液壓滑閥閥芯卡緊力研究

張俊俊，劉罡，王江勇

(西南科技大學制造學院，四川綿陽 621010)

液壓滑閥在使用過程中經常出現閥芯卡緊故障，卡緊故障一般分為液壓卡緊與機械卡緊兩種［1］。液壓滑閥發生液壓卡緊現象非常普遍［2－3］，其主要原因是閥芯與閥套間隙內液體壓強分布不均，導致液體對閥芯產生徑向不平衡作用力，這個徑向不平衡力即為液壓卡緊力［3－4］。倒錐是產生液壓卡緊故障的主要形式之一［5］。滑閥在工作時，高壓腔與低壓腔反復交替，因此出現倒錐是不可避免的。為了防止液壓卡緊，只能進一步分析影響徑向不平衡作用力的因素，并采取合理的減小措施，實際應用時一般采用開設均壓槽來減小卡緊力［6］。文中利用ADINA軟件對滑閥進行數值模擬，研究偏心距、錐角、均壓槽的數量、位置、結構尺寸等對卡緊力的影響。

1 模型與計算條件

1.1 三維模型

圖1所示為滑閥閥芯卡緊模型結構簡圖，具體尺寸如表1所示。R為閥套的半徑，r1為閥芯凸肩的大端半徑，r2為閥芯凸肩小端半徑，α為錐角，e為偏心距，L為閥芯凸肩與的閥套形成的密封長度，h1為大端側縫隙高度，h2為小端側縫隙高度。

圖1 閥芯卡緊模型

表1 卡緊模型的結構尺寸

1.2 解析假定及邊界設定

分析模型具有平面對稱性，為了減少計算量，只對模型的一半進行計算。流體模型為層流，并假設閥腔內的湍流流動對間隙中的層流無影響。

縫隙流場與閥芯模型的接觸面設為流固耦合面;入口分別設5、10、20 MPa等3種不同的高壓;出口設為大氣壓0.101 3 MPa。液壓油的物理參數見表2，閥芯材料參數見表3。

表2 液壓油的物理參數

表3 閥芯材料參數

1.3 網格劃分

縫隙的厚度值遠遠小于縫隙的直徑與長度值，對整體模型設置單元長度后，由于厚度方向上結構尺寸過小，只能劃分出一層網格，這樣劃分的網格是不合理的。為了使計算結果更精確，在劃分網格時保證了厚度方向上至少有5層網格。

2 結果與分析

2.1 無均壓槽

2.1.1 偏心距對卡緊力的影響

圖2所示為在倒錐模型中錐角為0.04°時，卡緊力的大小隨偏心距與壓差的變化情況。當壓差相同時，偏心距越大卡緊力值越大;當偏心距相同時，壓差越大卡緊力值越大。當偏心距與壓差都大時，卡緊力值變得較大，能達到幾十牛甚至上百牛。卡緊力的方向與偏心方向相同，它將推動閥芯向閥套移動，加大偏心距，直到閥芯與閥套相接觸，導致閥芯卡緊。卡緊力對滑閥工作是有害的。

圖2 卡緊力大小(α =0.04°)

2.1.2 錐角對卡緊力的影響

閥芯凸肩在加工時產生的幾何誤差，使其呈現出微小的錐角。由于加工水平的限制，錐角是不可避免的。

圖3所示為在倒錐模型中偏心距為0.004 mm時，卡緊力的大小隨錐角的變化情況。

圖3 錐角大小對卡緊力的影響(e=0.004 mm)

從圖3中可以看出:其他條件相同時，卡緊力隨錐角增大而增大，但它們之間不呈線性關系。錐角大小在 0～0.01°之間，對應的圓度與圓柱度公差為1.7 μm，對卡緊力的影響很大，即卡緊力對小錐角很敏感。一般閥芯的圓度與圓柱度公差為3～5 μm［8］，如果只從提高加工精度來防止滑閥產生液壓卡緊故障，就必須將錐角控制到0.01°以下才能起到較好的效果，這必將大大地增加液壓閥的生產成本。

2.2 有均壓槽

2.2.1 均壓槽數量對卡緊力的影響

圖4所示為沿閥芯軸線方向均勻開設不同數量的矩形均壓槽，卡緊力的變化情況。分析模型中設置槽的深度為0.5 mm，寬度為0.5 mm。

從圖4中可以看出:開設均壓槽對減小卡緊力的效果比較明顯，開設1條時卡緊力減小到無槽時的40%左右，開設2條時卡緊力減小到無槽時的14%左右，開設3條時卡緊力減小到無槽時的10%左右，開設4條時時卡緊力減小到無槽時的1.5%左右。同時也看出其他條件完全相同時，開設2條均壓槽與3條均壓槽對減小卡緊力的作用效果相當，據此推測開均壓槽的位置對減小卡緊力可能存在影響。

