韓冬，龔國芳，劉毅，廖湘平

(浙江大學流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，浙江杭州310027)

疲勞試驗是指用低于破壞強度的載荷對被測物體進行長時間振動加載，直到物體發(fā)生疲勞機械損壞［1］。疲勞試驗對于設計各類承受循環(huán)載荷的機械結(jié)構(gòu)以及分析材料、零部件甚至整個構(gòu)件的力學性能是最客觀、最直接的實驗途徑，它廣泛應用于交通運輸、航空航天、機電系統(tǒng)等關系國計民生的工程技術領域［2－3］。

激振器是疲勞試驗的關鍵元件，按照驅(qū)動方式的不同，激振器主要分為機械式、電動式、電磁式和電液式，其中電液激振器因具有激振力大、結(jié)構(gòu)牢靠、抗橫向負荷能力強、可控性好等優(yōu)點被廣泛應用于重載、大功率場合［4］。目前常用的電液激振器主要是在電液伺服閥控制信號輸入端輸入振動激勵信號，閥芯作往復運動，閥口大小發(fā)生周期性變化，控制液壓執(zhí)行元件作往復運動，實現(xiàn)振動。由于受到現(xiàn)有伺服閥閥芯往復結(jié)構(gòu)原理的限制，難以解決過流面積、閥芯行程與振動頻率和波形的矛盾，即使采用工藝復雜、價格昂貴、對油液污染極其敏感的三級電液伺服閥，其頻寬也難以取得較大突破，振動波形的控制更是難以實現(xiàn)。

近年來，國內(nèi)外學者設計具有結(jié)構(gòu)簡單緊湊、可靠性高、工作頻率高、抗油液污染等優(yōu)點的液壓轉(zhuǎn)閥來替代電液伺服閥，如美國的LEONARD 設計的轉(zhuǎn)軸式液壓轉(zhuǎn)閥［5］、美國的George HOCHREIN 等設計的輪齒式液壓轉(zhuǎn)閥［6］、浙江大學研制的平衡臺階式液壓轉(zhuǎn)閥［7－8］、浙江工業(yè)大學研制的2D 數(shù)字電液四通換向閥［9－13］等。但是現(xiàn)有的閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥一般采用在閥芯臺肩的一側(cè)或兩側(cè)開設凹槽的結(jié)構(gòu)，通過閥芯的旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)換向功能，在高頻工況下流量較小，且由于液壓流道的非對稱性，現(xiàn)有的閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥的軸向液動力也較大。

設計了一種板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥，它既克服了傳統(tǒng)電液伺服閥頻寬低、波形控制難等缺點，又克服了現(xiàn)有液壓轉(zhuǎn)閥高頻工況下流量較小、軸向液動力較大的缺點，是一種閥口開度變化連續(xù)、線性度好、高頻工況下流量大的新型結(jié)構(gòu)液壓轉(zhuǎn)閥。

1 工作原理

圖1所示為板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)原理圖，閥體的4 個側(cè)壁上依次開有徑向的進油口、A口、出油口和B 口，閥套的壁上對應地開有與進油口、A 口、出油口和B 口相匹配的閥套窗口，閥套還開有對應地與進油口、A 口、出油口和B 口連通的4個貫通的軸向流道，4 個軸向流道均為形狀相同的扇形，并沿著閥套的周向等間隔分布。

圖1 板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

閥芯的一端伸出端蓋外，通過聯(lián)軸器與步進電機連接。閥芯以閥體的中心橫截面為對稱面設有兩個對稱的板狀臺肩，每個臺肩的外端面設有兩個扇形凸臺，兩個扇形凸臺沿圓周方向的位置差所對應的圓心角為180°。所述凸臺將臺肩的外端面與端蓋之間形成的容腔分隔成互不相通的第一腔和第二腔。沿臺肩圓周方向上還等間隔地設有4 個扇形軸向通孔，通孔的形狀與軸向流道的形狀完全相同。臺肩上相鄰通孔與凸臺沿圓周方向的位置差為45°。如圖2所示為板狀閥芯通孔與閥套軸向流道口導通關系示意圖。

圖2 板狀閥芯通孔與閥套軸向流道口導通關系示意圖

步進電機驅(qū)動板狀閥芯勻速旋轉(zhuǎn)，板狀閥芯通孔的過流面積大小呈周期性變化，油液進出換向閥的流量大小及方向也隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)閥芯、閥套的結(jié)構(gòu)及板狀閥芯通孔與閥套軸向流道的配合導通關系，可得到該換向閥的工作頻率為:

式中:n 為閥芯轉(zhuǎn)速，r/min。

2 閥口特征

板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口為形狀相同的扇形，單個板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口所對應的圓心角為β。根據(jù)圖2所示的導通關系示意圖可得到閥口過流面積表達式:

式中:γ 為閥芯旋轉(zhuǎn)角位移，rad;r1為單個板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口的長弧邊半徑，m;r2為單個板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口的短弧邊半徑，m;m=0，1，2，3，…。

如圖3所示為板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口配合導通的過流面積，可看出:過流面積在(2m+1)β 處取最大值，閥口開度變化連續(xù)，且過流面積A 和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移γ 在整個工作范圍內(nèi)嚴格呈正比關系，線性度好，增益恒定。

圖3 板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口的導通過流面積

3 理論模型及分析

3.1 轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)特性

由式(1)可知閥芯的旋轉(zhuǎn)周期為:

