高壓降比例減壓閥的特性分析與優(yōu)化*

王曉凱

(1.中國(guó)煤炭科工集團(tuán) 太原研究院有限公司,山西 太原 030006;2.山西天地煤機(jī)裝備有限公司,山西 太原 030006;3.煤礦采掘機(jī)械裝備國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室,山西 太原 030006)

0 引 言

隨著工程技術(shù)領(lǐng)域各項(xiàng)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,電液控制技術(shù)逐漸成為現(xiàn)代控制工程中不可或缺的技術(shù)手段和控制策略。

作為連接現(xiàn)代微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和大功率控制工程設(shè)備之間的橋梁,電液比例閥具有控制精度高、響應(yīng)速度快、抗污染能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),在各工程領(lǐng)域中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用[1]。

電液比例閥以液壓閥為基礎(chǔ),采用電-機(jī)械轉(zhuǎn)換裝置,將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為位移、力信號(hào),進(jìn)而連續(xù)地、成比例地控制液壓閥的壓力、流量等參數(shù)。自從20世紀(jì)60年代后期,瑞士Beringer公司生產(chǎn)出用于船體表面除銹涂漆工藝的比例方向節(jié)流閥以來(lái),隨著科技的發(fā)展,電液比例閥技術(shù)不斷趨于成熟。

近年來(lái),國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)比例閥的特性進(jìn)行了分析研究,趙瑞豪等人[2-6]著重對(duì)比例閥的靜、動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了仿真研究,并基于仿真結(jié)果對(duì)比例閥的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。XIE Hai-bo等人[7-13]則基于可視化軟件,對(duì)比例閥內(nèi)部流場(chǎng)進(jìn)行了可視化分析,并對(duì)比例閥內(nèi)部的閥體、閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。

與此同時(shí),定制化的比例閥測(cè)試系統(tǒng)也受到了眾多學(xué)者的關(guān)注。姚靜等人[14-16]分別對(duì)比例流量閥、比例換向閥和氣動(dòng)減壓閥測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行了研究。在眾多比例閥的研究文獻(xiàn)中,任恒等人[17-20]對(duì)各自設(shè)計(jì)的比例減壓閥進(jìn)行了相應(yīng)研究。但國(guó)內(nèi)眾學(xué)者對(duì)于比例減壓閥,特別是應(yīng)用于高壓、高壓降情況的比例減壓閥研究較少。

在高壓降比例減壓閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中,參數(shù)匹配和結(jié)構(gòu)優(yōu)化是尤為重要的兩個(gè)方面。閥的參數(shù)匹配是否合適、結(jié)構(gòu)是否合理,決定著所設(shè)計(jì)的比例減壓閥是否能達(dá)到所需的性能要求。

筆者在高壓降比例減壓閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中,對(duì)閥口遮蓋量的選擇依據(jù)進(jìn)行研究,基于閥的階躍特性選擇合理的阻尼孔直徑及彈簧剛度;然后,對(duì)閥內(nèi)流體進(jìn)行分析,并對(duì)閥體、閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化;最后,搭建一套測(cè)試系統(tǒng)對(duì)優(yōu)化后的比例減壓閥進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn),驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可靠性。

1 比例減壓閥基本參數(shù)

1.1 結(jié)構(gòu)原理

該處筆者設(shè)計(jì)的比例減壓閥為兩位三通閥,主要由比例電磁鐵和控制閥兩大部分組成。比例電磁鐵將輸入的模擬量信號(hào)(電流)轉(zhuǎn)化為成比例的、具有水平位移-力特性的力值輸出。

比例電磁鐵電流-力特性如圖1所示。

圖1 比例電磁鐵電流-力特性

比例電磁鐵穩(wěn)態(tài)位移-力特性如圖2所示。

圖2 比例電磁鐵穩(wěn)態(tài)位移-力特性

控制閥受到電磁鐵推力后產(chǎn)生成比例的壓力輸出。比例減壓閥液壓符號(hào)如圖3所示。

圖3 比例減壓閥液壓符號(hào)

比例減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示。

圖4 比例減壓閥結(jié)構(gòu)示意圖

由圖3和圖4中可知:當(dāng)電磁鐵在未得電時(shí),閥口A→T;當(dāng)電磁鐵得電后,克服彈簧力將閥芯向左推動(dòng),閥口P→A。A口壓力同時(shí)作用于閥芯左端面,并結(jié)合彈簧推力與電磁鐵推力相平衡;當(dāng)電磁鐵斷電后,彈簧推力將閥芯向右推動(dòng),并由右側(cè)限位螺母限位,閥芯回到初始狀態(tài)。

