(1.昆明理工大學(xué) 機電工程學(xué)院， 云南 昆明 650500； 2.云南興長江實業(yè)有限公司， 云南 昆明 650111)

引言

先導(dǎo)式溢流閥屬于液壓系統(tǒng)中壓力控制閥的一種，其主要功能是穩(wěn)壓溢流和作為安全閥使用，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、額定、安全的壓力油液[1-3]。彈簧是先導(dǎo)式溢流閥重要的組成零件，先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥的啟閉離不開彈簧的作用?，F(xiàn)有先導(dǎo)式溢流閥采用的是機械彈簧結(jié)構(gòu)，機械彈簧在長期使用過程中易發(fā)生疲勞失效，影響溢流閥的性能[4-6]。因此，提高彈簧的性能、延長其使用壽命等，一直是溢流閥的重點研究方向[7]。

隨著磁性材料技術(shù)的發(fā)展，永磁材料的加工技術(shù)日漸成熟?；凇巴艠O相斥，異名磁極相吸”原理制成的永磁彈簧具有能量損失小、力傳遞路線短、無摩擦接觸等特點[8-10]，是近年來研究和應(yīng)用較多的一種彈簧。將永磁彈簧應(yīng)用于先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥取代機械彈簧，以提高溢流閥的啟閉性能，延長元件使用壽命，使溢流閥結(jié)構(gòu)更為緊湊。

1 永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)設(shè)計

在原有的機械彈簧先導(dǎo)閥基礎(chǔ)上，重新設(shè)計一種永磁彈簧先導(dǎo)閥。

1.1 永磁彈簧工作原理和材料選擇

1) 永磁彈簧工作原理

永磁彈簧是利用2塊高性能的永磁體“同名磁極相斥，異名磁極相吸”產(chǎn)生斥力和引力的原理工作的。永磁彈簧的2塊永磁體之間無直接接觸，具有能量損失較小、力傳遞路線短的特點。

2) 永磁彈簧材料

永磁材料是一種具有高磁能積、耐腐蝕性強、磁穩(wěn)定性優(yōu)異的功能材料[11]。永磁材料按照成分不同可分為：金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料等。其中，稀土永磁材料具有磁溫系數(shù)低、磁性能穩(wěn)定、矯頑力高等特點[12]。Nd-Fe-B是目前最新一代的稀土永磁材料，其剩磁、矯頑力、最大磁能積等磁物理量均高于同類材料，同時它的機械性能優(yōu)異、材料密度較低，得到了廣泛的應(yīng)用[13]。此外，Nd-Fe-B材料在80 ℃內(nèi)退磁率小于5%，在液壓系統(tǒng)中溫度對永磁材料的影響甚微。因此，本研究選用Nd-Fe-B作為永磁彈簧材料。

1.2 永磁彈簧磁場設(shè)計

永磁彈簧在先導(dǎo)閥內(nèi)部會形成無源恒定磁場。永磁彈簧的磁場設(shè)計就是在最大限度利用永磁材料的磁性能前提下，根據(jù)設(shè)計要求計算出永磁彈簧的尺寸參數(shù)。永磁彈簧磁場設(shè)計的基本公式如下：

φ=BmAm=kfBgAg

(1)

F=-HmLm=krHgLg

(2)

式中，kf—— 漏磁系數(shù)

kr—— 磁阻系數(shù)

Bg—— 氣隙磁通密度

Hg—— 磁場強度

Ag—— 氣隙面積

Lg—— 氣隙長度

由式(1)和式(2)可得出氣隙磁通密度的計算式：

(3)

式中，Vm—— 永磁材料體積

Vg—— 氣隙體積

磁阻系數(shù)和漏磁系數(shù)根據(jù)經(jīng)驗估算，其中漏磁系數(shù)kf可根據(jù)式(4)計算：

(4)

式中，Ua—— 永磁體截面周長

a—— 磁路各部件長度

磁導(dǎo)P可根據(jù)式(5)和式(6)計算：

(5)

(6)

