喬麗霞，潘明存，劉清濤，鄧偉東

（1.河南交通職業(yè)技術學院汽車學院，河南鄭州 450005；2.長安大學高速公路施工機械陜西省重點實驗室，陜西西安 710064；3.河南奧特科技有限公司研發(fā)中心，河南鄭州 450005）

配流閥因具備優(yōu)異的吸入和密封特性，能夠滿足在高壓工況下獲得更高的泵容積效率［1-2］。合理設計配流閥結(jié)構(gòu)是確保泵保持正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎，設計高速配流閥的重要因素包括配流閥響應特性與泵柱塞運動匹配性能［3］。同時，配流閥在實際運行階段產(chǎn)生的動力沖擊以及空化氣蝕現(xiàn)象也會對其運行壽命造成顯著影響，尤其是高速配流閥受到的影響更加明顯［4-5］。根據(jù)以上分析可知，對泵控液壓機高速配流閥開展動態(tài)性能和流動特性研究已經(jīng)成為一項非常重要的工作。

大部分泵用高速配流閥都是選擇單向閥，包括閥芯、彈簧、閥座、閥蓋與閥體多個組成部分，并且配流閥性能也受到閥芯結(jié)構(gòu)的明顯影響，其中，球閥、錐閥與平板閥3 種屬于最常用的配流閥結(jié)構(gòu)［6-7］。各類閥體的特性也存在較大區(qū)別，其中，球形閥和平板閥的結(jié)構(gòu)比較簡單，易于加工制造，但球閥存在慣性偏大的缺陷，通常只被應用在較小的閥直徑條件下，平板閥則因具備慣性小與重量輕的優(yōu)勢，可將其應用在閥式配流徑向泵作為吸液閥；錐閥包括了柱塞式和菌狀錐閥共兩類，并且都存在導向結(jié)構(gòu)，可以滿足對閥芯運動進行精確控制的要求［8-11］。錐閥是一種錐形結(jié)構(gòu)的密封面，具備優(yōu)異的自位性能，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)并獲得較長使用壽命，錐閥還具備流量系數(shù)大的特點，相對于其他單向閥，閥芯只需小幅抬起便可以獲得同樣的過流面積；而柱塞式錐閥質(zhì)量與體積都較大，使其具備較大的慣性，由于菌狀錐閥導向結(jié)構(gòu)可被安裝于缸腔外部，使得柱塞式錐閥具備比菌狀錐閥更大的缸內(nèi)死容積，因此，只能將柱塞式錐閥作為排液閥，菌狀錐閥則可以同時滿足吸排液閥的使用需求［13］。以上研究結(jié)果顯示，錐閥具備比球形閥和平板閥更顯著的優(yōu)點。

閔為等［12］對錐閥開啟時閥芯的振動與系統(tǒng)激勵狀態(tài)進行了研究，并分析了閥芯與閥體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，結(jié)果顯示，壓力調(diào)節(jié)錐閥的開啟控制過程產(chǎn)生的閥芯振動狀態(tài)受到閥芯結(jié)構(gòu)、流量與開啟壓力的綜合影響。謝海波等［13］重點測試了閥芯與閥座存在倒角與無倒角兩種閥口狀態(tài)下，錐閥閥芯受液動力差異性，結(jié)果顯示，當閥口形態(tài)改變時，閥芯受到的液動力方向與大小也隨之出現(xiàn)了變化。根據(jù)以上分析可知，錐閥具備比球形閥和平板閥更明顯的優(yōu)勢，本研究為泵控液壓機配備了高速配流閥，其工作性能受到閥芯結(jié)構(gòu)的顯著影響，因此需要根據(jù)高速配流閥實際工況條件合理選擇配流閥結(jié)構(gòu)，同時對其開展優(yōu)化設計。考慮到本研究的泵控液壓機需配備高速配流閥，對閥芯結(jié)構(gòu)與質(zhì)量等性能參數(shù)都具有較高要求，需要根據(jù)高速配流閥實際工況條件選擇合適的配流閥，并對其實施優(yōu)化設計。