在電磁鐵得電過(guò)程中,閥芯的受力情況為:

Fn=Fs+PAS

(1)

式中:Fn—電磁鐵推力;Fs—彈簧力;PA—A口壓力;S—A口壓力作用于閥芯端面的面積。

面積S的表達(dá)式為:

(2)

對(duì)于上述比例電磁鐵,根據(jù)式(1)可知,在其工作過(guò)程中,A口壓力與電磁鐵電流有一定的比例關(guān)系,可以通過(guò)輸入電流的大小來(lái)控制A口壓力的大小。

根據(jù)液壓系統(tǒng)的要求,系統(tǒng)在P口最大輸入壓力為25 MPa,需要閥的A口輸出的最大壓力為2.2 MPa。考慮到產(chǎn)品、產(chǎn)品零件以及加工工藝的通用性,筆者結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn),取閥芯直徑D為12 mm。

1.2 閥口遮蓋量分析

按照一般的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn),閥口泄漏量為額定流量的0.3%～0.5%,即:

q=(0.3%～0.5%)Q0

(3)

式中:q—泄漏量;Q0—閥的額定流量。

由圖4可知:在初始位時(shí),內(nèi)泄漏主要為P→A;在換向位時(shí),內(nèi)泄漏主要為A→T。兩處內(nèi)泄漏均發(fā)生在閥芯和閥體的配合間隙之間,屬于環(huán)形縫隙泄漏,其泄漏量為:

(4)

式中:ε—相對(duì)偏心率,0≤ε≤1;d—閥芯直徑;h—半徑方向配合間隙,取5 μm;Δp—間隙兩端壓差;μ—液壓油動(dòng)力黏度,取0.039 Pa·s;l—閥口遮蓋量(間隙)長(zhǎng)度;u0—閥芯閥體相對(duì)速度。

由式(4)可以看出:偏心時(shí)的內(nèi)泄漏量遠(yuǎn)大于同心時(shí)的內(nèi)泄漏量。當(dāng)ε=1時(shí),有最大偏心量,且泄露最大。

根據(jù)設(shè)計(jì)需求,根據(jù)式(4)可得:P→A處閥口遮蓋量長(zhǎng)度l1≥1.05 mm;A→T處閥口遮蓋量l2≥0.10 mm。

由于制造方面的誤差,閥在實(shí)際應(yīng)用中不可能保持精確的同心位置,閥芯會(huì)因?yàn)閺较蛞簤毫Ψ植疾痪?而被推向某一側(cè),從而形成了液壓閥的液壓側(cè)向力和摩擦力。其中,液壓側(cè)向力為:

Fr=αldΔp

(5)

式中:Fr—液壓側(cè)向力;α—系數(shù),最大估算時(shí)取0.27。

摩擦力計(jì)算公式為:

Ff=fFr

(6)

式中:Ff—摩擦力;f—摩擦系數(shù)。

由式(4～6)可見(jiàn):閥口遮蓋量是一個(gè)比較矛盾的參數(shù)。根據(jù)泄漏量公式,閥口遮蓋量應(yīng)該越長(zhǎng)越好;但是,為了減小液壓側(cè)向力與摩擦力,則應(yīng)在保證密封要求的前提下,盡量減少閥口遮蓋量長(zhǎng)度。另外,為了減小閥芯的卡緊力,設(shè)計(jì)中一般要在閥芯臺(tái)肩上加工數(shù)道均壓槽(合理的均壓槽可以使液壓側(cè)向力減小60%～95%),而均壓槽的加工也需要遮蓋量有一定的長(zhǎng)度。

故在閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可以通過(guò)泄漏量來(lái)確定遮蓋量的最小值,再根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)來(lái)增加均壓槽,并確定閥口遮蓋量。

2 比例減壓閥特性分析

2.1 參數(shù)設(shè)定

在比例減壓閥的設(shè)計(jì)中,控制閥的阻尼孔直徑及彈簧剛度對(duì)其啟動(dòng)特性有很大影響。為了得到減壓閥良好的啟動(dòng)特性,需要對(duì)這兩項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行分析。

在分析閥的阻尼孔和彈簧之前,要對(duì)減壓閥的部分參數(shù)先進(jìn)行初步設(shè)定,如表1所示。

表1 參數(shù)表

2.2 阻尼孔直徑對(duì)系統(tǒng)特性的影響

在液壓系統(tǒng)中,比例減壓閥多作為先導(dǎo)型電液比例閥的先導(dǎo)部分,用出口壓力推動(dòng)主閥的閥芯,并與主閥閥芯彈簧相平衡。故為了保障整個(gè)液壓系統(tǒng)的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性,應(yīng)著重考慮比例減壓閥出口壓力的響應(yīng)速度和振幅。

