具有孔道沉槽的滑閥過流面積分析

張立杰　王力航　王　帥　李德新

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

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具有孔道沉槽的滑閥過流面積分析

張立杰1,2王力航1王帥1李德新1

1.燕山大學河北省重型機械流體動力傳輸與控制重點實驗室，秦皇島，0660042.先進鍛壓成形技術與科學教育部重點實驗室，秦皇島，066004

多路閥以其高集成度被廣泛應用于工程機械領域，其中閥口形式對多路閥流量控制特性具有重要影響。對于閥體上開有孔道沉槽、節流面為常見的圓柱面和圓錐面兩種滑閥閥口形式的多路閥，根據其結構特征及內部流場壓力分布和速度變化情況，利用等效閥口面積理論，推導了圓柱面閥口和圓錐面閥口過流面積計算公式。利用流場仿真對計算結果進行了修正，采用實驗手段驗證了計算結果的準確性。研究結果對滑閥閥芯的多路閥設計及性能預測具有一定參考價值。

多路閥；孔道沉槽；閥口過流面積；流場仿真

0　引言

工程機械液壓系統中，多路閥依靠滑閥閥芯凸肩限制液流的流量，從而控制執行機構的運動速度、方向等。滑閥因結構形式多、控制性能良好，在液壓閥中有著廣泛應用[1]。按照不同標準,滑閥存在多種分類方法[2]，其中，按閥體窗口形狀劃分，滑閥可分為矩形窗口、圓形窗口、三角形窗口等，矩形窗口又可分為全周開口型閥口和非全周開口型閥口。多路閥中廣泛采用的閥口節流槽結構(如U形、V形、K形及其組合等)多屬于矩形窗口非全周開口形式，對于這種結構形式，文獻[3-4]在節流槽滑閥閥芯過流面積計算、穩態液動力特性及氣穴噪聲特性等方面展開了較為系統的研究。另一方面，圓形窗口形式滑閥以其優良的工藝特性在多路閥中也有較多應用。

本文提出了一種帶有孔道沉槽結構且閥芯凸肩為圓柱面和圓錐面兩種形式的圓形窗口滑閥閥口過流面積的計算方法。孔道沉槽是指加工在閥孔對側，且與窗口相同直徑的沉槽，孔道沉槽結構可有效提高圓形窗口的通流能力。本文針對圓柱面與圓錐面兩類滑閥閥芯凸肩結構特征，應用等效閥口面積理論，推導閥口過流面積隨閥口開度的函數關系并利用流場仿真和實驗手段對計算結果進行修正和驗證。

1　圓形窗口滑閥閥口過流面積分析

1.1圓柱面閥芯凸肩過流面積分析

采用圓柱面閥芯凸肩與圓柱形孔道形成部分柱面的閥口一般應用于微動特性要求不嚴格且大流量的多路閥中，在不增大滑閥閥桿尺寸的前提下，可采用在閥體上加工孔道沉槽的方法來增大閥口流量，結構示意圖見圖1。液壓油流經上下兩個節流面到達出油口，則閥口過流面積由上下兩個部分組成，分別為：出油孔道(圓柱面2)、閥芯移動孔道(圓柱面1)及閥芯凸肩所圍成相貫面面積和孔道沉槽(圓柱面3)與閥芯移動孔道柱面(圓柱面1)及閥芯凸肩所圍成的相貫面面積。這兩部分面積上下結構對稱，面積相等，計兩部分面積總和為A1。

圖1　圓柱面閥芯凸肩滑閥結構示意圖

由于上下通流面積對稱，故可先對上過流面積的二分之一進行求解。閥口計算面積簡圖見圖2，建立圖示坐標系，坐標原點位于閥芯軸線與通油孔軸線的交點。

(a)正交圓柱相貫面計算簡圖

(b)計算二重積分定義域圖2　圓柱面閥口面積計算簡圖

圖2中，R為閥芯凸肩半徑，r為閥體通油孔道半徑，Δy為閥口開度，為了方便計算，取圖2a中陰影部分面積Aq表示閥口過流面積在相貫面上的互補面積。由圖2a可得閥芯移動通道柱面方程為

x2+z2=R2

(1)

通流孔道柱面方程為

x2+y2=r2

(2)

圖2b為上過流面互補面在xOy面上的投影區域Dxy，可得其定義域為

利用曲面積分公式，可求得圖2a中的曲面陰影面積：

(3)

代入定義域Dxy可得曲面陰影面積隨開度Δy變化的計算公式：

(4)

則閥口逐漸開啟時整個閥口過流面積A1(Δy)可表示為

A1(Δy)=2×2×(Aq(0)-Aq(Δy))=

(5)

1.2圓錐面閥芯凸肩過流面積分析

圓錐面閥芯凸肩是指在閥芯軸肩上加工出具有一定坡度的環面，這種閥芯凸肩與閥體形成圓錐面閥口。通過合理設計不同的環面坡度和錐形長度，可以提高液壓系統在小開口處的可控性，獲得豐富的多級閥口面積曲線，實現對流量的多級節流控制，進而根據不同工況分級控制執行機構的速度，且能滿足不同工況下執行機構啟動或停止時的平穩性要求，圖3為圓錐面閥口結構示意圖。

