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新式旋转阀芯液压阀低压工作条件下转动力矩
2019-8-7 10:28 中国泵阀第一网 作者:佚名 点击:1652
【中国泵阀第一网 行业论文】介绍一种新式旋转阀芯液压阀的结构和工作原理,并对阀芯低压工作条件下受力在理论上进行分析。应用ANSYS软件对阀芯进行CFD分析,获得了低压工作条件下内部流场的特征,在理论上计算了阀芯工作力矩。通过实验研究获得了低压工作条件下阀芯在不同开口度和压力下的工作力矩,验证了CFD分析结果。转动力矩分析结果说明该型旋转阀芯液压阀低压工作条件下结构简单、稳定,转动力矩较小,控制灵活,选择合适的电机及控制方法可以对阀口开度实现灵活控制,满足液压系统实际需要。

新式旋转阀芯液压阀低压工作条件下转动力矩

常学森 吴海明 姚瑶 吴海燕

辽宁科技大学机械工程与自动化学院 辽宁海裕流体传控系统有限公司

摘要:

介绍一种新式旋转阀芯液压阀的结构和工作原理, 并对阀芯低压工作条件下受力在理论上进行分析。应用ANSYS软件对阀芯进行CFD分析, 获得了低压工作条件下内部流场的特征, 在理论上计算了阀芯工作力矩。通过实验研究获得了低压工作条件下阀芯在不同开口度和压力下的工作力矩, 验证了CFD分析结果。转动力矩分析结果说明该型旋转阀芯液压阀低压工作条件下结构简单、稳定, 转动力矩较小, 控制灵活, 选择合适的电机及控制方法可以对阀口开度实现灵活控制, 满足液压系统实际需要。

关键词:

旋转阀芯; 液压阀; 低压工作条件; 转动力矩; 电机;

作者简介: *常学森 (1971—) , 男, 博士, 讲师, 主要从事液压技术方面的科研和教学工作, E-mail:xuesen_c@163.com。;

收稿日期:2018-02-22

基金: 辽宁省教育厅基金项目 (L2012216);

Rotational Torque Analysis for a Novel Rotating-Spool Hydraulic Valve under Low Pressure Working Conditions

CHANG Xuesen WU Haiming YAO Yao WU Haiyan

School of Mechanical Engineering and Automation, University of Science and Technology Liaoning Liaoning Haiyu Fluid Transmission and Control System Co., Ltd.

Abstract:

An introduction to the structure and working principle of a novel rotating-spool hydraulic valve is provided, and a theoretical force analysis of the spool under the low pressure working conditions is carried out. The ANSYS software was used to conduct a theoretical Computational Fluid Dynamics (CFD) analysis on the spool, and the characteristics of the internal flow field under the low pressure working condition were obtained. The working torque of the spool was calculated in theory. The working torque of the spool, in the varying degrees of the opening and pressure, from the experiments with the low-pressure working conditions further verified the results of the CFD analysis.The results from this rotational torque analysis demonstrate that this novel rotating-spool hydraulic valve is advantageous in having a simple and robust structure, small rotational torque, and high control accuracy under the low-pressure working conditions.Nicety control of the valve opening can be achieved to meet the practical needs of the hydraulic system when a appropriate motor and the control methods are selected.

Keyword:

Rotating-spool; Hydraulic valve; Low pressure working conditions; Rotational torque; Motor;

Received: 2018-02-22

0 前言

液压系统的重要组成部分是液压阀, 是实现整个系统功能的重要控制元件, 液压阀的性能决定液压系统性能, 即决定了液压系统的准确性、可靠性和稳定性。随着时代的进步和科技的发展, 液压阀的数字化已经成为液压发展的方向。液压数字阀是指能够用数字信号直接控制液压系统压力、流量和方向的液压阀的通称。旋转阀芯液压阀是液压阀数字化的最直接的体现[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10]

