锥阀芯稳态液动力补偿研究.pdf

2 0 1 3年 l 0月 第 4 1 卷 第 1 9期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAUL I CS Oc t ． 2 01 3 Vo 1 ． 4l No ． 1 9 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 3 ． 1 9 ． 0 0 6 锥阀芯稳态液动力补偿研究 刘桓龙 ，洪威 ，王 国志 ，晏静 江 西南交通大学机械工程学院，四川成都 6 1 0 0 3 1 摘要溢流阀主阀芯的稳态液动力使溢流阀存在较大的调压偏差 ，降低了其静态性能指标。采用在溢流阀主阀芯 锥 阀芯上加突缘结构来补偿稳态液动力。采用 C F D工具对主阀口流场进行仿真，研究突缘结构尺寸、位置及阀芯锥角对主 阀芯稳态液动力补偿的影响。结果表明突缘结构能实现阀芯液动力补偿，但随着阀芯开 I 1 量的增加，补偿会由欠补偿变 为过补偿；当突缘长度为0 ． 5 m m、距离阀座为 1 m m时，液动力补偿效果最好。 关键词溢流阀；锥阀芯；稳态液动力；突缘结构；补偿 中图分类号T H 1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 3 1 9 0 2 2 3 Re s e a r c h o n S t a t i c Ch a r a c t e r i s t i C S o f Re l i e f Va l v e wi t h o ut Pr e s s ur e 0v e r s h o o t L I U Hu a n l o n g ，H O N G We i ，WA N G G u o z h i ， Y A N J i n g j i a n g S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e r s i t y ，C h e n g d u S i c h u a n 6 1 0 0 3 1 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e s t e a d y s t a t e fl o w f o r c e o f t h e r e l i e f v a l v e ’ S ma i n v a l v e ma k e s t h e v a l v e e x i s t l a r g e p r e s s u r e r e g u l a t i n g d e v i a t i o n ， i t h a s l o we r t h e s t a t i c p r o p e r t y o f t h e v Mv e ．T h e i d e a o f c o mp e n s a t i n g t h e s t e a d y s t a t e fl o w f o r c e b y p l a c i n g a fl a n g e s t r u c t u r e o n t h e ma i n v a l v e p o p p e t v a l v e w a s a d o p t e d ．T h e m a i n v alv e ’ S fl u i d fi e l d w a s s i m u l a t e d b y u s i n g C F D， t o r e s e a r c h t h e e f f e c t o f d i m e n s i o n ，p o s i - t i o n o f t h e fl a n g e a n d c o n e a n g l e o f p o p p e t v Mv e o n c o mp e n s a t i o n o f s t e a d y - s t a t e f l o w f o r c e ．T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fl a n g e s t ruc t u r e c a n c o mp e n s a t e t h e f l o w f o r c e o f t h e v a l v e ， b u t wi t h t h e i n c r e a s i n g o f t h e v a l v e o p e n i n g，t h e c o mp e n s a t i o n w i l l c h a n g e f r o m u n d e r c o m p e n s a t i o n t o 0 v e r c 0 mp e n s a t i o n ． T h e c o mp e n s a t i o n e f f e c t w i l l r e a c h t h e b e s t wh e n t h e l e n h o f fl a n g e s t ruc t u r e i s 0 ． 