筆者在研究中發(fā)現(xiàn),在比例減壓閥出口增加阻尼孔對(duì)以上兩項(xiàng)參數(shù)都有較大的影響。

研究過(guò)程中,給定電磁鐵的階躍信號(hào)如圖5所示。

圖5 階躍信號(hào)圖

由圖5可知:在系統(tǒng)啟動(dòng)后的0～1 s時(shí)間內(nèi),電磁鐵未得電;在系統(tǒng)啟動(dòng)后1 s時(shí),電磁鐵得電。

在筆者對(duì)該閥的優(yōu)化過(guò)程中,給定一彈簧剛度值以及電信號(hào),且阻尼孔直徑c為1 mm、2 mm、3 mm、4 mm、5 mm、6 mm時(shí),減壓閥出口處阻尼孔出口壓力的階躍特性,如圖6所示。

圖6 不同阻尼孔直徑的階躍特性

由圖6可知:在不同的阻尼孔直徑下,閥出口處的壓力響應(yīng)速度和壓力幅度都有較大差別。

為了更清晰地觀察其階躍特性曲線(xiàn),筆者截取圖6中1 s～1.4 s時(shí)間段,并將其曲線(xiàn)分為兩圖來(lái)分別表示。其中,阻尼孔直徑為1 mm/3 mm/5 mm時(shí)的放大圖,如圖7所示。

圖7 阻尼孔直徑為1 mm/3 mm/5 mm時(shí)放大圖

阻尼孔直徑為2 mm/4 mm/6 mm時(shí)的放大圖,如圖8所示。

在圖(7,8)中,各阻尼孔不同直徑時(shí)的壓力響應(yīng)時(shí)間和壓力沖擊振幅,如表2所示。

表2 不同直徑下的響應(yīng)時(shí)間和沖擊振幅

由圖(7,8)及表2可知:

隨著阻尼孔直徑的增加,閥出口壓力的響應(yīng)時(shí)間逐漸變短,但是閥出口處的沖擊振幅逐漸變大,閥的超調(diào)量變大,液壓油流動(dòng)時(shí)的慣性變大,不利于系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.3 彈簧剛度對(duì)系統(tǒng)特性的影響

在閥的開(kāi)啟過(guò)程中,彈簧力是其重要阻力,同樣也是閥復(fù)位過(guò)程中,克服卡緊力以及液動(dòng)力的主要?jiǎng)恿?而彈簧剛度則是影響彈簧力的重要因素。

在該閥的優(yōu)化過(guò)程中,彈簧剛度k分別為10 N/mm、20 N/mm、30 N/mm、40 N/mm時(shí),分別匹配電磁鐵對(duì)應(yīng)推力后,閥出口壓力的階躍特性曲線(xiàn),如圖9所示(為了更清晰地表達(dá)其階躍特性曲線(xiàn),筆者只截取了其中1 s～2 s時(shí)間段的曲線(xiàn))。

圖9 不同彈簧剛度時(shí)的階躍特性

在圖9中,各彈簧剛度時(shí)的壓力響應(yīng)時(shí)間和壓力沖擊振幅,如表3所示。

表3 不同彈簧剛度下的響應(yīng)時(shí)間和沖擊振幅

由圖9及表3可知:

隨著彈簧剛度的增大,出口壓力的沖擊振幅逐漸變小,但響應(yīng)時(shí)間逐漸變大。

在閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中,可根據(jù)閥芯復(fù)位時(shí)所需的力值大小,以及電磁鐵所能提供的力值大小,綜合考慮彈簧剛度對(duì)響應(yīng)時(shí)間和沖擊振幅的影響,以此來(lái)選定其彈簧剛度。

經(jīng)綜合考慮,該閥采用的阻尼孔直徑為2 mm,彈簧剛度為25 N/mm,其階躍特性如圖10所示。

圖10 該閥理論階躍特性

由圖10可知：比例減壓閥出口壓力的響應(yīng)速度為300 ms,振幅為1.5 bar。由此可見(jiàn),該閥響應(yīng)速度快,沖擊振幅小,能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

該閥電流-壓力特性如圖11所示。

圖11 該閥理論電流-壓力特性

由圖11可知:隨著電流增大,比例減壓閥出口壓力成比例增大;該結(jié)果表明其比例特性良好,能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