文中涉及的新式旋转阀芯液压阀是一种利用阀芯旋转运动改变阀芯与阀体的相对位置关系, 使阀内部流道发生变化, 实现液压阀的换向、节流和启闭功能。阀芯旋转由电机驱动, 通过电机控制系统实现对阀芯的灵活控制。转阀与其他液压阀 (滑阀等) 相比, 由于结构的特点, 具有很大的性能优势。结构和动作简单, 具有高可靠性;电机旋转驱动, 可以在很高频率工作且抗油液污染能力强。

1 工作原理

新式旋转阀芯液压阀是完全对称布置, 用来抵消液压油对阀芯、阀体的压力, 避免阀芯受到径向力的作用。如图1所示, 该阀主要由阀芯、阀体、旋转密封和保护盖组成。如图1和图2所示, 通过观察阀芯, 可以发现阀芯上有一对径向通孔, 并且由一轴向孔道连接。在阀芯的表面有3对凹槽, 严格对称布置。观察阀体可以看到4组严格对称孔道, 分别与液压阀负载口即A口、B口和压力输入P口及回油口T口对应相连[11]

不同压力和开度条件下, 阀芯扭力测试实验结果

图1 液压阀三维图

图2 阀芯

图2 阀芯

从图1上可以看到阀芯和阀体上的孔道的相对位置, 在这样的相对位置可以看到上面两组孔道相连, 下面两组相连, 对应的P口与B口相连, A口与T口相连。当图1中的轴向左或右转动45°后, 阀芯上的1对径向通孔和3对凹槽完全被阀体遮蔽, 阀的所有孔道封闭[11]

当图1中的轴向左或右转动90°后, 图1中阀的中间两组孔道相连, 两端的径向孔与阀两端的孔道相连并通过阀芯中间的轴向孔道相连, 对应的P口与A口相连, B口与T口相连。当图1中的轴向左或右转动22.5°时, P口与B口处于部分重合状态, A口与T口也处于部分重合状态[11]

重合多少可以通过当图1中的轴的转动角度控制。这样的过程完成了液压阀的关断、调节流量和换向功能。在整个动作过程中, 阀芯所有与油接触面都是对称, 所受到的来自油液的压力也是完全对称的, 这样的设计用来保证阀芯在阀体中处于浮动转动, 减少阀芯的转动力矩。另外在阀芯的两端的阀芯和阀体之间布置有两道旋转动密封, 保证阀在工作中不会有液压油泄漏。

2 液压阀芯所受压力的理论分析

新式旋转阀芯液压阀的最关键的技术指标就是阀芯的由于各种阻力造成的转动力矩。如果转动力矩能够控制在一定的范围内, 就可以与电动机连接, 甚至可以与伺服电机相连实现阀的伺服控制。为此, 对新式旋转阀芯液压阀 (图3) 的工作原理及造成阀芯转动力矩的各种阻力进行分析, 运用传统理论进行了客观的分析。

图2 阀芯

图3 液压阀照片

为了从理论上更好地分析新式旋转阀芯液压阀的工作, 针对阀体建立了数学模型, 并采用ANSYS软件对新式旋转阀芯液压阀在中压范围内不同压力和开度下的流量和流场进行计算和分析。

2.1 液压阀芯理论上所受力

新式旋转阀芯液压阀阀芯主要受到来自电机的驱动力、来自阀体、密封圈的摩擦力和来自液压油的作用力。其中液压油的作用力主要包括稳态液动力、瞬态液动力、液体静压力、黏性摩擦力以及液压卡紧力等。

其中来自阀体、密封圈的摩擦力和来自液压油的力是阻碍电机驱动的力, 并且最主要的是来自液压油的力, 为此针对新式旋转阀芯液压阀阀芯受力状态进行了分析。

(1) 静压力[12,13]

新式旋转阀芯液压阀处于关闭状态时, A口B口及P口与T口压力均作用在阀芯的圆柱表面, 即

F=SA1pA1+SB1pB1+SP1pP1+ST1pT1+SA2pA2+SB2pB2+SP2pP1+ST2pT2 (1)

式中:F为静压力;SA1pA1SA2pA2为两个A口所对应面积和压力;SB1pB1SB2pB2为两个B口所对应面积和压力;SP1pP1SP2pP2为两个P口所对应面积和压力;ST1pT1ST2pT2为两个T口所对应面积和压力。