式中，x—— 磁鐵端面產(chǎn)生磁場深度

r—— 圓柱磁鐵半徑

永磁彈簧磁場設(shè)計流程如圖1所示。

圖1 磁場設(shè)計流程圖

1.3 永磁彈簧結(jié)構(gòu)與仿真

根據(jù)先導(dǎo)閥內(nèi)部結(jié)構(gòu)并經(jīng)磁場設(shè)計得到斥力永磁彈簧3D模型及其在導(dǎo)閥內(nèi)的安裝形式，如圖2所示。

1.進油口 2.阻尼孔 3.非永磁閥芯 4、5.圓柱永磁體6.主閥芯上腔流道 7.回油口 8.導(dǎo)閥閥體圖2 斥力永磁彈簧

其中，錐形閥芯采用非鐵磁材料，2塊圓柱形永磁體分別固定在閥芯大端面和調(diào)節(jié)螺桿端面。利用兩圓柱形永磁體間的斥力代替機械彈簧力，通過調(diào)節(jié)兩者之間的距離，使其產(chǎn)生不同大小的斥力。

利用Maxwell 3D軟件進行磁力仿真，得到2塊永磁體的斥力-位移曲線。原有先導(dǎo)閥機械彈簧剛度為30 N/mm，將機械彈簧和永磁彈簧數(shù)據(jù)繪制成力-位移曲線如圖3所示，其中橫坐標(biāo)是壓縮量，縱坐標(biāo)是彈簧力。

圖3 力-位移曲線

分析圖3可知，在壓縮量為0～5 mm的條件下，機械彈簧的調(diào)節(jié)范圍在0～150 N，永磁彈簧的調(diào)節(jié)范圍為27～152 N，該永磁彈簧滿足先導(dǎo)閥彈簧力要求。ΔF做功WODC>WABC,可以推測在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)永磁彈簧的反應(yīng)速度高于機械彈簧。

1.4 永磁彈簧溢流閥導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)

永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，該結(jié)構(gòu)主要由密封端蓋、閥體、閥芯、調(diào)壓螺桿、調(diào)壓手輪、O形密封圈、斥力永磁彈簧等部分組成。為保證在導(dǎo)閥的密封性能，在導(dǎo)閥左右端蓋和與主閥體連接端面處開密封槽，用O形密封圈保證其密封性。2塊圓柱形Nd-Fe-B磁鐵同名磁極相對分別固定在閥芯和調(diào)壓螺桿端面，確保之間為斥力。

1.六角堵頭 2.閥體 3.閥芯 4.調(diào)節(jié)螺桿5.端蓋 6.手輪 7、10.密封圈 8、9.永磁體圖4 永磁彈簧溢流閥導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)示意圖

工作原理：當(dāng)進油口A不通壓力油時，閥芯處于關(guān)閉狀態(tài)，油液無法進入閥體。當(dāng)進油口A通入壓力油液時，隨著壓力增大，油液從A口進入，克服手輪調(diào)定的圓柱永磁體間斥力推開閥芯，從回油口C流出。此時，連接主閥閥芯的主閥上腔流道B使主閥閥芯產(chǎn)生壓差，主閥在壓差作用下克服復(fù)位彈簧力開啟溢流。

根據(jù)設(shè)計所加工的永磁彈簧先導(dǎo)閥實物如圖5所示。

1.調(diào)壓螺桿 2.閥體 3.閥芯 4.遠(yuǎn)程口密封端蓋5.密封端蓋 6.調(diào)壓手輪 7.永磁彈簧 8.密封圈圖5 永磁彈簧先導(dǎo)閥實物圖

由于永磁彈簧力傳遞路線更短，該永磁彈簧先導(dǎo)閥結(jié)構(gòu)更加緊湊，體積較原有的機械彈簧先導(dǎo)閥減少約22%。

2 永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥導(dǎo)閥流場仿真

利用CFD仿真軟件對全開狀態(tài)下的先導(dǎo)閥流場進行仿真分析，以驗證所設(shè)計結(jié)構(gòu)的合理性。

2.1 永磁彈簧先導(dǎo)閥CFD仿真初始條件設(shè)定

工作介質(zhì)為46號抗磨液壓油，默認(rèn)為不可壓縮流體，其密度為870 kg/m3，黏度為1.7×10-3N·s/m2。邊界條件設(shè)置進口為壓力入口類型，入口壓力設(shè)置為3.5 MPa，出口為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，邊界采用默認(rèn)邊界類型。求解采用k-omega SST模型進行分析[14-15]。