閥芯旋轉(zhuǎn)時，板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口周期性配合的過流面積隨周期變化，在時間內(nèi)，板狀閥芯通孔和相鄰一側(cè)閥套軸向流道口連通;在時間內(nèi)，板狀閥芯通孔和相鄰另一側(cè)閥套軸向流道口連通，過流面積函數(shù)和時間內(nèi)的相同，因此只取時間范圍內(nèi)進行分析。閥口開度為:

假設理想零開口轉(zhuǎn)閥是匹配且對稱的，則壓力－流量特性方程為:

式中:Cd為流量系數(shù);ps為系統(tǒng)供油壓力，Pa;pL為系統(tǒng)負載壓力，Pa。

根據(jù)壓力－流量特性方程得到的無因次壓力－流量曲線如圖4所示?？梢钥吹?在壓力比為0 處各曲線之間的等距性好，這說明該轉(zhuǎn)閥的流量增益線性化程度高，也進一步驗證了過流面積A 和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移γ 在整個工作范圍內(nèi)嚴格呈正比關系。

圖4 無因次壓力－流量曲線

3.2 轉(zhuǎn)閥的受力分析

由P 口流進的液壓油通過對應的閥套窗口進入對應的閥套軸向流道后分成對稱的兩路，所以軸向液動力理論上很小，可以忽略不計。根據(jù)動量定理，兩路對稱的液壓油流入或者流出第一腔或第二腔時由周向力產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動力矩為:

式中:ρ 為液壓油密度，kg/m3;q 為通過閥口的流量，m3/s;v 為閥口的射流速度，m/s;α 為射流角，即射流方向與閥口徑向之間的夾角，rad。

根據(jù)伯努利方程，通過閥口的流速可以表示為:

式中:Cv為速度系數(shù);Δp 為閥口兩端的壓差。

通過扇形閥口的流量可以利用薄壁小孔的流量公式得:

根據(jù)上述式子可得到:

根據(jù)牛頓公式，可得到液壓轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套之間的黏性摩擦力矩為:

式中:μ 為黏性系數(shù)，Pa·s;hs為閥芯與閥套之間的軸向間隙，m;rs為板狀閥芯臺肩半徑，m。

3.3 轉(zhuǎn)閥的頻響特性分析

圖5 和圖6所示分別為不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的階躍特性與幅頻特性。增大阻尼系數(shù)B 可以有效抑制轉(zhuǎn)閥輸出流量的超調(diào)和振蕩，降低流量階躍的調(diào)整時間，對轉(zhuǎn)閥的穩(wěn)定工作有利，但是隨著阻尼系數(shù)B 的增大，液壓轉(zhuǎn)閥的頻寬變窄，響應速度減慢。所以要通過調(diào)節(jié)閥芯閥套間的徑向間隙、改變閥芯半徑等方法，在一定范圍內(nèi)調(diào)整阻尼系數(shù)，以兼顧轉(zhuǎn)閥工作的穩(wěn)定性和快速性。

圖5 不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的階躍響應

圖6 不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的幅頻特性

4 結(jié)論

(1)板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)新穎，軸向液動力小，過流面積和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移嚴格呈正比，線性度好，增益恒定。

(2)大阻尼系數(shù)B 可以降低轉(zhuǎn)閥輸出流量的超調(diào)和振蕩，減少流量階躍的調(diào)整時間，但是頻寬變窄，可以通過調(diào)節(jié)合適的阻尼系數(shù)，兼顧轉(zhuǎn)閥工作的穩(wěn)定性和快速性。

【1】SCHUTZ W A.History of Fatigue［J］.Engineering Fracture Mechanics，1996，54(2):263－300.

【2】BRIAN S M.An Introduction to Materials Engineering and Science［M］.New Jersey:A John Wiley ＆ Sons，INC Press，2003.

【3】POOK L P.Metal Fatigue:What It Is，Why It Matters［M］.Dordrecht:Springer Press，2007.

【4】張瑋昌.激振設備及其應用［J］.電動工具，2003(4):7－12.

【5】LEONARD Marcus B.Rotary Servo Valve:US，5954093［P］.1999.

【6】HOCHREIN Bradley George，OFFERLE Timothy Gerad.Rotary Valve:US，6499507B1［P］，2002.

【7】唱一丹.雙向旋轉(zhuǎn)比例電磁鐵及旋轉(zhuǎn)伺服閥的研究［D］.杭州:浙江大學，1989.

【8】張光瓊，唱一丹.雙向極化式比例電磁鐵及其靜、動態(tài)特性研究［J］.防爆電器，1989(4):28－32.

【9】阮健，裴翔，李勝.2D 電液數(shù)字換向閥［J］.機械工程學報，2000，36(3):86－89.

【10】阮健，裴翔，姜偉.2D 電液數(shù)字換向閥的實驗研究［J］.機床與液壓，1999(5):12－13.

【11】阮健，李勝，裴翔，等.數(shù)字閥的分級控制與非線性［J］.機械工程學報，2005(2):91－97.

【12】JIAN Ruan，SHENG Li，XIANG Pei.2D Digital Simplified Flow Valve［J］.Chinese Journal of Mechanical Engineering，2004，17(2):311－314.

【13】丁媛媛，阮健，任燕，等.2D 閥控電液激振器［J］.機床與液壓，2003(3):131－132.