3 減壓閥結(jié)構(gòu)優(yōu)化

比例減壓閥在工作時(shí),閥的開(kāi)口量較小,其流動(dòng)特性與薄壁小孔相近,因此,可以用薄壁小孔的流量公式來(lái)計(jì)算閥的開(kāi)口量:

(7)

式中:Q—流經(jīng)小孔的流量;Cd—流量系數(shù);xv—閥口開(kāi)口量;Δp—閥口兩端壓差;ρ—流體密度。

當(dāng)比例減壓閥達(dá)到最大流量、最大壓力時(shí),其進(jìn)口處流體情況最為復(fù)雜。此時(shí),筆者通過(guò)計(jì)算可得其閥口開(kāi)口量為0.39 mm。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果,筆者建立比例減壓閥內(nèi)的流體模型,并對(duì)其進(jìn)行可視化分析,得出其流體壓力分布云圖、湍動(dòng)能云圖、速度云圖、流體流線(xiàn)圖,如圖12所示。

圖12 流體分析圖

通過(guò)分析圖12可知:

當(dāng)給定P口25 MPa壓力,電磁鐵通電250 mA時(shí),流體在經(jīng)過(guò)閥口處沉割槽后,壓力降至13 MPa,約為入口壓力的一半;在流經(jīng)閥口時(shí),壓力急劇下降,流速迅速增大至最大值200 m/s;

通過(guò)閥口后,在靠近閥芯臺(tái)肩側(cè)壁面處出現(xiàn)了大片負(fù)壓,且閥口處的負(fù)壓并非周向均勻分布,而是大片集中于閥口P處附近。負(fù)壓的存在容易導(dǎo)致閥內(nèi)生成氣穴并產(chǎn)生噪音、振動(dòng)和氣蝕;且此處湍動(dòng)能為最大值4 130 J/kg,進(jìn)一步印證該處存在劇烈的能量交換。

這說(shuō)明閥芯臺(tái)階容易損傷。

同時(shí),結(jié)合上述壓力云圖與流線(xiàn)圖可以看出:閥內(nèi)大量流體從上方閥口附近流出,沿著閥口周向流動(dòng),并從前下方閥口處流出,閥口下方的流動(dòng)流體較少;在A出口處,流動(dòng)流體也呈聚集狀態(tài),流動(dòng)不均勻。正是流體的這種流動(dòng)狀態(tài),使閥口處負(fù)壓并非均勻分布,而是大片集中于上方閥口出口處。而且,閥芯臺(tái)肩周向壓力分布不均,上方閥芯臺(tái)肩處的壓力明顯高于其周向其他方位,容易造成閥芯受力不均,并產(chǎn)生較大卡緊力。

這說(shuō)明閥體結(jié)構(gòu)有待改進(jìn)。

針對(duì)以上現(xiàn)象,筆者在優(yōu)化過(guò)程中增大了閥體上沉割槽的直徑,其可視化分析結(jié)果如圖13所示。

圖13 增大沉割槽直徑后流體分析圖

對(duì)比圖(12,13)可知:增大沉割槽直徑后,閥內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)得到了改善,流體流動(dòng)比較均勻,閥芯臺(tái)肩周向壓力分布也比較均勻,閥口處沒(méi)有大面積的集中性負(fù)壓,閥的性能得到了優(yōu)化;

但是,仍然有少量負(fù)壓均勻地分布在閥口處閥芯臺(tái)肩尖角上,且此處湍動(dòng)能為整個(gè)流體最大值,容易造成閥芯臺(tái)肩氣蝕損壞,影響閥的密封性和壽命。

這也說(shuō)明閥體結(jié)構(gòu)仍有待改進(jìn)。

針對(duì)以上現(xiàn)象,筆者對(duì)閥芯進(jìn)行了優(yōu)化,具體是在閥芯臺(tái)肩處增加了斜角和倒圓。

流體壓力分布云圖、湍動(dòng)能云圖、速度云圖、流體流線(xiàn)圖,如圖14所示。

圖14 優(yōu)化后流體分析圖

由圖14可知:閥芯增加倒角和圓角后的模型繼承了圖13優(yōu)化結(jié)果中的所有優(yōu)點(diǎn),其流體流動(dòng)更加均勻,解決了圖13中存在的不足點(diǎn)。流體閥口處沒(méi)有負(fù)壓,流線(xiàn)均勻分布;

湍動(dòng)能最大值為3 130 J/kg,較之前下降24%,且最大值多分布于閥芯的閥桿上,閥芯的閥桿是非配合面,對(duì)閥的性能影響不大。雖然整個(gè)流體中仍有負(fù)壓存在,但是負(fù)壓點(diǎn)處于A口出口處,且范圍極小,對(duì)閥的整體性能影響較小。