2.2 永磁彈簧先導(dǎo)閥流場網(wǎng)格模型建立

在SolidWorks軟件中建立閥口全開狀態(tài)下的三維模型，利用ICEM CFD軟件進行網(wǎng)格劃分。對于流場變化劇烈的部分，如阻尼孔、閥芯處的網(wǎng)格進行加密，以獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，提高仿真準(zhǔn)確性[16-18]。劃分好的先導(dǎo)閥流場網(wǎng)格模型如圖6所示。

圖6 流場網(wǎng)格模型

2.3 CFD仿真結(jié)果與分析

利用Fluent軟件仿真得到的全開狀態(tài)下先導(dǎo)閥流場總壓力分布云圖、湍流強度分布云圖和速度分布云圖，如圖7～圖9所示。

圖7 流場總壓力云圖

圖8 流場湍流強度云圖

圖9 流場速度2D云圖

從圖7流場總壓力云圖可以看出，油液通入先導(dǎo)閥后，阻尼孔前端產(chǎn)生較大壓力，流經(jīng)阻尼孔后壓力明顯降低，降壓能力約為11.5倍，滿足溢流閥主閥芯上下腔壓力差的要求。且閥芯周圍工作壓力大于液壓油汽化壓力(6～200 Pa)，因此閥芯運動時不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象，避免了油液對閥芯的氣蝕。從圖8流場湍流強度云圖可以看出在阻尼孔前后以及孔內(nèi)的湍流強度較大，進出油口湍流強度較小。較大的湍流強度會導(dǎo)致閥芯振動，在閥芯后端設(shè)計的流動區(qū)域降低了湍流強度對閥芯振動的影響。由于進出油口湍流強度較小，先導(dǎo)閥與主閥間的振動不明顯，不影響溢流閥正常工作。由圖9流場速度云圖可以看出，油液在進出油口的流速相對穩(wěn)定。油液流經(jīng)細(xì)長孔后，流速有一定增大，最大達到了102 m/s，這是由于油液的通流面積瞬間減小造成的。仿真結(jié)果表明，先導(dǎo)閥流場結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。

3 永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥特性仿真

為分析永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥性能，利用AMESim軟件建立仿真模型，進行階躍壓力響應(yīng)特性和穩(wěn)態(tài)壓力-流量特性仿真[19]。

3.1 先導(dǎo)式溢流閥仿真模型

根據(jù)本研究的先導(dǎo)式溢流閥原理建立的仿真模型如圖10所示。

圖10 先導(dǎo)式溢流閥仿真模型

3.2 參數(shù)設(shè)置

在AMESim中對先導(dǎo)式溢流閥進行參數(shù)設(shè)置，主要參數(shù)如表1所示。其中，機械彈簧先導(dǎo)閥設(shè)置彈簧剛度為30 N/mm，永磁彈簧先導(dǎo)閥則根據(jù)永磁彈簧磁力曲線導(dǎo)入。此外，由于永磁彈簧先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)更加緊湊，部分參數(shù)不同于機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥。

表1 尺寸參數(shù)表

3.3 動態(tài)特性仿真分析

設(shè)置仿真時間為0.05 s,步長為0.001 s，系統(tǒng)壓力分別設(shè)定為3， 4， 5， 6 MPa,得到階躍壓力響應(yīng)曲線如圖11所示。

由圖11可知，在不同系統(tǒng)壓力條件下，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的進口壓力最終收斂于系統(tǒng)壓力，說明本研究設(shè)計的永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的穩(wěn)定性良好[20]。2種先導(dǎo)式溢流閥的超調(diào)率均隨系統(tǒng)壓力增大而降低。

圖11 階躍壓力響應(yīng)曲線

對比2種溢流閥的曲線可知，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的超調(diào)量、超調(diào)率相對于機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥略低，在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的超調(diào)率為52%，機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥超調(diào)率為63%，超調(diào)率降低了17.5%。永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的過渡過程時間更小，在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的過渡過程時間為0.024 s，機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥過渡過程時間為0.036 s，減少了33.3%。但二者的響應(yīng)時間相差不大。動態(tài)特性分析說明永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的動態(tài)性能更好。

