， 　， ,2， 　,2， 夏慶(.燕山大學(xué) 河北省重型機(jī)械流體動力傳輸與控制實(shí)驗(yàn)室， 河北 秦皇島　066004； 2.先進(jìn)鍛壓成形技術(shù)與科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(燕山大學(xué))， 河北 秦皇島　066004)

引言

微動特性是多路閥重要特性之一，對整個裝置的工作性能有著重要影響[1,2]。多路閥作為工程機(jī)械主要控制元件具有結(jié)構(gòu)緊湊、管路連接簡單、能夠?qū)崿F(xiàn)多執(zhí)行機(jī)構(gòu)負(fù)載獨(dú)立控制等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程機(jī)械液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用[3,4]。目前有關(guān)多路閥的關(guān)鍵技術(shù)掌握在德國、美國、日本等少數(shù)國家廠商手中，導(dǎo)致整機(jī)價格高、供貨周期長、利潤低等缺陷，嚴(yán)重制約了國產(chǎn)工程機(jī)械的發(fā)展[5,6]。本研究基于多路閥國產(chǎn)化后，在微動特性方面存在的流量分辨率低、負(fù)載竄動等不足進(jìn)行了研究，對于提高液壓系統(tǒng)在小開口處的可控性、提高控制精度具有重要意義。

閥口過流面積的計(jì)算是對閥進(jìn)行研究的關(guān)鍵。目前常見的節(jié)流槽有U形槽、V形槽等開口形式，其過流面積的計(jì)算方法已基本成熟[7-11]。但是關(guān)于異形節(jié)流槽閥口過流面積的確定原則和計(jì)算方法的研究相對較少，還沒有成熟的公式可以參考。本研究提出了一種異形閥口過流面積的理論計(jì)算方法，并據(jù)此設(shè)計(jì)了一種新的閥芯形式，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了閥口結(jié)構(gòu)對多路閥微動特性的影響規(guī)律。

1　負(fù)載敏感比例多路閥工作原理

負(fù)載敏感比例多路閥由三部分組成：連接塊、 換向塊、終端塊。連接塊為進(jìn)回油功能塊，由三通減壓閥、三通流量補(bǔ)償器、安全溢流閥等組件構(gòu)成；換向塊為控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作的功能塊，由主閥、兩通流量補(bǔ)償器、雙頭比例電磁鐵、比例減壓閥、二次溢流閥等主要功能插件組成；終端塊是功能最簡單的功能塊，主要用于將先導(dǎo)控制油的回油排回油箱。其結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。

1.二通電磁閥　2.安全溢流閥　3.三通流量補(bǔ)償器　4.二通流量補(bǔ)償器　5.連接塊　6.三通減壓閥　7.比例電磁鐵　8.換向塊　9.終端塊　10.二次溢流閥　11.操作手柄圖1　負(fù)載敏感比例多路閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡圖

多路閥采用比例減壓閥作為先導(dǎo)控制閥控制主閥閥芯的兩個控制腔壓力，進(jìn)而控制主閥芯的運(yùn)動。當(dāng)輸入控制信號為零時，主閥在外彈簧的作用下保持在中位；當(dāng)給比例減壓閥輸入控制電信號時，比例減壓閥輸出恒定的壓力，推動主閥芯運(yùn)動。由于主閥芯凸肩上存在不同程度的遮蓋量導(dǎo)致非線性，使得多路閥的數(shù)學(xué)模型比較復(fù)雜。

2　主閥閥口過流面積計(jì)算

主閥口過流面積計(jì)算是流量計(jì)算的基礎(chǔ)。主閥閥口結(jié)構(gòu)如圖2所示，由P到A的液流由兩部分組成：從P口直接通過下節(jié)流槽到達(dá)A，從P口通過矩形槽到流道上腔然后通過上節(jié)流槽到A。上下節(jié)流槽開口大小形式完全相同，過流面積相同。上節(jié)流槽結(jié)構(gòu)不同于傳統(tǒng)的U形槽、V形槽，它由圓柱面1和圓柱面2的交線及其在閥芯錐面上的投影線包圍而成，其面積計(jì)算簡圖如圖3所示。