由此可見(jiàn),對(duì)閥芯的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化后,大大改善了閥內(nèi)流體的流動(dòng)性能,延長(zhǎng)了比例減壓閥的壽命。

4 系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)組成

根據(jù)該款比例減壓閥的性能特點(diǎn),為精確顯示閥的輸入電流信號(hào)及輸出壓力波動(dòng),并檢測(cè)其階躍特性及電流-壓力特性,筆者有針對(duì)性地搭建了比例減壓閥測(cè)試系統(tǒng)。

測(cè)試系統(tǒng)組成如圖15所示。

圖15 測(cè)試系統(tǒng)組成圖

測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖16所示。

圖16 測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖

為了提高閥的靈敏度,減小閥芯卡滯概率,該閥電驅(qū)動(dòng)信號(hào)采用PWM驅(qū)動(dòng)技術(shù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,筆者通過(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)定不同的P口輸入壓力,且通過(guò)計(jì)算機(jī)控制輸入電流信號(hào)大小,監(jiān)視輸出壓力,并繪制其曲線(xiàn)。

系統(tǒng)工作時(shí),計(jì)算機(jī)所發(fā)出指令,由其USB接口通過(guò)CAN盒傳輸?shù)娇刂破鰿AN接口,控制器輸出相應(yīng)PWM波形信號(hào)驅(qū)動(dòng)被測(cè)試閥。測(cè)試過(guò)程中的壓力、流量等信號(hào)由對(duì)應(yīng)傳感器檢測(cè),并轉(zhuǎn)換為0～5 V的模擬量信號(hào),送入數(shù)據(jù)采集器中,數(shù)據(jù)采集器將模擬量信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換,然后送入計(jì)算機(jī)中,由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,并繪制圖表。

4.2 測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)測(cè)試檢驗(yàn),筆者得到了比例減壓閥入口壓力為25 MPa、電流為230 mA時(shí)的階躍特性曲線(xiàn),如圖17所示。

圖17 230 mA時(shí)階躍曲線(xiàn)

比例減壓閥的電流-壓力特性曲線(xiàn),如圖18所示。

圖18 電流-壓力特性曲線(xiàn)

因?yàn)榻o定的是PWM電流信號(hào),故圖(17,18)中監(jiān)測(cè)到的電流一直處于波動(dòng)狀態(tài)。

將圖17與圖10進(jìn)行對(duì)比可知:所測(cè)試的比例減壓閥響應(yīng)速度比理論設(shè)計(jì)快,且沖擊振幅與理論設(shè)計(jì)接近,完全能夠滿(mǎn)足減壓閥設(shè)計(jì)需求;

由圖18可知：所測(cè)試的比例減壓閥出口壓力能夠良好的跟隨電流變化而變化,有較好的電流-壓力特性,能夠滿(mǎn)足閥比例的使用需求[21]。

5 結(jié)束語(yǔ)

在比例減壓閥的設(shè)計(jì)過(guò)程中,筆者研究了閥口遮蓋量的確定依據(jù),基于階躍特性對(duì)閥的部分參數(shù)進(jìn)行了選擇,通過(guò)對(duì)閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)的分析研究,優(yōu)化了閥的結(jié)構(gòu)。

研究結(jié)果表明:

(1)閥口遮蓋量需要通過(guò)綜合考慮泄漏量、均壓槽及液壓側(cè)向力來(lái)選取;

(2)阻尼孔直徑為2 mm、彈簧剛度為25 N/mm時(shí),減壓閥能得到良好的階躍特性及電流-壓力特性;

(3)合理增大閥體沉割槽直徑,并在閥芯臺(tái)階處增加斜角、圓角,能夠有效消除閥口處的氣穴現(xiàn)象,減小閥芯的周向壓力分布不均現(xiàn)象,達(dá)到改善比例減壓閥性能的目的;

(4)通過(guò)搭建測(cè)試系統(tǒng),對(duì)優(yōu)化后的比例減壓閥進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn),各項(xiàng)要求均能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的可行性和正確性。

筆者經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn),實(shí)際比例減壓閥電流-壓力特性曲線(xiàn)的線(xiàn)性范圍及直線(xiàn)度同理論數(shù)據(jù)還有一定差距。因此,在后續(xù)的研究中,筆者還將對(duì)該減壓閥做進(jìn)一步的研究,以期能切實(shí)提高閥的控制精度。