当液压阀处于全开状态时, P口与T口压力均作用在阀芯的两组沟槽表面, 即

F=Sp1pp1+Sp2pp2+Sp1pp1+St1pt1+St2pt2 (2)

式中:F为静压力;Sp1pp1Sp2pp2为两个P口所对应面积和压力;St1pt1St2pt2为两个T口所对应面积和压力。

新式旋转阀芯液压阀的阀芯如图2所示, 在结构上无论是进油口还是回油口, 包括A口、B口都是双油路严格对称布置, 其与阀体的装配位置如图4和图5所示, 阀芯相对于阀体转动到任何一个角度, 静压力作用在阀芯上的合力均为零。

阀芯转动的径向典型位置

图4 阀芯转动的径向典型位置

图5 阀芯转动的轴向典型位置

图5 阀芯转动的轴向典型位置

(2) 液动力

①稳态液动力

稳态液动力经常称为动反力, 其一般分解成侧向分力和轴向分力分别计算。稳态液压力的计算公式[14]

Fq=ρqβvcosα (3)

式中:Fq为稳态液动力;ρ为液压油的密度;q 为P孔内的流量;β为动量修正系数, 紊流是β=1, 层流时β=1.33;v为P孔内液压油的流速;α为喷射角, 一般取69°。

由于新式旋转阀芯液压阀的油腔对称布置, 因此沿阀芯圆周方向的的侧向分力大部分互相抵消掉了。

②瞬态液动力

瞬态液动力是阀芯在运动的过程中, 由于开度的变化引起阀腔中液流加速或减速, 液流加速或减速与阀芯作用产生作用力, 这个力只与阀芯转动角速度有关, 其大小等于改变速度的那部分油液产生的惯性力[15]。则有:

Fbt=mdvdt(4)

式中:Fbt为瞬态液动力;m为质量;v为油液流动速度;t为油液流动时间。

由阀的结构可知, 油液从油管到达阀芯之后, 分为两段, 即径向流道和轴向流道, 所以将阀芯内的油液分为两段进行分析计算。

Fbt=ρl1dq1dt+ρl2dq2dt(5)

式中:Fbt为瞬态液动力;l1为垂直孔的长度; l2为平行孔的长度;q1为垂直孔内的油液流量;q2为平行孔内的油液流量;t为油液流动时间。

(3) 黏性摩擦力

液动力表现为液体的黏性摩擦力[12,13,14,15,16]时。阀芯所受到的黏性摩擦力主要是由于阀芯转动时其外圆柱表面受到的液压油的黏性阻力, 因为新式旋转阀芯液压阀受到的液压油的黏性阻力主要是阀芯上的沟槽, 因此总的黏性摩擦力很小, 几乎可以忽略。

Ff=μπD2BΔrω(6)

式中:Ff为黏性摩擦力;D为受力表面的直径;B为受力表面的宽度;μ为液压油的动力黏度系数;Δr为受力表面与阀体内表面的距离;ω为阀芯的转速。

(4) 液压卡紧力

当阀芯与阀体孔的圆柱度加工精度很高时, 中心线重合, 作用在圆形阀芯与阀体孔之间缝隙上的压力均为径向直线分布。沿圆周方向上分布的压力是均匀且平衡的, 不会出现阻碍阀芯运动的现象。但是当阀芯由于加工精度差时就会出现一定锥度, 这时压力沿圆周方向上的分布就不再均匀, 会产生一个径向力, 这个力乘以阀芯和阀套间的摩擦因数就是液压卡紧力。文中所论述的新式旋转阀芯液压阀属于长轴阀芯, 在常规条件下, 加工引起的液压卡紧力会很大[13,14], 为此将阀芯的外表面进行了特殊处理, 实验表明该方法可以使不平衡引起的径向力降到了处理前的5%以下。因此该力在新式旋转阀芯液压阀上的影响几乎可以忽略不计。

