讲师，研究方向为机械 自动化及工程管理等。E m a i l z h u p e t r e l c a o 1 6 3 ． c o m。 7 4 机床与液压 第 4 1卷 的溢流阀的流量特性及 动态特性 较好 。 l 一偏流盘2 一锥阀3 一 活塞 图 1 直动式锥型溢流阀结构 直动式锥型溢 流阀的性能计算 主要是静态特性计 算，对于动态特性问题 ，因为油液流动的复杂性以及 其他诸多因素，如应用线性的动态数学模型方法来进 行计算，常使动态特性的计算值和试验值之间存在有 很大的误差 。所以到目前为止，有使用价值的是通 过动态特性试验来发现问题 ，然后针对 问题提 出改进 措施，文中对此不给予研究。而描述任何液压阀的静 态特性的数学方程都是建立在以下两个原则上力学 平衡方程和流体连续性方程。文中主要对直动式锥型 溢流阀的静态特性进行理论方面的分析研究。 2 直动式锥型溢流 阀的静态数模分析 2 ． 1 建立结构简图 为了建立直动式锥型溢流阀的数学模型，需先画 出其结构简图。结构简图并不代表所研究对象的具体 结构，重点是要能反映出所研究对象的物理结构和受 力分析，以便能正确写出数学模型 。 直动式锥型溢流阀结构简图如图2所示。系统中 的工作压力油在压力P的作用下，以流量 q 进入溢流 阀。其中一部分流量 q 经阀口排入油箱，另一部分 流量经阻尼孔进入阀芯底部 ，以控制阀芯的开 口量 。因为阻尼孔有液阻 R，油液经阻尼孔时有压力损 耗 ，所以阀芯底部的压力油P 可能与系统 中的压力 油 P 不一样。阀芯的上部受到弹簧作用力，弹簧刚度 为 ，阀芯的下部有控制油压的作用力，承压面积 为A，阀口处液流使阀芯受到液动力，其中稳态液动 力的作用可以看成是弹簧的附加刚度 ，阀芯等运 动件的质量为 m，在运动中有惯性 ；相关的变量都标 注于图 2中。 图2溢流阀的基本参数定义描述如下 q 溢为从 溢流阀阀口流出来的流量 L ／ m i n ；q 为来 自油源的 流量 L ／ m i n ；P 为溢流 阀进油 口压力 P a ；P 为溢流阀阀芯底部压力 P a ；d为锥阀芯阀口直径 ； 为控制阀芯的开口量 m m ；R为阀进 口至阀芯底 部的液阻 9 ． 8 N s ／ c m ；砭 为弹簧的附加刚度 由稳态液动力转换而来 N ／ m ；K 为压阀弹簧刚 度 N ／ m ；A为溢流阀承压面积 m m 。 图2 直动式锥型溢流阀结构简图 2 ． 2 静态特性的数学建模 在对直动式锥型溢流阀进行静态分析时，阀芯上 要考虑的作用力有 弹簧力、端面上的液压作用力、 稳态液动力、库仑摩擦力。并且在做静态特性分析 时，要适当考虑压力调节范围、启闭特性，响应性与 密封性和卸荷压力等静态特性处于理想状态，但阀芯 的自重、各个容腔的容液和阀芯运动的速度所造成的 影响均忽略不计 。 2 ． 2 ． 1 锥 阀的液动力 F F 。 K 。 △ p 1 K s P l 1 其中液动力系数 K C C 叮 T d s i n 2 a ， △ p为溢流阀开 口处进出压力差值 ，即溢流阀进油 口 压力与出油 口压力差值；C 为修正系数，考虑控制 体积和阀体边界的影响，取 C K 。 ，所以 A q ／ a p 1 K 。 C d ，接 下来对 、C 这两个与溢流阀的静态特性紧密相关 的系数进行分析。 增大溢流阀阀口的流通面积的直径 d以及锥阀芯 的锥角 O l 可以增大 K，此时 c 虽有所减小，但由于 增大的速率要比 c 减小的速率大，因此 c 的 值将是增大；当d 、 增大，阀芯阀口的过流断面积梯 度增大，因此溢流阀的流量变化对阀所控制压力影响 较小，稳定性较好 ，但阀的动态过渡时间将有所增加。 也不宜过大，否则锥阀芯与阀套接触处的支反 力减小，将导致阀的密封性变差 ，但 O t 也不宜过小 ， 否则将影响阀的溢流性能。 对 c 影响较大的因素是过流面积 A和弹簧刚度 。如果增大阀芯底部受压面积A和减小弹簧刚度 ， 那么 C 将增大。而 K 1 的变化对 K 无影响，从而K c 大，有利于提高阀的启闭特性。在弹簧力一定情况 小 ，减小 势必将增大弹簧的预压缩量 ‰，即减小 x ／ x 的比值。所以，在溢流阀的流量发生变化时，因 阀芯移动而引起的 变化不大，因此溢流阀所控制的 压力比较稳定，这样可减小溢流阀的调压偏差。 3结论 首先建立了直动式溢流阀的静态数学模型，对溢 流阀的静态特性进行了详细的分析，得出了与溢流阀 的静态特性相关的参数及各个参数变化时对溢流阀的 静 态特性 影响的程度。 参考 文献 【 1 】张双娟． 先导式溢流阀静态特性理论分析[ J ] ． 机械研 究与应用， 2 0 1 2 2 1 51 7 ． 【 2 】 朱海燕 ， 曹文琴， 向毅． 铝合金液压阀岛溢流阀设计中结 构和计算的分析研究[ J ] ． 机床与液压， 2 0 1 2 ， 4 0 1 1 3 64 O ． 【 3 】 刘体龙， 魏效玲． 先导式溢流阀流量 一压力特性分析 [ J ] ． 河北建筑科技学院学报， 1 9 9 9 1 2 1 2 4 ． 【 4 】 王新华， 王思民， 温燕杰 ， 等． 水压比 例节流阀的滑阀静态 特性仿真分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 8 ， 3 6 1 2 6 4 6 6 ． 【 5 】向毅． 铝合金液压阀岛的研制 [ D] ． 广州 华南理工大 学 ， 2 0 0 5 ．