李娜娜 劉亞斌 魏列江 冀 宏 譚振達(dá) 趙保才

(蘭州理工大學(xué)能源與動力工程學(xué)院, 蘭州 730050)

0 引言

節(jié)流槽滑閥又稱非全周開口滑閥,是液壓閥的基本結(jié)構(gòu)形式之一,它的閥口是在閥芯凸肩上均布若干不同形狀的節(jié)流槽,或者不同形狀節(jié)流槽的組合,用于獲得不同的流量控制特性。節(jié)流槽滑閥閥口水力半徑大、抗阻塞性能好、流量調(diào)節(jié)范圍寬、面積梯度容易控制、具有較好的流量微調(diào)性能[1-4]。通過合理設(shè)計組合節(jié)流槽可以獲得豐富的多級閥口面積曲線,能夠?qū)崿F(xiàn)對流量的多級節(jié)流控制,滿足不同工況下液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)對運(yùn)動速度的要求[5-8]。

工程機(jī)械中液壓系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、安全性、舒適性等眾多特性很大程度取決于節(jié)流槽滑閥的性能,而節(jié)流槽滑閥的性能又很大程度上取決于節(jié)流槽形狀的設(shè)計,所以節(jié)流槽形狀的設(shè)計是滑閥閥芯設(shè)計中很重要的一環(huán)。節(jié)流槽的形狀決定了閥口過流面積,閥口過流面積又影響著閥的微動特性。隨著對中高端工程機(jī)械的響應(yīng)速度和懸停位置微調(diào)靈敏度的需求提高,對閥的分辨率和控制精度的要求也進(jìn)一步提升,而傳統(tǒng)的國產(chǎn)比例閥普遍存在工作裝置在小開口下低頻抖動,微小信號下響應(yīng)速度、控制精度較低,即微動特性較差的問題。微動特性是液壓元件設(shè)計的一個關(guān)鍵因素,如挖掘機(jī)、起重機(jī)在工作過程中常常需要進(jìn)行一些微動操作,而閥微動特性直接影響著這一操作的可靠性和準(zhǔn)確性[9-13]?？梢詫⑽犹匦远x為控制主閥芯以微小增量緩慢移動到各工作位置時,閥的響應(yīng)特性和流量特性,可以用線性度、小開口處的流量穩(wěn)定性、小開口處的響應(yīng)時間、流量增益等性能指標(biāo)來衡量。要使閥的微動特性有較好的表現(xiàn),閥在小開口處通過節(jié)流槽的流量增益就不宜太大,且工作過程中流量線性度要好,小開口時閥芯位移響應(yīng)時間要短。因此可以通過改變節(jié)流槽的結(jié)構(gòu),來實現(xiàn)對流量變化梯度及線性度的控制,進(jìn)而提升比例閥在小開口處的微動特性。

文獻(xiàn)[14-15]在對液壓滑閥節(jié)流槽氣穴噪聲特性的研究中,對節(jié)流槽閥口的過流面積進(jìn)行了分析和計算;對非全周開口滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[16]對節(jié)流槽滑閥閥口系數(shù)及穩(wěn)態(tài)液動力進(jìn)行了研究,提出了利用節(jié)流槽閥口過流面積來衡量節(jié)流槽閥口流量控制特性的方法。ROGER[17]利用ANSYS對閥內(nèi)壓力場和速度場進(jìn)行了仿真分析,得到了不同邊界條件下閥口流量特性與閥口過流面積的關(guān)系。由于傳統(tǒng)的U形節(jié)流槽在小開口處過流面積變化梯度和流量增益較大,導(dǎo)致比例閥存在著啟動不平穩(wěn)和流量控制精度較低的問題,為了使得閥芯移動時閥口過流面積近似于線性變化,以增強(qiáng)流量的平穩(wěn)過渡[18-22],本文提出一種節(jié)流槽形狀為斜坡漸擴(kuò)形的新閥芯,通過理論計算、仿真分析、試驗驗證對U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的流量特性、位移響應(yīng)特性進(jìn)行分析和研究。