其经验计算公式可为

Ft≤0.27l0Dvf (ps-p2) (7)

经修正后公式为

Ft≤0.02l0Dvf (ps-p2) (8)

式中:Ft为液压卡紧力;l0为高压腔与低压腔之间的距离;Dv为阀芯直径;f为阀芯与阀体之间的摩擦因数 (一般为0.04) ;ps为供油管道压力;p2为回油管道压力。

2.2 液压阀芯受力CFD分析

文中对新式旋转阀芯液压阀进行数学建模和仿真分析, 并应用ANSYS (Fluent) 软件对阀的流动特性进行了分析。通过分析结果能够提供第2.1节部分公式的计算参数, 从而不但对新式旋转阀芯液压阀的流场和压力有了解, 而且能够计算该阀阀芯的扭力值, 并与实验获得的数据进行对比, 对阀的性能做出评估。

文中的数学建模和CFD分析是建立在3个阀芯的典型位置, 即从最小打开位置视为0°, 在继续打开到1°、2°、4°、7°的位置进行数学建模、划分网格和CFD分析。如图6是开口角度在7°时的CFD流体通道模型和模型的网格划分图。

图5 阀芯转动的轴向典型位置

图6 液压阀油路模型网格

从通道模型可以看到两个入口两个出口, 阀芯本身的流道可以看到是对称设计, 而且为了使进入流道的液压油压力一致, 把两个进油流道用一条均压管道连通, 同时把两个出油流道用一条均压管道连通。入口所在的面设为入口压力面;出口所在的面设为出口压力面;在入口和出口之间所有的面设为墙。

模型的阀芯直径为18 mm, 油道直径为4 mm, 阀芯上的槽宽度在5 mm, 深度在4 mm, 其中开口角度θ在2°时的模型网格划分如图7所示, 模型的节点为28 000个左右, 共划分了130 000个左右单元。CFD分析是在忽略了加工、装配和油液污染影响的条件下进行的。计算采用了Stand k-epsilon湍流模型, 动力黏度系数μ为0.04 kg/ (m·s) , 流体密度为870 kg/m3

(1) CFD流场分析

为了模拟计算出阀的内部流场, 设置了4组计算的压力边界条件, 它们分别是pinlet=6 MPa和poutlet=0 MPa;pinlet=5 MPa和poutlet=0 MPa;pinlet=4 MPa和poutlet=0 MPa;pinlet=3 MPa和poutlet=0 MPa;式中pinlet为入口压力;poutlet为出口压力;并且在开度θ为1°、2°、4°和7°条件下分别进行了计算。分析计算数据, 流量系数Cd为0.69。通过计算可以看到使用这个流量系数可以很好地模拟出流场的状态。图7—图10很好地表达出了在上述条件下, 开度θ为7°条件下的理论计算的结果。

图7 在θ=7°条件下pinlet=6 MPa和poutlet=0 MPa流场

图7 在θ=7°条件下pinlet=6 MPa和poutlet=0 MPa流场

图8 在θ=7°条件下pinlet=5 MPa和poutlet=0 MPa流场

图8 在θ=7°条件下pinlet=5 MPa和poutlet=0 MPa流场

图9 在θ=7°条件下pinlet=4 MPa和poutlet=0 MPa流场

图9 在θ=7°条件下pinlet=4 MPa和poutlet=0 MPa流场

图10 在θ=7°条件下pinlet=3 MPa和poutlet=0 MPa流场

图10 在θ=7°条件下pinlet=3 MPa和poutlet=0 MPa流场

计算结果表明, 在不同阀口开度条件下, 不同压力下, 阀的流量并不是按比例递增, 而是有随阀口开度增大流量迅速增加的趋势。如图11所示。

图11 不同压力和开度下阀的流量计算结果

图11 不同压力和开度下阀的流量计算结果

(2) 阀扭矩CFD分析

应用CFD流场分析不同的边界条件, 可以得到不同的流体压力分布图。如图12—图15所示, 为阀的流道内液体, 在不同压力条件下, 不同阀口开度θ为7°、4°、2°、1°条件下的压力分布图。