圖3　圓錐面閥芯凸肩滑閥結構示意圖

對于圓錐面閥口面積的計算，引入等效閥口面積的概念[3]。等效閥口面積是把復雜閥口流道中具有明顯節流作用的地方等效為一個薄壁孔口。圖4為圓錐面閥口在某開度下閥腔內的壓力分布云圖，可以看出閥口壓差主要集中在相貫面A1及部分環面A2上，當閥口開度變化時，A1和A2隨之變化，壓差分配也會發生變化。

圖4　圓錐面閥口壓力分布云圖

因此，圓錐面閥口面積可以按照A1和A2兩個等效閥口面積串聯閥口來計算，如圖5所示。

圖5　閥口串聯原理圖

流量方程為

(6)

式中，qV為通過節流口A1、A2的流量；Cdi(i=1,2)為節流口Ai的流量系數；Cd為A1、A2串聯等效流量系數；ρ為油液密度。

則壓力方程為

Δp=Δp1+Δp2

(7)

取Cd=Cd1=Cd2，得

(8)

其中，A1為圓柱面1與圓柱面2的相貫面面積和圓柱面1與圓柱面3的相貫面面積之和，可利用式(6)求得。

A2為閥芯軸線與出油孔道軸線公共平面內，閥芯孔道與出油孔道交點P到錐面垂線繞閥芯軸線旋轉而成的面與相貫面長度相對應的部分圓臺側面積，如圖6a所示。閥口結構參數如圖6b所示，其中，R為閥芯半徑、r為閥體出油口半徑、Δy為閥口開度、L為閥口開度對應的弦長、θ為弦長對應的夾角。

由圖6b可得

(9)

(10)

圖7為環面計算示意圖，其結構參數ΔR為閥芯凸肩到錐面底部距離、α為圓錐半錐角、d為圓臺母線、R1為圓臺上平臺半徑。

圓臺母線表達式為

(11)

圓臺上平臺半徑為

R1=R-dcosα

(12)

圓臺側面積AL可表示為

AL(Δy)=π[R+(R-dcosα)]d

(13)

則部分環面A2(含上下兩部分)可表達為

(14)

(a)部分錐面結構三維示意圖

(b)部分錐面結構三視圖圖6　圓錐面閥芯凸肩滑閥結構結構

圖7　環面計算示意圖

將式(9)～式(11)代入式(14),可以將A2表達為關于閥口開度的Δy的函數：

(15)

將式(5)、式(15)代入式(8)，即可得到圓錐面閥口面積A關于閥口開度Δy的函數表達。

2　孔道沉槽流場分析

2.1建立幾何模型和網格劃分

閥體加工孔道沉槽使得流道結構復雜，圖1所示的上下油路的通流能力必然受到影響，尤其是當閥口的流量較大時，下油路的存在與否對整個滑閥的通流能力具有怎樣的影響關系尚不明確，本文采用流體仿真的方法對其進行研究[5]。

利用Pro/E建立三維模型，導入到ICEM進行網格劃分，仿真中使用到的閥口結構參數及主要邊界條件如表1所示。為提高仿真的準確性，采用六面體非結構性網格。圓柱面凸肩滑閥閥口流體域的幾何模型如圖8所示，閥體有無加工孔道沉槽兩種模型的網格劃分如圖9所示。

表1　仿真主要參數

圖8　圓柱面滑閥流體域的幾何模型

(a)有孔道沉槽　　　　(b)無孔道沉槽圖9　兩種不同結構網格劃分

2.2閥口流場分析

圖10以流線圖的形式展示了油液流過閥芯節流口時的運動狀態，流線是流場中某時刻的一條空間曲線，該時刻位于曲線上流體質點的速度矢量與曲線相切，并且流線分布的疏密程度表征了該區域流速的大小[6]。由流場分析可知：油液流經圓柱面閥芯上下兩部分閥口的情形并非完全一致，孔道沉槽區域，液體運動軌跡更長，且受到閥芯凸肩與沉槽底部二次阻礙作用，因此，下節流部分節流作用要強于上節流部分作用，并且這一效應隨閥口通過流量的增加而愈加明顯。值得一提的是，由圖10b可看出，圓錐面閥芯情況下這種情況并不明顯，原因在于圓錐面閥芯整體阻礙效果較強、通流量較小。

(a)圓柱面閥芯流線分布　(b)圓錐面閥芯流線分布圖10　滑閥閥芯節流口流線分布

為了研究圓柱面閥芯閥口孔道沉槽對油液流動的影響，定義閥口流量增益λ為閥體加工孔道沉槽時閥口流量qV1與閥體未加工孔道沉槽時閥口流量QV2的比值，即

λ=QV1/QV2

分別在閥口開度為1mm、2mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm和5mm處進行流體仿真對比。圖11反映了流量增益λ隨閥口開度Δy的變化規律，λ隨著閥口開度增大呈下降趨勢，對其變化關系進行降階擬合處理[7]，擬合結果為

