2D電液比例換向閥閥芯卡緊力分析

劉國文　阮　健　李　勝　孟　彬　左希慶

1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州，3100142.湖州職業技術學院，湖州，313000

2D電液比例換向閥閥芯卡緊力分析

劉國文1,2阮健1李勝1孟彬1左希慶1,2

1.浙江工業大學特種裝備制造與先進加工技術教育部重點實驗室，杭州，3100142.湖州職業技術學院，湖州，313000

針對2D電液比例換向閥閥芯卡滯現象，應用縫隙流動原理，對2D閥芯有無偏心情況下的徑向卡緊力進行系統理論分析，得到2D閥芯液壓卡緊力計算方法；運用MATLAB軟件進行數值計算，得出2D閥芯徑向卡緊力與偏心量和高低壓孔夾角間的關系；根據2D閥特性，提出2D電液比例換向閥閥芯改進措施，應用Fluent 軟件對閥芯表面的流場進行CFD仿真分析，比較了改進前后的流速矢量和壓力分布情況，驗證了改進措施的正確性。改進后的2D電液比例換向閥在中高壓實驗中無“卡滯”現象出現，實現了高壓大流量的比例控制。

2D；電液比例換向閥； 卡滯； 徑向力；縫隙流動

0　引言

現有的電液比例換向閥一般采用直動式結構和導控式結構兩種設計方案[1]。直動式比例換向閥或流量閥一般采用滑閥結構，因此容易受到摩擦力及油液污染的影響出現卡滯現象[2]。導控型電液比例閥一般采用直動式比例換向閥作為導閥，要獲得較好的比例控制特性，導閥閥芯與閥芯孔之間必須具有較好的配合精度，否則容易出現卡滯現象，并在主閥上放大，對整個比例閥的特性產生較嚴重的不利影響。2D電液比例換向閥集直動、導控于一體，它通過壓扭聯軸器將2D換向閥與比例電磁鐵相結合，使其兼具直動式和導控式電液比例換向閥的優點，實現高壓大流量的比例控制。與傳統滑閥一樣，2D電液比例換向閥也存在液壓卡緊的現象，主要表現為：中高壓(如15 MPa以上時)情況下，閥芯卡緊力加大，導致流量無法上升。究其原因，其實質都是由于油液的壓力引起閥芯所受的徑向力不平衡導致的[3]。

不同于傳統滑閥的是，2D電液比例換向閥可靈活利用其旋轉自由度在具體結構設計上消除徑向不平衡力，且2D電液比例換向閥特有的雙自由度換向從根本上避免了由液壓油污染造成的液壓卡緊現象。經過合理設計，可以降低甚至杜絕卡緊故障的發生。因此本文對2D電液比例換向閥閥芯卡緊現象及其徑向力作系統分析，有助于2D電液比例換向閥的優化設計及性能提高，及2D閥設計理論體系完善。

1　傳統閥芯卡滯分析

滑閥副幾何形狀誤差和同軸度變化所引起的徑向不平衡液壓力(即卡緊力)是傳統閥芯產生液壓卡緊現象的主要原因。當閥芯有一定錐度(錐部大端面向高壓腔)時，此時軸心線平行但有偏心，從而產生徑向不平衡力，該力使得閥芯與閥孔間的偏心距變大，當兩者表面接觸時，徑向不平衡力最大。當閥芯表面有凸起且在閥芯高壓端時，閥芯與閥孔的中心線不再平行，此時徑向不平衡力最大，該力將閥芯的高壓端凸起部分推向孔壁[3]。

當閥芯所受的徑向力變大并超過一定程度時，閥芯與閥孔之間的油膜被破壞，閥芯與閥孔間的摩擦變成半干摩擦乃至干摩擦，能夠將閥芯直接卡死。

2　2D閥閥芯卡滯分析

2.12D閥閥芯結構及原理

2D電液比例換向閥閥芯結構如圖1所示，其兩端臺肩上按一定角度分布一對高低壓孔(b、c和d、e)，兩個高壓孔P口通過閥芯內部通道相連，低壓孔通過T口相通；閥芯兩端的高低壓孔與閥體上的直槽感受通道相交，形成兩個微小的開口面積，串聯構成液壓阻力半橋，感受通道與兩端敏感腔相通，從而控制敏感腔的壓力變化[4]。當閥芯旋轉時，高低壓孔與感受通道相交的面積發生變化，導致兩端敏感腔壓力發生變化，壓力差使閥芯軸向失去平衡產生向左或向右的移動[4]。