图12 在θ=7°条件下的压力分布图

图12 在θ=7°条件下的压力分布图

图13 在θ=4°条件下的压力分布图

图13 在θ=4°条件下的压力分布图

图14 在θ=2°条件下的压力分布图

图14 在θ=2°条件下的压力分布图

图15 在θ=1°条件下的压力分布图

图15 在θ=1°条件下的压力分布图

应用CFD计算结果获得计算参数, 两个流动通道的液动力和总的力矩能够计算出来。实验用油的动力黏度系数μ为0.04 kg/ (m·s) 。液压油的密度ρ为870 kg/m3, 进油孔内的流量Q可以在流场计算结果中获得, 阀内紊流, 因此动量修正系数β为1, 进油孔内液压油的流速v可以在流场计算结果中获得, 阀开口喷射角α在69°, 应用公式 (3) 算出稳态液动力, 在数学模型上可以直接得到特性尺寸, 从而应用公式 (4) 算出瞬态液动力, 加入电机转速ω, 应用公式 (6) 能够算出黏性力, 最后可以依据上述条件, 应用公式 (8) 算出液压卡紧力。这些力最终复合在一起形成了阀芯的转动力矩。

如图16所示, 为计算出来的转动力矩与压力和阀口开度的关系图。

图16 理论计算出的阀门扭矩与压力和入口开度的关系

图16 理论计算出的阀门扭矩与压力和入口开度的关系

3 液压阀实验研究

实验装置如图17所示, 主要由液压系统和实验台组成。

实验台如图18所示, 主要由带有减速的电机、连接在电机上的力矩传感器、连接在力矩传感器上的液压阀以及与阀连接的用来测量角度和速度的数字编码器组成。在液压阀的进出口装有压力传感器和质量流量计, 电机、力矩传感器、数字编码器、压力传感器和质量流量计分别与具有电器控制和数据采集功能的数据采集卡相连, 采集卡与计算机相连, 用计算机进行控制采集存储数据。力矩传感器测量范围在0~10 N·m, 误差在0.1%以内。压力传感器测量范围在0~40 MPa, 误差在0.2%以内。质量流量计测量范围在0.3~6.0 m3/h, 误差在0.2%以内。数字编码器测量范围在0~360°, 误差在0.1°以内。

图17 实验使用的液压系统

图17 实验使用的液压系统

图18 阀芯转动力矩测量系统

图18 阀芯转动力矩测量系统

实验是在压力 6、5、4、3 MPa, 开度1°、2°、4°、7°条件下进行的, 实验获得的详细实验数据如图19、图20所示, 依靠数值计算获得的参数应用理论公式计算出的结果和实验的数据比较, 表明两者规律一致, 即在阀的最初打开瞬间, 阀芯旋转扭矩上升, 然后扭矩逐渐下降。实际检测值和理论结果在数值上有一些差别, 分析原因主要因为加工精度造成的, 导致液压间隙不一致造成的额外的力矩。另一个原因是压力、流量和力矩传感器精度的问题。另外, 通过对实验数据的分析, 可以证实阀开口喷射角在69°左右。

图19 不同压力和开度条件下, 阀口流量测试实验结果

图19 不同压力和开度条件下, 阀口流量测试实验结果

不同压力和开度条件下, 阀芯扭力测试实验结果

图20 不同压力和开度条件下, 阀芯扭力测试实验结果

4 结论

通过对新式旋转阀芯液压阀的低压工作条件下转动力矩分析, 该阀结构上的对称结构设计有利于转动力矩的降低。可以使阀芯受到的流体压力变化引起的偏心力大幅度减少。

通过对新式旋转阀芯液压阀的低压工作条件下实验数据的分析可以发现, 压力的升高明显使阀芯的转矩加大, 流量增加。转矩的无规律小范围波动反映阀芯的加工存在一定问题。

实验表明, 对新式旋转阀芯液压阀进行数学建模及CFD分析, 其结果基本上反映了该阀的特性, 对阀的改进具有重要的参考价值。

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(来源:中国泵阀第一网)

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