1 閥口過流面積推導(dǎo)與計算

閥口過流面積是影響閥口流量特性的最主要因素,它的計算是閥芯設(shè)計的關(guān)鍵,是流量計算的前提和基礎(chǔ)[23-25]。U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口結(jié)構(gòu)如圖1a、1b所示,閥口壓差分布如圖1c、1d所示。

圖1 U形和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽三維圖和閥口壓力分布圖Fig.1 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves 3D diagram and pressure distribution diagram

1.1 U形節(jié)流槽閥口過流面積推導(dǎo)與計算

U形節(jié)流槽又稱矩形節(jié)流槽,由半圓段和矩形段組成。運(yùn)用Fluent仿真軟件對U形節(jié)流槽進(jìn)行流場仿真,由U形閥口在某一開度下閥腔內(nèi)部的壓力分布圖(圖1c)可以看到U形節(jié)流槽閥口壓差主要集中在節(jié)流面A1、A2上,且具有二級節(jié)流的特征,其節(jié)流槽過流面積計算簡圖如圖2所示。

圖2 U形節(jié)流槽過流面積計算簡圖Fig.2 Calculation diagram of discharge area of U-shaped throttle

因為U形節(jié)流槽具有二級節(jié)流的典型特征,所以U形節(jié)流槽的閥口面積SU按節(jié)流面A1和A2的面積串聯(lián)等效計算,其等效方程為

(1)

閥口開度0

(2)

(3)

閥口開度xn

(4)

(5)

式中x——閥口開度R——閥芯半徑

β——開口槽圓心角

W——節(jié)流槽口寬度

H——節(jié)流槽上平面到閥芯中心軸距離

D——節(jié)流槽特征深度

L——節(jié)流槽長度

SU、S1、S2——節(jié)流槽閥口面、節(jié)流面A1、節(jié)流面A2的面積

1.2 斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口過流面積推導(dǎo)與計算

圖3為閥口坡度為β1時的斜坡漸擴(kuò)形過流面積計算簡圖,運(yùn)用Fluent對斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽進(jìn)行流場仿真,得到如圖1d所示在某一開度下閥腔內(nèi)部的壓差分布圖,由圖可知斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口壓差主要集中在節(jié)流面A3的投影面A4上,其具有單級節(jié)流的特征。閥芯通過左右移動改變閥口開度x來獲取相應(yīng)的過流面積,進(jìn)而控制通過節(jié)流口的流量。斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的典型特征是隨著閥口開度的增加,閥口過流面積也在持續(xù)增加,過流面積變化梯度較為平穩(wěn)。

圖3 斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽過流面積計算簡圖Fig.3 Calculation diagram of discharge area of slope-diverge-shape throttle

斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口過流面積的計算可用最小截面來確定。由于閥芯節(jié)流口上節(jié)流邊所在的面為圓弧面,圍成曲面的相貫線為空間三維曲線,因此難以獲得此處過流面積的精確解析解,所以本文在推導(dǎo)斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽過流面積時對閥口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡化,采用以直代曲的方法將閥口上節(jié)流邊的圓弧簡化為直線。因為斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽進(jìn)出口壓差集中分布在斜面A4上,所以閥口面積可按閥口開度處的截面A4在斜面A3上的投影面積計算,其過流面積計算公式為

S4=S3cosβ1

(6)

0

(7)

hx=xtanβ1+h1

(8)

Wx=2rsinα1

(9)

S3=Wxhx

(10)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(11)

(12)

L1

hx=xtanβ1+h1

(13)

(14)

(15)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(16)

(17)

L2

hx=xtanβ1+h1

(18)

(19)

(20)

S4=S3cosβ1=Wxhxcosβ1

(21)

(22)

式中r——閥口半徑

α1——節(jié)流槽漸擴(kuò)度

h1——節(jié)流槽初始深度

hx——閥口開度為x時的節(jié)流槽深度

γ1——二級節(jié)流槽漸擴(kuò)角

γ2——三級節(jié)流槽漸擴(kuò)角

L1、L2、L3——三級節(jié)流槽長度

W1、W2、W3——三級節(jié)流槽寬度

Wx——閥口開度為x時的節(jié)流槽寬度

S3、S4——節(jié)流面A3、節(jié)流面A4的面積

通過上面的計算結(jié)果,可以得到U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口面積隨閥口開度變化的曲線圖如圖4所示。由圖可知,在小開口處,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有較小的面積變化梯度,即流量增益較小,因此執(zhí)行機(jī)構(gòu)起動過程較平穩(wěn)、調(diào)速性能好、沖擊力較小。整體來看,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的過流面積變化曲線的線性度較好,具有較好的響應(yīng)速度和流量控制精度。