1 結(jié)構(gòu)設計

泵控液壓機的組成結(jié)構(gòu)與配流原理如圖1 所示。具體工作原理如下：曲軸在電機帶動下發(fā)生轉(zhuǎn)動，驅(qū)動星輪進行平面運動，引導柱塞發(fā)生往復直線運動；選擇閥式配流系統(tǒng)，各柱塞腔依次通過一個進液閥與一個排液閥來調(diào)控乳化液進出過程；當柱塞腔進入吸液階段時，吸液閥開啟，排液閥保持關閉狀態(tài)；柱塞腔發(fā)生排液時，吸液閥保持關閉狀態(tài)，排液閥保持開啟狀態(tài)。

圖1 泵控液壓機結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of pump-controlled hydraulic press

結(jié)合泵控液壓機和配流閥工作原理，建立模型如圖2 所示。此模型包括進液閥、柱塞腔、排液閥、液壓系統(tǒng)，在柱塞腔壓強比大氣壓強低的情況下，乳化液經(jīng)進液閥由液箱流至柱塞腔中；當柱塞腔壓強超過出口負載壓力時，高壓液體經(jīng)排液閥流至供給液壓缸。下面依次研究了配流閥工作期間的靜態(tài)和動態(tài)特性。

圖2 配流閥簡化模型Fig.2 Simplified model of valve

閥啟閉過程對系統(tǒng)運行控制性能存在明顯影響，同時，閥芯上下端面的面積也對閥芯啟閉過程的系統(tǒng)壓力產(chǎn)生較大作用，各類閥芯結(jié)構(gòu)的上下端面面積也存在差異，配流閥受到彈簧參數(shù)與閥芯結(jié)構(gòu)的綜合影響，最終引起配流系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應特性的變化［15］。

2 仿真分析

2.1 模型建立

頻域和時域分析是根據(jù)系統(tǒng)頻率變化特性開展數(shù)據(jù)分析的過程，以正弦信號作為系統(tǒng)的輸入，形成一個2 階配流閥運動系統(tǒng)，輸入量為階躍信號，輸出量為吸、排液閥位移，重新構(gòu)建得到的仿真模型如圖3所示。

圖3 頻域特性仿真模型Fig.3 Simulation model of frequency domain characteristics

2.2 配流閥頻率特性分析

2.2.1 閥芯質(zhì)量對系統(tǒng)響應特性的影響

閥芯屬于配流閥的一個主要運動部件，對配流閥啟閉特性存在直接影響，閥芯控制性能受到閥芯質(zhì)量的重要作用，進行閥芯設計時需對質(zhì)量參數(shù)開展優(yōu)化設計。將彈簧剛度初步設定在0.8 N/m，為分析不同閥芯質(zhì)量引起的系統(tǒng)響應特性變化，依次設定閥芯質(zhì)量為18、20、22、24 g，再對其進行仿真測試，得到結(jié)果如圖4 所示。圖中可見：隨著閥芯質(zhì)量從18 g 增大到20 g，形成諧振峰的高度表現(xiàn)出減小的變化規(guī)律；隨著閥芯質(zhì)量從20 g 增大到24 g，形成諧振峰的高度表現(xiàn)出增加的變化規(guī)律，此時系統(tǒng)的振蕩程度也明顯增大，發(fā)生了穩(wěn)定性下降現(xiàn)象。提高閥芯質(zhì)量后，系統(tǒng)更快完成輸入響應。綜合分析確定閥芯質(zhì)量20 g是較優(yōu)的。

圖4 不同閥芯質(zhì)量的系統(tǒng)伯德圖Fig.4 System Bode diagram of different spool masses

2.2.2 彈簧剛度對系統(tǒng)響應特性的影響

彈簧屬于配流閥的一項主要部件，對閥芯運動特性發(fā)揮著關鍵作用，從而引起配流閥響應特性的變化。彈簧剛度是影響彈簧性能的關鍵參數(shù)之一，當彈簧剛度偏小時，會引起震顫和泄漏現(xiàn)象，當彈簧剛度太大時則阻礙閥芯的開啟過程，導致閥芯無法快速響應。由于閥芯需要通過預緊力和液壓力來實現(xiàn)關閉狀態(tài)，因此進行彈簧優(yōu)化設計時需綜合考慮彈簧剛度產(chǎn)生的影響。