圖1　閥芯結構

2.22D閥閥芯縫隙流動分析

由2D閥閥芯結構可知，圖2中閥芯臺肩上高壓孔向低壓孔的泄漏流動可近似認為是傾斜壁面縫隙間的流動，其間隙高度是轉角的函數[5]。由于縫隙是微小量，故其泄漏量為

(1)

(2)

式中，Q為泄漏量,L/min; b為間隙寬度,mm;hθ為間隙高度，mm;μ為油液動力黏度，Pa·s; r0為閥芯半徑，mm;dF為微小卡緊力，N;dθ為微小轉角，(°)；C為流量系數，取為0.62。

理想狀態下，2D閥閥芯無偏心，間隙高度hθ為定值，由式(2)可知圖2中上側壓力與下側壓力相等，該力在同一方向上合力大小相等，方向相反，因此只會產生微小阻力矩，不會導致卡緊現象產生，其受力分布如圖3所示。

圖2　感受通道與高低壓孔位置關系

圖3　無偏心時壓力分布

2D閥閥芯發生旋轉或由其他原因引起偏心時，間隙hθ隨轉角θ發生變化，導致上下側壓力分布發生變化，如圖4所示，由于油液始終從高壓孔向低壓孔泄漏，上側縫隙流動為從P′到T，下側流動為從P到T′, 可判定P′到T為漸擴縫隙流動，P到T′為漸縮縫隙流動。

圖4　有偏心時壓力分布

對于漸擴縫隙流動，由伯努利方程可知，其流速會增大，因而其壓力會減小。由圖4可得

hθ1=lAB=lOB-lOA=

r0-(ri+ecosθ)=δ-ecosθ

(3)

δ=r0-ri

式中，lAB為A、B兩點的距離；lOB為O、B兩點的距離；lOA為O、A兩點的距離；ri為偏心時圓心與壁面的距離變量；e為偏心距。

對于漸縮縫隙流動，同樣由伯努利方程可知，其流速會減小，因此其壓力會增大，可得

hθ2=lAB=lOB-lOA=

r0-(ri-ecosθ)=δ+ecosθ

(4)

由于δ和e同為微小量，為計算方便，可近似認為

δ≈e

(5)

由式(2)和式(3)得到漸擴縫隙流動中F對θ的微分式為

(6)

由式(2)和式(4)得到漸縮縫隙流動中F對θ的微分式為

(7)

令

對式(6)積分得

(8)

θ∈(-θ0,π-θ0-2φ)

式中，θ0為閥芯偏心量；φ為高低壓孔半夾角；FA1為對上壁面積分得到的壓力。

對式(7)積分得

(9)

θ∈(π-θ0,2π-θ0-2φ)

式中，FA2為對下壁面積分得到的壓力。

FA1和FA2在水平方向和垂直方向上的分量分別為

(10)

由此可得，2D閥芯水平和垂直方向的卡緊力分別為

FX=FA2cosθ-FA1cosθ

(11)

FY=FA2sinθ-FA1sinθ

(12)

由此可得2D閥芯徑向卡緊合力為

(13)

FA2∈(-θ0,π-θ0-2φ)

FA1∈(2π-θ0-2φ,π-θ0)

2.32D閥芯卡緊力數值計算

圖5　F、θ0和φ關系

由于卡緊力F為零時式(10)為隱函數，無法精確計算出θ0和φ的數值，從圖6可看出卡緊力F趨近于零時，θ0和φ相差不大。

圖6　F=0時θ0與φ關系曲線

2D閥設計中，高低壓孔半夾角φ取決于敏感通道的寬度。φ過小時，敏感腔的壓力變化不大，會導致響應速度變小；φ過大時，其卡緊力會隨之升高，且閥的體積會變大，因此高低壓孔半夾角φ一般取值范圍為[π/16,π/8]。 當φ值固定時，卡緊力F隨θ0的變大而增大，當θ0≈π/8時，F趨近最大值，增長趨緩，如圖7所示。