圖4 不同節(jié)流槽形狀下閥口面積-閥口開度曲線Fig.4 Valve port area-opening curves under different throttle groove shapes

2 流動特性仿真分析

為了驗證過流面積理論計算的合理性,以及不同節(jié)流槽形狀的閥芯對主閥在小開口處的啟動平穩(wěn)性、響應(yīng)特性和流量特性的影響情況,運(yùn)用計算流體力學(xué)的方法通過Fluent軟件對不同閥口開度進(jìn)行流場仿真。首先利用SolidWorks軟件建立U形和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥芯的三維模型如圖1a、1b所示。然后通過DM進(jìn)行主閥閥口處流道的抽取,再利用ICEM進(jìn)行網(wǎng)格劃分,由于主閥閥口處分布有節(jié)流槽,閥口處的結(jié)構(gòu)以及油液的流態(tài)復(fù)雜,壓力、速度變化梯度較大,因此在閥口處采用局部網(wǎng)格加密,其它區(qū)域采用粗網(wǎng)格的方法。邊界條件采用固定壓差,入口壓力設(shè)置為20 MPa,出口壓力設(shè)置為18 MPa,固定壓差為2 MPa;油液密度844 kg/m3,運(yùn)動粘度0.025 49 m2/s,仿真模型選擇k-ε。對兩種閥芯在閥口開度分別為1、2 mm時進(jìn)行仿真,得到壓力云圖如圖5所示;速度云圖如圖6所示;速度流線圖如圖7所示。

圖5 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在不同閥口開度下的壓力云圖Fig.5 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves pressure cloud diagram under different port openings

圖6 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在不同閥口開度下的速度云圖Fig.6 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves velocity cloud diagram under different port openings

圖7 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在不同閥口開度下的速度流線圖Fig.7 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves speed streamline diagram under different port openings

滑閥的穩(wěn)態(tài)液動力可以理解為閥芯臺階面壓力狀態(tài)的改變,使得閥芯產(chǎn)生了一個軸向附加力。由于閥芯節(jié)流槽是對稱分布的,所以閥芯徑向力相互抵消,只有軸向力存在,而閥芯臺階面上的軸向壓力差值即為穩(wěn)態(tài)液動力[26]。穩(wěn)態(tài)液動力是影響比例閥控制特性的關(guān)鍵因素之一,本文針對U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽進(jìn)行了流場仿真,在滿足主閥最大流量特性要求的同時,比較兩種節(jié)流槽結(jié)構(gòu)哪個具有更小的穩(wěn)態(tài)液動力。由圖5可知,U形節(jié)流槽在流動過程中在第1次節(jié)流和第2次節(jié)流處存在壓力損耗,而斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽只有一次節(jié)流,所以節(jié)流口處的壓力損耗相比U形節(jié)流槽更小。由圖6可知,閥口開度較小時,流體的最大速度處于節(jié)流槽斜坡與閥體拐點(diǎn)的垂線上,由此證明了節(jié)流面積理論計算部分選取的節(jié)流位置是合理的。U形節(jié)流槽入口處的流速大于斜坡漸擴(kuò)形入口處的流速,根據(jù)穩(wěn)態(tài)液動力的簡化計算公式

Fs=ρqvv1cosα1

(23)

式中ρ——油液密度qv——體積流量

v1——流速α1——射流角

可知,流速越大,產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動力也更大。所以,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有較小的穩(wěn)態(tài)液動力,因而也具有更好的位移響應(yīng)特性。