圖4 均勻開設均壓槽(槽深0.5 mm，寬0.5 mm)

2.2.2 均壓槽位置對卡緊力的影響

圖5所示為均壓槽距高壓腔不同距離的分析模型，x取值為0.5～4 mm。

從圖6可知，均壓槽的開設位置對卡緊力的大小是存在影響的。在不同壓差下，卡緊力隨著均壓槽位置的變化趨勢基本一致，同時也可以看出均壓槽開設在高壓端對減小卡緊力的作用更明顯。在x=1.25 mm時卡緊力最小，即均壓槽在離高壓腔距離為凸肩全長的1/4處時，對減小卡緊力的效果最佳。2.2.3 均壓槽非均勻布置對卡緊力的影響

圖5 均壓槽位置

圖6 均壓槽位置對卡緊力的影響

從圖7中可以看出:非均勻開設均壓槽比均勻開設對減小卡緊力的效果好。非均勻開設時，開設1條時卡緊力減小到無槽時的13.3%左右，開設2條時卡緊力減小到無槽時的8.9%左右。

圖7 非均勻開設均壓槽

2.2.4 均壓槽結構尺寸對卡緊力的影響

從上面計算分析可知:當其他條件完全相同時，壓力差只是改變卡緊力的大小，而不影響卡緊力隨某一因素變化的趨勢。在以下計算分析時，只設置了入口壓力為5 MPa、平衡槽位置x=1.25 mm時的一種模型。圖8所示為均壓槽寬度為0.5 mm時，卡緊力的大小隨槽深的變化情況。

從圖8可知:槽的深度太淺達不到減小徑向力的目的，槽的深度過大雖能起到減小徑向力的作用，但會影響閥芯的強度，槽深取0.4 mm時卡緊力達到最小。

圖9所示為均壓槽深為0.4 mm時，卡緊力的大小隨槽寬的變化情況。

圖8 平衡槽深度對卡緊力的影響(槽寬0.5 mm)

圖9 均壓槽寬度對卡緊力的影響(槽深0.4 mm)

從圖9可以看出:槽的寬度太小達不到減小卡緊力的目的，槽的寬度過大能雖能起到減小卡緊力的作用，但會增大液壓油的泄漏，槽寬取0.3 mm比較理想。

3 結論

液壓滑閥的閥芯存在幾何誤差和閥芯閥套配合存在同軸度誤差，當滑閥工作時，閥芯閥套的配合間隙中的液壓油將對閥芯產生卡緊力，不利于滑閥正常工作。

當其他條件一樣時，偏心距越大卡緊力越大、壓力差越大卡緊力越大。卡緊力對小錐角比較敏感，小錐角在加工中是不可避免的。如果只是用提高加工精度的方式來減小卡緊力所能起到的效果不太明顯。因此應同時采取其他方法減小卡緊力。

閥芯上開設均壓槽有助于減小卡緊力。均壓槽開設在離高壓端距離為凸肩全長的1/4處，卡緊力能達到最小;沿閥芯軸線方向非均勻開均壓槽比均勻開設對減小卡緊力的作用更明顯。均壓槽的寬度為0.3 mm、深度為0.4 mm時減小卡緊力的效果比較理想。

［1］王麗梅，劉寶田.液壓換向閥閥芯卡緊故障分析［J］.液壓與氣動，1999(3):38－39.

［2］趙艷平.圓柱滑動副中液壓卡緊力的解決方案［J］.流體傳動與控制，2005(11):11－13.

［3］楊存花.液壓卡緊的原因及其消除措施［J］.有色冶金節能，2003(4):50－51.

［4］王麗梅，劉寶田.液壓換向閥閥芯卡緊故障分析［J］.液壓與氣動，1999(3):38－39.

［5］雷天覺.液壓工程手冊［M］.北京:機械工業出版社，1990:8－31.

［6］陳奎生，周雯娟，郭媛，等.基于Fluent的液壓滑閥閥芯卡緊力研究［J］.機床與液壓，2011，39(15):113 －115.

［7］左倩.液壓卡緊現象淺析［J］.揚州職業大學學報，1998(2):24－27.