圖7　φ取定值時F與θ0的關系曲線

3　改進措施

為了最大限度地減小閥芯液壓卡緊力，滑閥閥芯一般采用以下措施[7-8]：①提高閥的加工和裝配精度，避免偏心產生，但該措施受限于加工成本；②在閥芯臺肩上，加工幾道一定尺寸的均壓槽，可起到平衡徑向力的作用；③通過控制器對電磁鐵加高頻小振幅的顫振信號，使閥芯沿軸向或圓周方向產生高頻小振幅的振動或擺動；④提高油液清潔度。考慮到2D電液比例換向閥自身結構的特點，2D閥芯除采用上述措施外，還可采取特有的改進措施：在每個高低壓孔口上方均加工一弓形平面沉槽，如圖8所示，高低壓孔加工于弓形槽平面上，閥芯與閥體裝配后，弓形高低壓孔沿閥芯周向的切邊與直槽感受通道的切邊平行。這種方法不但增大了閥的導控面積梯度和導控流量，從而縮短閥的響應時間，而且還增大了高低壓孔之間的空間，使高壓孔到低壓孔之間的縫隙流動更為均勻，大大減小了由于高低壓孔之間縫隙流動所導致的徑向不平衡力[9-11]。

圖8　弓形高低壓孔閥芯

上述改進措施會導致高低壓孔之間的泄漏量有所增大，經計算可知：只要保持高低壓孔之間距離適當，可控制該泄漏量至最小，其降低2D閥芯卡緊力的效果應較為明顯。

4　仿真分析

應用Fluent軟件對閥芯表面的流場進行CFD仿真分析，仿真參數如表1所示。分析了閥芯改進前后閥芯和閥芯孔壁面之間液流的速度分布和壓力分布，可直觀發現2D閥在消除液壓卡緊力方面有獨特的優勢，合理設計，可降低甚至根除液壓卡緊力[12]。

表1　仿真參數

4.1流場流速分析

圖9所示為閥芯改進前后上下壁面液流的速度分布情況。仿真結果表明：閥芯改進前，上下壁面的速度場中液流速度都比較快，導致局部壓力過高，從而壓迫上下壁面反作用于閥芯，產生偏心力，且該偏心力隨液流變化而變化，呈無序狀態；而改進后液流所經過的容腔體積變大，速度分布明顯趨緩，偏心力變小，閥芯卡緊力得到控制。

(a)上壁改進前

(b)上壁改進后

(c)下壁改進前

(d)下壁改進后圖9　速度分布

4.2壓力分布分析

圖10和圖11為閥芯改進前后上下壁面壓力的分布曲線。對其對稱壁面所受壓力分布進行對比可以看出， 閥芯改進前，壓力分布比較集中，較易出現壓力極值，這是形成機械卡緊的主要原因；改進后其對稱壁面的壓力分布曲線面積大致相等，表明壓力分布趨于平衡，有效地減小了閥芯卡緊力。

圖10　上壁壓力改進前后曲線

圖11　下壁壓力改進前后曲線

5　結論

(1)應用縫隙流動原理和MATLAB軟件分析，得到2D閥芯徑向卡緊力與偏心量和高低壓孔夾角間的關系，2D閥芯卡緊力F隨著偏心量θ0或高低壓孔夾角φ的增大而變大。

(2)2D電液比例換向閥閥芯徑向不平衡力與2D閥自身結構有關聯，通過合理設計高低壓孔的分布方式和閥芯旋轉角度，可降低甚至根除液壓卡滯故障。

(3)提出降低2D閥閥芯卡緊力的改進方案，運用Fluent軟件分析了閥芯改進前后液壓卡緊力的分布情況，驗證了該方案的正確性。

(4)改進后的2D電液比例換向閥在中高壓實驗中無卡滯現象出現，實現了高壓大流量的比例控制。

[1]黎啟柏. 電液比例控制與數字控制系統[M]. 北京：機械工業出版社, 1997.

[2]李偉,李偉波,吳根茂,等. 滑閥機構液壓卡緊無傳感器診斷方法研究[J].中國機械工程,1999, 10(4)：1093-1096.

LiWei,LiWeibo,WuGenmao,etal.TheResearchofSensorlessDiagnosticApproachforSpoolClamping[J].ChinaMechanicalEngineering，1999, 10(4)：1093-1096.