5 mm a n d t h e d i s t a n c c fro m t h e v a l v e s e a t i s 1 mm． Ke y wo r d s Re l i e f v a l v e ；P o p p e t v a l v e ； S t e a d y s t a t e fl o w f o r c e ；F l a n g e s t ruc t u r e ； C o mp e n s a t i o n 溢流阀是液压 回路中非常重要的元件，通过溢流 来使系统压力保持不变或不超过限定值 ，对系统起保 护作用。稳定工作时，油液通过阀芯，由于动量变化 产生对阀芯的附加作用力 ，称为稳态液动力 。稳态 液动力会增大溢流阀调压偏差，因此，若能对阀芯稳 态液动力进行有效补偿 ，将有利于提高溢流阀的静态 性能 。 目前 ，对滑阀的稳态液动力补偿研究 比较充分和 成熟，有流道改造法、径 向开孔法、非全周开 口法 等 。而关于锥阀稳态液动力补偿的研究很少 ，主要 有 突缘结 构法 ⋯和 阀套 运 动法 。作者 以某溢 流 阀 的主阀芯为对象 ，在主阀芯上加突缘结构 ，建立锥阀 芯流场 三维 模 型 ，并 在 I C E M C F D中划 分 网 格 ，用 C F X仿真原始结构和带补偿结构的主阀流场 ，分析 阀芯受力情况 。 1 主阀几何结构 溢流阀主阀芯加突缘结构后的结构如图 1 所示。 图 1 溢流阀主阀芯改进结构 稳态液动力是 由于油液通过 阀 口时动量发生改变 产生的。对于锥阀，不带补偿结构时，由动量定理可 得阀芯稳态液动力为 设使阀芯趋于关闭时的液 动力为负值 F 液一 p Q v 2 C O S O ／ 一 p Q v 1 1 式 中 P为油液 密度 ； Q为阀口流量； 收稿 E t 期 2 0 1 2 0 9 2 7 基金项目中央高校基本科研业务费专项资金资助项目 S WJ T U 1 1 C X 0 2 5 作者简介刘桓龙 1 9 7 7 一 ，男，工学博士，副教授，主要从事流体传动及控制和机械电子领域的科学研究。Em a i l 438 9 8 921 2 qq ．c on。 第 1 9期 刘桓龙 等锥阀芯稳态液动力补偿研究 2 3 为锥 阀芯半锥角 ； ， 分别 为油液进入 阀口前后 的速度 。 由于 阀I 1 通 流 面积很 小 ，所 以 V 远 大 于 ，稳 态液动力可近似等于 - p Q v C O S O ／ 。 阀芯带突缘补偿结构时，由于突缘的阻挡 ，油液 流出阀口后的方向基本与阀芯轴向垂直 ，油液在轴向 上的动量几乎为零 ，此时，阀芯所受稳态液动力 为 一 。 的值很小 ，因此 ，阀芯稳态液动力将 大大减 少 ，实现 阀芯稳态液动力 补偿 。 2 计算建模 2 ． 1 网格 划 分 在 P r o ／ E中建立主阀芯流场的三维模型 ，然后导 入到 I C E M C F D中划分 四面体网格。由于节流作用 ， 阀口处液体压力和速度梯度大，所以在此处对网格进 行局部加密。主阀芯流场的网格如图2所示。为了与 带突缘结构的主阀进行对 比，同时建立主阀流场的原 始模型，划分网格 ，并在同等条件下进行 C F D仿真。 图2 带突缘结构的主阀流场四面体网格 2 ． 2 仿真条件及参数设置 设油液为不可压缩流体 ，湍流模型采用 k s模 型。具体仿真参数设置见表 1 所示。 表 1 仿真 参数设置 油液密 度 p ／ k g m 动力黏度 P a s 入 口压 力 P 1 ／ MP a 出口压力p 2 ／ MP a 8 70 0 ． 051 1 6 0 2 ． 3 阀芯稳态液动力的计算 阀关闭时，主阀芯受到的液体静压力为 F 0 P “IT 2 式 中 d为阀座孔直径。 阀开启 时 ，主阀芯受力设为 F，则 阀芯受到 的稳 态 液动力 为 F 液 F F 0 3 通过 C F D仿真 ，可以得出阀芯上的液压力分布， 然后在阀芯轴向上进行积分 ，就可以得出阀芯开启时 受到的液压力 F 。根据公式 3 ，就可以计算得出阀 芯稳态液动力值的大小。为了便于比较，取量纲为一 的量 F 滴 ／ 来判断稳态液动力的大小。 3仿真结果分析 3 ． 1 突缘长度对稳态液动力补偿影响 首先保持阀芯开口为 0 ． 2 m m不变，突缘长度分 别为0 ． 3 、0 ． 5 、1 m m。仿真在不同进出口压差下 阀 芯所受的稳态液动力，结果如图3和图4 所示。 置 昌 二 面 爝 Ⅱ 匿 图3 不同压差下的阀芯稳态液动力 图4 不同压差下的阀口通流量 由图 3 可知 原始结构锥 阀芯 的稳态液动力随着 压差的增大而线性增大，这与理论一致；带突缘结构 锥 阀芯 的稳态液动力远小于原始结构锥 阀芯 的稳态液 动力 ，且随压差 的增 大 略有减少 ；突缘长 度 越大 ， 稳 态液动力值越小 ，补偿越充分。