由圖7可知,當(dāng)油液沖擊閥芯壁面產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)時,會在閥腔內(nèi)形成漩渦,隨著閥口開度逐漸增大,漩渦越來越明顯,而漩渦的內(nèi)摩擦、漩渦與射流的混合是液壓系統(tǒng)能量損耗的重要原因。U形節(jié)流槽結(jié)構(gòu)在開口為1 mm時,射流沿著閥腔壁流入,在閥口附近形成多個漩渦,使得閥口附近的流動狀態(tài)變差,也造成了較大的流動損耗。而在采用斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽后,閥腔內(nèi)漩渦渦核的位置發(fā)生了明顯的變化,漩渦的數(shù)量也明顯減少,漩渦產(chǎn)生的位置離閥口較遠(yuǎn),影響的范圍也減小,預(yù)期會有更好的閥口流動狀態(tài)以及更小的流動損耗。在閥口開度為2 mm時,U形節(jié)流槽閥腔內(nèi)部流場拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了本質(zhì)上的變化,在閥腔內(nèi)部形成了兩個非對稱漩渦,主要是由閥腔內(nèi)部結(jié)構(gòu)的不對稱引起的,而在采用了斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽之后,渦核的位置產(chǎn)生了變化,漩渦的影響范圍和程度也有明顯的減弱。由于這種流場特性的不同,導(dǎo)致了U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在閥口處的流量特性具有明顯的差異,結(jié)合兩種節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的壓力云圖、速度云圖以及速度流線圖可知,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在主閥小開口處具有更小的流動損耗和更平穩(wěn)的啟動特性。

3 閥口處流量與位移響應(yīng)特性仿真分析

3.1 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽通過閥芯的流量隨閥口開度的變化特性

將通過計算所得到的閥口過流面積曲線導(dǎo)入到如圖8所示的AMESim仿真模型里,得到流量-閥口開度曲線如圖9所示。通過對比過流面積的仿真和計算結(jié)果可知,兩者能夠較好地吻合,證明了仿真模型的正確性和可行性[27]。

圖8 U形和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽AMESim模型Fig.8 U-shaped and slope-diverge-shaped throttle grooves AMESim model

圖9 不同節(jié)流槽形狀下流量-閥口開度曲線Fig.9 Flow-opening curves under different throttle groove shapes

由圖9可知,在不影響主閥最大流量的前提下,U形節(jié)流槽閥口開度小于頂部圓弧半徑時,閥口面積梯度較大,流量增益較大;閥口開度大于頂部圓弧半徑時,閥口面積梯度較小,流量增益較小,因此當(dāng)主閥在小開口時,會產(chǎn)生微調(diào)性能較差、啟動不平穩(wěn)的問題。而斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在開度較小時,閥口面積梯度較為平緩,流量增益較小;開度較大時,閥口面積梯度較大,流量增益也較大,所以當(dāng)主閥在小開口時,流量變化緩慢平穩(wěn),流量控制精度較好,增加了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動平穩(wěn)性,提高了比例閥的微動特性。此外相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的調(diào)速性能更好,能較好地滿足有慢動作要求的工況,且在小流量工況下具有較好的緩沖效果,能夠防止執(zhí)行機(jī)構(gòu)突然動作。

3.2 U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的閥芯位移響應(yīng)特性和流量控制特性

由流場仿真結(jié)果可知,主閥在小開口時,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥口處的穩(wěn)態(tài)液動力較小,流動狀態(tài)較好,具有較小的流動損耗。對于大流量比例閥,閥芯的位移響應(yīng)速度和控制性能主要由穩(wěn)態(tài)液動力決定,穩(wěn)態(tài)液動力過大會降低閥芯的響應(yīng)時間,會對閥芯控制的穩(wěn)定性產(chǎn)生較大的影響。由此可知斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽應(yīng)該在閥口開度較小時具有更好的響應(yīng)和控制性能。

由圖10可知,當(dāng)給定主閥位移信號為1 mm時,U形節(jié)流槽在0.27 s時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在0.23 s時就可以達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),比U形節(jié)流槽快了0.04 s。由圖11可知,當(dāng)給定主閥位移信號為2 mm時,U形節(jié)流槽在0.33 s時達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在0.26 s時就達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),比U形節(jié)流槽快了0.07 s。因此,在閥芯小開口時,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有更好的位移響應(yīng)特性。

圖10 閥芯位移為1 mm時位移響應(yīng)曲線Fig.10 Displacement response curves when spool displacement was 1 mm