將閥芯質(zhì)量初步設定在20 g，為研究彈簧剛度對配流閥產(chǎn)生的影響，依次設定彈簧剛度為0.6、0.8、1.0、1.2 N/m，再對其開展仿真測試，結(jié)果如圖5所示。圖中可見，隨著彈簧剛度的減小，諧振峰發(fā)生了明顯增大，此時系統(tǒng)發(fā)生了更明顯的振蕩，表現(xiàn)為穩(wěn)定性下降結(jié)果；當彈簧剛度提高后，系統(tǒng)可以更快完成輸入響應。綜合分析確定彈簧剛度0.8 N/m是較優(yōu)的。

圖5 不同彈簧剛度的系統(tǒng)伯德圖Fig.5 System Bode diagram of different spring stiffness

2.3 配流閥時域特性分析

頻域性能指標是判斷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應性能的一項關鍵指標，可以根據(jù)頻域特性分析整體系統(tǒng)運行性能與輸入響應速度，進行時域特性分析時可以根據(jù)時域曲線變化趨勢來判斷系統(tǒng)流量和閥芯的運動情況，從而獲得配流閥關鍵參數(shù)引起的響應特性變化，達到對配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化效果。

2.3.1 過流孔參數(shù)對系統(tǒng)響應特性的影響

當乳化液進入吸液閥后先經(jīng)過閥體過流孔再到達柱塞腔中，因此需分析過流孔參數(shù)引起的系統(tǒng)控制性能變化。先設置6 個均勻排布的過流孔，結(jié)合配流閥結(jié)構(gòu)依次對5、6、7、8 mm 四種直徑得到過流孔構(gòu)建模型并開展仿真測試，獲得的不同過流孔直徑對應的流量曲線如圖6 所示。當過流孔直徑為6 mm 時，系統(tǒng)達到了最小回流量，此時流量發(fā)生了小幅波動，并且閥芯發(fā)生關閉時達到了最小的運動速度，從而獲得了最小的閥座撞擊力，因此將過流孔直徑設定為6 mm。

圖6 不同過流孔直徑的流量與閥芯速度曲線Fig.6 Flow rate and spool velocity curves of different orifice diameters

設定過流孔直徑為6 mm，依次對4、6、8、10 四種數(shù)量的過流孔模型開展仿真測試，得到的流量曲線如圖7 所示。結(jié)果顯示，當過流孔數(shù)量提高到6時，系統(tǒng)保持穩(wěn)定的回流量狀態(tài)，閥芯運動最大運動速度和啟閉時間則在6 個過流孔條件下達到最小，同時為保證配流閥結(jié)構(gòu)強度要求，將過流孔數(shù)量設定在6。

圖7 不同過流孔數(shù)量的流量曲線Fig.7 Flow curves of different numbers of flow holes

2.3.2 阻尼孔參數(shù)對系統(tǒng)響應特性的影響

為獲得更長的配流閥壽命，降低配流閥對閥座產(chǎn)生的高頻沖擊作用，在錐閥設置了阻尼孔來降低閥芯對閥座產(chǎn)生的沖擊影響，由此獲得更高的閥座壽命。受阻尼孔的影響，當閥芯開啟時，乳化液無法從容腔快速流至柱塞腔內(nèi)，此時乳化液受到壓縮并形成更大的壓強，對閥芯開啟造成了限制，延長閥芯開啟時間，經(jīng)綜合分析選擇最優(yōu)阻尼孔參數(shù)。

表1 顯示了在不同阻尼孔徑條件下得到的閥芯碰撞速度和閥座沖擊力。由表1 可知，為錐閥閥芯底部設置阻尼孔后能夠有效降低閥座受到的沖擊作用，最終將阻尼孔徑設定在1.5 mm 的最優(yōu)值。

表1 不同阻尼孔徑的碰撞速度與沖擊力Tab.1 Impact velocity and impact force of different damping apertures

3 結(jié)論

（1）綜合諧振高度和系統(tǒng)響應時間確定閥芯質(zhì)量20 g和彈簧剛度0.8 N/m是較優(yōu)的。

（2）當過流孔直徑為6 mm 和流孔數(shù)量6 時，系統(tǒng)達到了最小回流量，發(fā)生了小幅波動，獲得了最小的閥座撞擊力。

（3）為錐閥閥芯底部設置阻尼孔后能夠有效降低閥座受到的沖擊，將阻尼孔徑設定在1.5 mm是最優(yōu)的。