λ=1.96-0.107Δy

(16)

將仿真比值與擬合比值進行對比，如圖11所示。由圖11可以看出，隨閥口開度增大，流量增益呈減小趨勢，即在小流量下孔道沉槽流量增益效果明顯，流量增加孔道沉槽阻力隨之增加，孔道沉槽流量增益效果逐漸減弱。

圖11　孔道沉槽流量增益λ及其擬合結果

3　實驗分析

3.1實驗原理與實驗設備

為了對理論計算及流場仿真結果進行驗證，依托國內某公司的多路閥實驗臺(圖12)，搭建了負載敏感多路閥閥口壓力-流量特性實驗系統，實驗原理圖見圖13。

圖12　多路閥測試實驗臺

1.電機　2.變量泵　3.電磁溢流閥　4.壓力補償閥　5.梭閥6.主閥　7.電磁溢流閥　8.流量傳感器　9.壓力傳感器10.位移傳感器　11.壓力傳感器圖13　閥口流量特性實驗原理圖

實驗研究中所使用的實驗閥為AMCA公司生產的多路閥，如圖14所示，此閥是一種能控制多個液壓執行機構的組合換向閥，一般用于包括工程機械在內的行走機械中。實驗中取多路閥A3聯，在其閥桿一端連接位移傳感器，結合實驗臺壓力傳感器和流量傳感器，可準確得到圓柱面閥口和圓錐面閥口的壓力流量特性曲線。

圖14　被測試多路閥

3.2實驗結果分析

將隨閥口開度變化的流量理論計算值、仿真值與實驗數據進行對比。圖15為圓柱面閥口修正前后理論計算值、仿真值與實驗數據對比圖，圖16為圓錐面閥口理論計算值、仿真值與實驗數據對比圖。從圖中可以看出，修正后圓柱面閥口三者流量趨勢基本吻合，說明對于圓柱面閥口，當設計閥口額定流量較大時，理論計算公式的修正是必要的。而在圓錐面閥口微開時，理論計算、仿真與實驗數據存在一定差距，可能是實驗臺流量傳感器在系統較小流量時反應滯后導致的。隨著閥口逐漸打開，理論計算值、流體仿真值與實驗數據基本一致，從而驗證了理論計算公式的準確性。

圖15　圓柱面閥口通流量隨閥口開度曲線

圖16　圓錐面閥口通流量隨閥口開度曲線

4　結論

本文綜合運用滑閥幾何結構分析和閥口流場仿真技術，推導了閥體上加工孔道沉槽時的圓柱面閥芯和圓錐面閥芯滑閥閥口面積計算公式，并分別以流場仿真及實驗的方法對理論計算結果進行了驗證，結果表明：圓錐面閥芯閥口計算結果與實驗結果較為接近；而對圓柱面閥芯閥口，在引入孔道沉槽后理論計算與實驗結果有較大差距，利用流場分析手段對計算結果進行修正后，得到了與實驗結果比較一致的結果。

通過對閥口的流場分析可知：圓形窗口滑閥孔道沉槽設計可以有效提高閥口通流能力，但隨通流流量增加，這種增益效果呈減弱趨勢，這是在設計孔道沉槽結構時需要考慮的。

閥口過流面積計算公式建立了閥口結構參數與閥口過流面積之間的聯系，為圓形窗口下孔道沉槽結構閥口設計及性能預測提供了參考。

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(編輯袁興玲)

Analysis of Orifice Area of Slide Valve with Sinking Grooves

Zhang Lijie1,2Wang Lihang1Wang Shuai1Li Dexin1

1.Hebei Key Laboratory of Heavy Machinery Fluid Power Transmission and Control,Yanshan University, Qinhuangdao，Hebei，066004 2.Key Laboratory of Advanced Forging & Stamping Technology and Science,Ministry of Education of China, Qinhuangdao，Hebei， 066004

Multiple valve with its high degree of integration was widely used in the field of engineering machinery, where the valve port form possessed a very important impact on flow control characteristics. Aiming at the cylindrical and conical valve orifice of the spool valve with grooves on the valve body, and based on the structural characteristics and pressure distribution and velocity changes of the internal flow field, and with the equivalent orifice area theory, the calculation equations of orifice area of the cylindrical and conical valve orifice were proposed and analyzed. The results were corrected by the flow field simulation, and the accuracy of the results was verified by experiments. The study results have some reference values for the design and performance prediction of the hydraulic master valve.

multiple valve; sinking groove; orifice area of slide valve; flow field simulation

2015-08-24

國家自然科學基金資助項目(51275438)

TH137

10.3969/j.issn.1004-132X.2016.18.004

張立杰，男，1969年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為電液控制系統、機構學及機器人技術。發表論文50余篇。王力航，男，1989年生。燕山大學機械工程學院博士研究生。王帥，女，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。李德新，男，1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。