[3]王積偉. 液壓傳動[M]. 北京：機械工業出版社, 2007.[4]RuanJ，BurtonR，UkrainetzP.AnInvestigationIntotheCharacteristicsofaTwoDimensional“2D”FlowControlValve[J].JournalofDynamicSystems,Measurement, 2002，124:214-220.[5]盛敬超. 液壓流體力學[M]. 北京：機械工業出版社, 1980.

[6]薛定宇,陳陽泉. 高等數學應用問題的Matlab求解[M]. 北京：清華大學出版社,2004.

[7]裴翔，李勝，阮健. 轉閥閥芯卡緊現象的分析及減小措施[J]. 機床與液壓，2000(5):74-78.

PeiXiang,LiSheng,RuanJian.TheAnalysisandImprovementofSpoolClampingforRotaryValve[J].MachineTool&Hydraulics, 2000(5):74-78.

[8]姜燕，王文漢，賈占良. 高精度液壓滑閥卡緊問題分析與改善[J]. 機床與液壓，2011(9):112-114.

JiangYan,WangWenhan,JiaZhanliang.TheAnalysisandImprovementofHighPrecisionSpoolClamping[J].MachineTool&Hydraulics, 2011(9):112-114.

[9]李勝. 2D伺服閥數字控制的關鍵技術的研究[D]. 杭州：浙江工業大學, 2011.

[10]LiSheng，RuanJian,BurtonR,etal. 2DSimplifiedServoValve[J].ChineseJournalofMechanicalEngineering,2003,16(2):132-135.

[11]阮健. 電液(氣)直接數字控制技術[M]. 杭州：浙江大學出版社，2000.

[12]韓紅彪,高善群,李濟順. 圓盤轉子流體阻力分析與試驗研究[J].中國機械工程, 2013, 24(15)：2093-2096.

HanHongbiao,GaoShanqun,LiJishun.FluidResistanceAnalysesandExperimentalResearchofDiscRotor[J].ChinaMechanicalEngineering，2013，24(15)：2093-2096.

(編輯王艷麗)

Analysis of Spool Cliping Force for 2D Electro-hydraulic Proportional Directional Valve

Liu Guowen1,2Ruan Jian1Li Sheng1Meng Bin1Zuo Xiqing1,2

1.Key Laboratory of Special Purpose Equipment and Advanced Processing Technology,Ministry of Education，Zhejiang University of Technology,Hangzhou,310014 2.Huzhou Vocational & Technical College,Huzhou,Zhejiang,313000

To solve clamping malfunction of the spool which was caused in the 2D electro-hydraulic proportional valve under high pressure situation, applicating the theory of gap flow, the radial force of 2D valve under eccentric and non-eccentric situations was systematically analyzed and a computational formula of 2D valve clamping force was deduced.Using software MATLAB the analysis result was calculated to get the relationship between 2D valve clamping force and the eccentricity with the angle between the high pressure and low pressure holes. Based on the 2D valve’s property, the improvement measures of solving spool clamping malfunction were put forward, The flow field of the spool surface was CFD simulated and analysed by using Fluent software. Based on the velocity vector and pressure distribution of the spool, the improvement measure of solving spool clamping malfunction is proved correct. The design philosophy of 2D electro-hydraulic proportional valve is improved, high pressure and large flow proportional control is achieved in improved 2D electro-hydraulic proportional valve.

2D；electro-hydraulic proportional valve；clamping；radial force；gap flow

2014-10-11

國家自然科學基金資助項目(51375445)；國際科技合作專項資助項目(2011DFA72690)；浙江省自然科學基金資助項目(LZ13E050002)；湖州市科技局基金資助項目(2013YZ10)

TH137DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.15.002

劉國文，男，1976年生。浙江工業大學機械工程學院博士研究生，湖州職業技術學院機電與汽車工程學院講師。主要研究方向為流體控制元件及電液數字控制研究。發表論文10余篇。阮健，男，1963年生。浙江工業大學機械工程學院教授、博士研究生導師。李勝，男，1968年生。浙江工業大學機械工程學院教授、博士。孟彬，男，1979年生。浙江工業大學機械工程學院講師、博士。左希慶，男，1975年生。浙江工業大學機械工程學院博士研究生，湖州職業技術學院機電與汽車工程學院副教授。