圖2　主閥閥口P-A結(jié)構(gòu)示意圖

圖3　上節(jié)流口計(jì)算簡圖

1) 上節(jié)流口過流面積計(jì)算

錐角斜率為k：

k=tanθ

(1)

z=k(y+R1)+R2

(2)

錐面方程為：

x2+z2=(ky+R1k+R2)2

(3)

當(dāng)閥芯移動位移m后，錐面方程為：

x2+z2=(ky+t)2

(4)

其中：

t=R1k-mk+10

(5)

垂直柱面的方程為：

(6)

橫置柱面的方程為：

(7)

(8)

解得：

(9)

直線向量：

(10)

在直線l上任取一點(diǎn)A(0,-t/k,0)，則:

(11)

B與直線l的距離即為B與錐面的距離d：

(12)

(14)

上節(jié)流口過流面積為：

(15)

2) 主閥節(jié)流口過流面積計(jì)算

多路閥的節(jié)流槽為不規(guī)則開口形狀。經(jīng)下節(jié)流槽的液流直接進(jìn)入A口，其等效過流面積用Aj代替。經(jīng)上節(jié)流槽的液流需經(jīng)過一矩形開口方能到達(dá)，故在此處是節(jié)流口串聯(lián)形式，其等效過流面積用Bj代替。因此進(jìn)行過流面積計(jì)算時應(yīng)分兩部分計(jì)算，主閥節(jié)流口過流面積為A：

A=Aj+Bj

(16)

(17)

式中,Aju=8 mm2

3　仿真及分析

由于多路閥閥口結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在對節(jié)流口的理論計(jì)算過程中，很多問題被簡化了，因此，計(jì)算結(jié)果只能粗略表示出節(jié)流口面積變化的趨勢。為驗(yàn)證上述面積計(jì)算方法的有效性，采用計(jì)算流體動力學(xué)方法(CFD)對不同開口度主閥節(jié)流口的流場進(jìn)行仿真。采用SolidWorks軟件對流道進(jìn)行三維建模，所建模型如圖4所示。應(yīng)用Gambit軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，由于閥口及其進(jìn)出口腔內(nèi)壓力、速度梯度很大，閥口處存在復(fù)雜流態(tài)，因此在閥口處采用局部網(wǎng)格細(xì)化，在非閥口區(qū)域采用粗網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖4　多路閥流道三維圖

圖5　主閥節(jié)流口P-A流場網(wǎng)格劃分圖

采用壓力入口、壓力出口邊界條件，其差值為0.6 MPa；油液密度為870 kg/m3，運(yùn)動黏度為4.6×10-5m2/s，選擇k-ε模型進(jìn)行仿真計(jì)算。分別針對45°閥芯錐角下開口度為0.1 mm、0.2 mm、0.3 mm、0.4 mm、0.5 mm、0.6 mm、0.7 mm、0.8 mm、1.2 mm、1.6 mm、2.0 mm、2.4 mm、3.4 mm時的流場進(jìn)行仿真。

流場仿真所得主閥節(jié)流口P-A速度云圖如圖6所示。通過速度云圖比較可知，閥口射流屬于高速淹沒射流。在小開口處，流體的最大速度出現(xiàn)在閥體拐點(diǎn)與錐面的垂線上，因此節(jié)流口為所有垂線所構(gòu)成的曲面，證明上文理論計(jì)算所選取的節(jié)流口位置是正確的。隨著開口度的逐漸增大，二次射流現(xiàn)象逐漸明顯。