圖11 閥芯位移為2 mm時位移響應(yīng)曲線Fig.11 Displacement response curves when spool displacement was 2 mm

4 試驗

圖12、13為不同節(jié)流槽形狀下比例閥微動特性測試試驗裝置原理圖和試驗臺,圖14為斜坡漸擴(kuò)形閥芯的實物圖。比例閥節(jié)流口進(jìn)出壓力分別由變量泵和比例減壓閥調(diào)定,系統(tǒng)最高壓力由溢流閥設(shè)定為30 MPa。軟管和進(jìn)油口過濾器、回油口過濾器能夠有效地降低油液受污染的風(fēng)險,以及減小油液脈動與沖擊對節(jié)流口處流動特性的影響。采用透明度高的亞克力板做成主閥的右控制腔殼體,然后再安裝位移傳感器,通過透明殼體可以直接觀察到主閥芯的位移變化情況。測控系統(tǒng)利用CompactRIO虛擬儀器測控平臺,對主閥芯進(jìn)出口壓力以及主閥芯的位移變化情況進(jìn)行高精度實時控制和檢測。采集系統(tǒng)利用NI9401板卡進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

圖12 比例閥微動特性測試試驗原理圖Fig.12 Schematic of experimental scheme for testing micro-motion characteristics of proportional valves1.油箱 2.過濾器 3.變量泵 4.溢流閥 5.壓力傳感器 6.溫度計 7.截止閥 8.蓄能器 9.流量計 10.被試閥 11.位移傳感器 12.油缸

圖13 比例閥微動特性測試試驗臺Fig.13 Proportional valve micro-motion characteristics test bench1.泵站 2.被試閥 3.上位機(jī) 4.電源 5.壓力傳感器 6.油缸

圖14 斜坡漸擴(kuò)形閥芯實物圖Fig.14 Physical diagram of slope-diverge-shaped throttle spool

針對比例閥微動特性的測試,分別采用U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽兩種不同節(jié)流槽形狀的閥芯進(jìn)行試驗研究。采用PWM信號作為控制信號,向閥芯發(fā)送位移信號,觀察不同節(jié)流槽形狀下主閥芯的位移響應(yīng)情況,以及不同閥口開度下,通過主閥芯的流量變化曲線。分別得到U形節(jié)流槽和斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的位移和流量特性曲線如圖15、16所示。

圖15 不同節(jié)流槽形狀下閥芯位移曲線Fig.15 Spool displacement curves under different throttle groove shapes

因為高速開關(guān)閥先導(dǎo)橋路輸出的流量是離散化的,所以主閥芯的位移響應(yīng)具有周期性的振蕩。從圖15可以看出,U形節(jié)流槽閥芯在0.41 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),而斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥芯在0.33 s達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽的位移響應(yīng)時間縮短0.08 s。從圖16可以看出,試驗結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合,證明了仿真模型的正確性和合理性,且在小開口階段,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽流量變化緩慢平穩(wěn),提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟動平穩(wěn)性,且流量特性曲線線性度更好,即流量的控制精度更高,因此斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有較好的微動特性。

圖16 不同節(jié)流槽形狀下閥芯流量曲線Fig.16 Spool flow curves under different throttle groove shapes

5 結(jié)論

(1)相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽閥芯在小開口處具有更小的穩(wěn)態(tài)液動力,且閥口的流動狀態(tài)更加穩(wěn)定,因此斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有更小的流動損耗和更好的啟閉特性。

(2)由仿真結(jié)果可知,相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在閥口開度為1 mm時,閥芯位移響應(yīng)時間縮短0.04 s;在閥口開度為2 mm時,閥芯的位移響應(yīng)時間縮短0.07 s。由試驗結(jié)果可知,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽達(dá)到穩(wěn)定的時間相較于U形節(jié)流槽縮短0.08 s。因此斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有更好的位移響應(yīng)特性。

(3)相較于U形節(jié)流槽,斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽在閥芯小開口處,其過流面積變化梯度相對平緩,流量增益較小,且在閥芯的整個動作過程中,線性度更高,不存在過早的流量飽和。因此斜坡漸擴(kuò)形節(jié)流槽具有更好的流量控制特性。