由图 4可知 带 突 缘结构的阀芯流量略大于原始结构阀芯的流量，说明 突缘结构能略增大 阀芯的通流能力 。 保持主阀进出口压差为1 6 M P a ，突缘长度分别 为0 ． 3 、0 ． 5 、1 m m。仿真在不 同开口量下，主阀原 始结构和带突缘结构稳态液动力大小的变化 ，结果如 图 5和 图 6所示 。 0舶枷枷铷m m 量 R稃瓣 柏 2 4 机床与液压 第 4 1 卷 昌 营 二 面 Ⅱ 匿 一原始结 构 图5 不同突缘长度对液动力补偿的影响 阀芯 开 口量， mm 图 6 不同突缘长度下的阀口流量 由图 5和图 6可知 各开 口量下 ，突缘结构 阀芯 的稳态液动力都明显小于原始结构的稳态液动力 ；随 着开 口量的增大，突缘结构阀芯的稳态液动力由负值 逐渐增大到正值 ，即由欠补偿逐渐变为过补偿。对于 单一锥阀而言，正的稳态液动力 即使阀芯趋于开 启 的液动力 对 阀 的稳定 性 有影 响 ，因此 ，过补 偿 量越小越好 。突缘长度对稳态液动力补偿效果也有较 大的影响 。当开 口量较大时 ，突缘长度 越长 ，过补偿 量也越大 。当突缘长度小 于0 ． 5 m m时 ，过 补偿量 较 小，补偿效果较好。由图6可得 压差为 1 6 M P a 时， 突缘结构对 阀的通流能力几乎没有影响 。 3 ． 2 突缘距阀座高度对稳态液动力补偿影响 保持突缘长度 为 0 ． 5 m m不变，改变突缘高度 分别为 1 、1 ． 5和2 m m，进行 C F D仿真，观察阀芯在 不 同开 口量下 的液动力补偿效 果 ，结果 如图 7和 图 8 所示 阀芯 开 口量， mm 图7 突缘高度对液动力补偿的影响 由图7可知 对于带突缘的阀，当阀芯开 口量较 小，液动力为负值 时，突缘结构距阀座的高度越大， 液动力绝对值越小 ，补偿效果越好 ；当阀芯开口量较 大 ，液动力处于正值时，突缘结构距 阀座的高度越 大 ，液动力值越大 ，补偿效果越差；这说明突缘结构 的补偿力 随着其距 阀座高度 的增大而增大 。所 以 ，对 于具体的溢流阀，如果流量要求较大，开 口量大 ，则 可以适 当减少突缘结构距 阀座 的高度来减少稳 态液动 力值 ；反之 ，则适 当增大 突缘结构距 阀座的高度。 宣 昌 ● 面 媾 Ⅱ 座 阀 芯 开 口量 ， m 图8 不同突缘高度下的阀口流量 同时，图8继续说明了突缘结构对主阀的通流能 力几乎没有影 响。 3 ． 3 阀芯锥 角对稳态液动力补偿影响 保持突缘长度 为 0 ． 5 m m，突 缘 高度 日为 1 ． 5 m m，分别仿真阀芯锥角在9 0 。 、1 0 5 。 和 1 2 0 。 ，不同开 口量下的流场 ，液动力补偿效果和阀口通流量分别如 图 9和 图 1 0 所示 。 、 暑 宕 二 面 燔 Ⅱ 厦 图9 阀芯锥角对液动力补偿的影响 阀 芯开 口量／ mm 图 1 0 不 同阀芯锥角 的阀 口流量 由图 9和 图 1 0可知 随着 阀芯锥 角增 大 ，稳 态 液动力越大 ，补偿效果下降；阀芯锥角为9 0 。 时，稳 态液动力的值明显小于锥角为 1 2 0 。 的稳态液动力值 ， 补偿效果要好 ，但是流量相对于锥角为 1 2 0 。 的锥 阀 有较大的下降。 这样通过同样的流量 ，9 0 。 的阀开口 下转第 2 8页 _ _ l l ， v． ． 2 8 机床与液压 第 4 1 卷 下 ，间歇送纸电机同步的问题 ，提出送纸电机做高 响应的梯形加减速运动及具体参数的推导过程 ，进而 对送纸电机的运动进行合理规划 ，使其满足实际工艺 的需要，确保在动刀每一次剪纸前纸芯及时被送到 位 。 3 通过对送纸触发条件的研究 ，提出动刀位置 须同时满足两个条件，使送纸控制器中两个相应的标 志位置位，才使送纸电机启动送纸，确保送纸时机的 准确 性 ， 4 送纸系统方案 中，将送纸控制部分 的程序 单独编译生成并下载到运动控制器中的下位机芯片中 运行 ，确保 间歇送纸 的实时性 。 5 对蜂窝纸芯生产线的关键装备剪纸和送纸 系统进行 了研究 ，提 出了一种同步控制方法 ，对相关 间歇送料配合高速剪切、冲裁、锻压、印刷、缝纫等 系统的同步控制有参考价值。 参考文献 【 1 】N I L S S O N E ， N I L S S O N A C ． P r e d i c t i o n a n d M e a s u r e m e n t o f S o me Dy n a mi c P r o p e r t i e s of S a n d wi c h S t r u c t u r e s wi t h Ho n e y c o m b a n d F o a m C o r e s [ J ] ． J o u r n a l o f S o u n d a n d V i b r a - 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