通過流場仿真獲得0.6 MPa壓差、不同開口度下的流量，設(shè)定流量系數(shù)為0.7，應(yīng)用薄壁孔口流量公式獲得等效通流面積， 應(yīng)用理論計(jì)算方法分別計(jì)算45°及18°錐角閥芯下節(jié)流口的過流面積，其結(jié)果如表1所示。45°錐角閥芯主閥節(jié)流口過流面積與開口度關(guān)系如圖7所示。由圖看出開口度小于2 mm時，流場仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果十分接近，這證明主閥節(jié)流口過流面積的理論計(jì)算方法是正確的。隨著開口度增大，理論計(jì)算結(jié)果逐漸大于流場仿真結(jié)果，這是因?yàn)榱鲌龇抡嬷卸紊淞鞯某霈F(xiàn)形成了節(jié)流口的串聯(lián)效應(yīng)進(jìn)而使等效過流面積減小。不同錐角閥芯主閥節(jié)流口過流面積與開口度關(guān)系如圖8所示，從圖中可以看出18°閥芯所對應(yīng)的面積梯度明顯小于45°閥芯，這說明可以通過修改閥芯錐角的形式來改變節(jié)流口面積梯度，進(jìn)而優(yōu)化微動特性。

圖6　仿真速度云圖

圖7　45°錐角閥芯主閥節(jié)流口過流面積

圖8　不同錐角閥芯主閥節(jié)流口過流面積

表1　主閥節(jié)流口面積計(jì)算

4　實(shí)驗(yàn)研究

由上文可知，在其他參數(shù)都確定的情況下，通過減小閥口面積梯度能夠減緩小開口處流量突變，優(yōu)化多路閥微動特性。所研究負(fù)載敏感比例多路閥閥芯錐角為45°，在小開口處其流量曲線不夠平緩，控制特性較差。根據(jù)閥芯錐角對面積梯度的影響規(guī)律，在不影響最大流量的前提下設(shè)計(jì)了新的閥芯形式——先開18°錐角其長度為0.8 mm，然后將錐角變?yōu)?5°。新舊閥芯示意圖如圖9所示。

圖9　新舊閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

依托國內(nèi)某公司的比例多路閥多功能試驗(yàn)臺，搭建了負(fù)載敏感比例多路閥實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)原理示意圖如圖10所示。

1.蝶閥　2.軸向柱塞泵　3.電機(jī)　4.比例多路閥連接塊　5.比例多路閥換向塊　6.節(jié)流閥　7.流量傳感器　8.電磁溢流閥　9.冷卻器　10.測壓接頭　11.位移傳感器　12.壓力傳感器　13.三通流量補(bǔ)償器　14.三通減壓閥　15.兩通流量補(bǔ)償器　16.梭閥圖10　實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理示意圖

針對負(fù)載敏感比例多路閥微動特性分別應(yīng)用兩種不同節(jié)流口閥芯進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，原45°錐角閥芯結(jié)構(gòu)如圖11a所示，修改后的閥芯結(jié)構(gòu)如圖11b所示。

圖11　兩種不同閥芯結(jié)構(gòu)對比圖

采用三角波信號作為控制信號，重點(diǎn)研究多路閥在小開口處的流量曲線。原閥芯流量曲線如圖12所示，新閥芯流量曲線如圖13所示。

圖12　原閥芯流量曲線

從圖12中可以看出閥口打開后，在小開口階段隨著電流的增大，流量迅速增加，負(fù)載竄動，閥芯關(guān)閉時出現(xiàn)卡滯現(xiàn)象隨后閥芯迅速關(guān)閉。從圖13可以看出閥口打開及關(guān)閉時，在小開口階段隨著電流的增大，流量均緩慢平穩(wěn)變化，負(fù)載平穩(wěn)起動，流量可控性較好。

圖13　新閥芯流量曲線

5　結(jié)論

負(fù)載敏感比例多路閥節(jié)流口過流面積梯度隨著閥芯錐角的減小而減小，可以通過改變閥芯錐角的形式來優(yōu)化微動特性。通過減小主閥小開口處過流面積梯度可以實(shí)現(xiàn)流量緩慢平穩(wěn)變化，提高流量控制精度，增加執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟動平穩(wěn)性，實(shí)現(xiàn)比例多路閥微動特性優(yōu)化。

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