3.4 壓力-流量特性仿真分析

在表2的參數(shù)設(shè)置基礎(chǔ)上，設(shè)定仿真間隔為0.1 s，得到3， 4， 5， 6 MPa系統(tǒng)壓力下的穩(wěn)態(tài)壓力-流量特性曲線如圖12所示。

分析圖12可知，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的壓力-流量特性曲線的斜率較機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥略小。在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓偏差值為7.7%，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓偏差值為6.0%。仿真結(jié)果表明，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的調(diào)壓偏差更低，說明其定壓精度更好。

4 永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥壓力-流量特性試驗

為了更好地研究永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥在真實工況下的性能，搭建穩(wěn)態(tài)壓力-流量試驗臺，分別對傳統(tǒng)機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥和永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥進行測試分析。圖13為溢流閥壓力-流量特性試驗原理圖。

1.液壓泵 2.系統(tǒng)溢流閥 3.溫度計4、5.壓力計 6.節(jié)流閥 7.流量計圖13 溢流閥壓力-流量特性試驗原理圖

根據(jù)原理圖搭建的壓力-流量特性試驗臺如圖14所示。

圖14 先導(dǎo)式溢流閥特性試驗臺

4.1 壓力-流量特性試驗數(shù)據(jù)分析

根據(jù)采集的數(shù)據(jù)繪制壓力-流量曲線，如圖15所示。

圖15 壓力-流量試驗曲線

由圖15可以看出，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的壓力-流量特性曲線的斜率較機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥更小。在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓偏差值為8.0%，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥調(diào)壓偏差值為5.3%。試驗進一步驗證了仿真結(jié)果，說明本研究設(shè)計的永磁彈簧先導(dǎo)閥有利于改善先導(dǎo)式溢流閥的定壓精度。

4.2 仿真與試驗數(shù)據(jù)對比

仿真結(jié)果和試驗結(jié)果基本一致，驗證了仿真模型的正確性。不過試驗曲線和仿真曲線有一定偏差，究其原因如下：

(1) 仿真模型沒有考慮實際情況下的復(fù)雜流場運動[21]；

(2) 試驗時液壓油較高的溫度會讓永磁材料輕微退磁，并且液壓油本身具有一定的隔磁性，這會導(dǎo)致永磁彈簧剛度較理論值略低；

(3) 機械彈簧先導(dǎo)閥流場受螺旋機械彈簧阻力的影響，會導(dǎo)致一定的局部壓力損失；

(4) 仿真設(shè)置的46號液壓油參數(shù)與實際情況存在差別。

5 結(jié)論

(1) 利用Ansoft Maxwell對機械彈簧和永磁彈簧進行仿真，得到壓縮范圍在0～5 mm的磁力-位移曲線，證明永磁彈簧滿足彈簧力要求；

(2) 永磁彈簧先導(dǎo)閥的結(jié)構(gòu)更加緊湊。在本研究的技術(shù)指標(biāo)下，相對于機械彈簧先導(dǎo)閥，永磁彈簧先導(dǎo)閥的體積減少約22%;

(3) 利用Fluent對全開狀態(tài)下的永磁彈簧先導(dǎo)閥內(nèi)部流場進行仿真分析，得出先導(dǎo)閥降壓能力約為11.5倍，能夠滿足主閥芯上下腔對壓差的要求，并且不會對閥芯產(chǎn)生氣蝕；

(4) 利用AMESim進行動態(tài)特性仿真，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥穩(wěn)定性能良好，相對于機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的動態(tài)性能更好；

(5) 利用AMESim軟件進行壓力-流量特性仿真，相對于機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥，永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的定壓精度更好；

(6) 通過壓力-流量特性試驗表明，相對于機械彈簧先導(dǎo)式溢流閥，本研究設(shè)計的永磁彈簧先導(dǎo)式溢流閥的定壓精度更好。試驗進一步驗證了仿真結(jié)果。