雙級溢流閥先導(dǎo)閥供油流道布局分析

　　為適應(yīng)重大裝備雙級溢流閥的壓力穩(wěn)定性要求，采用帶平衡活塞結(jié)構(gòu)的溢流閥作為先導(dǎo)閥，實現(xiàn)減振穩(wěn)壓的效果，其先導(dǎo)閥必須通過斜長孔從閥芯側(cè)面供油，這種側(cè)向通油流道極易導(dǎo)致偏心、阻塞或卡死現(xiàn)象，加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計的難度。為此，該文采用CFD 流體計算仿真方法，分析不同的流道布局對閥性能的影響，取得了先導(dǎo)閥供油流道的孔數(shù)、孔徑和位置等優(yōu)化參數(shù)。

引言

　　重大裝備工作過程中不可避免地會產(chǎn)生振動、沖擊、加速度，對用于壓力控制的溢流閥穩(wěn)定性要求很高。為提高穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)采用帶平衡活塞結(jié)構(gòu)的雙級溢流閥進行穩(wěn)定壓力控制， 雙級溢流閥的平衡活塞式先導(dǎo)閥芯與閥體形成固定節(jié)流器， 將先導(dǎo)閥腔分成壓力感受腔和控制腔兩腔， 通過節(jié)流反饋來控制輸出壓力，具有減振、消聲、穩(wěn)壓三合一綜合功能。

　　為分析先導(dǎo)閥供油流道的不同布局對閥性能的影響， 本文采用計算流體力學(xué)方法研究主閥與先導(dǎo)閥內(nèi)部流道的三維流場， 準確地得到流道參數(shù)對閥特性的影響，確保溢流閥具有最佳動態(tài)特性。

1、雙級溢流閥機理和理論分析

　　1.1、機理分析

　　如圖1 所示為帶平衡活塞和容腔的雙級溢流閥原理圖。圖中，Qp為液壓泵流量;QL為負載流量;ps為供油壓力;V1為主閥前腔體積;V2為主閥彈簧腔體積;V3為先導(dǎo)閥壓力控制腔體積;V4為先導(dǎo)閥壓力感受腔體積;Q1為主閥前腔至彈簧腔的流量;Q2為自主閥流入先導(dǎo)閥流量;Q3為平衡活塞間隙節(jié)流量;Q、Qx為主閥和先導(dǎo)閥的溢流量;p2為主閥彈簧腔壓力;p3為先導(dǎo)閥壓力感受腔壓力;p4為先導(dǎo)閥壓力控制腔壓力。

1-主閥2-主閥與先導(dǎo)閥連通部分3-先導(dǎo)閥4-主閥閥芯5-主閥彈簧座即先導(dǎo)閥閥體6-先導(dǎo)閥閥芯

圖1 雙級溢流閥原理圖

　　該雙級溢流閥通過細長孔節(jié)流供油給先導(dǎo)閥，并通過平衡活塞結(jié)構(gòu)將先導(dǎo)閥腔分為壓力控制腔V3和壓力感受腔V4的兩個獨立容腔(如圖1b)，通過先導(dǎo)閥供油孔液阻以及活塞間隙液阻來減弱壓力感受腔V4的壓力p4隨供油壓力波動的趨勢，從而達到減振、消聲、穩(wěn)壓的效果。為此，先導(dǎo)閥供油流道無法軸向供油，而必須通過在主閥彈簧座5(即先導(dǎo)閥供油流道)上打細長斜孔從側(cè)向供油。這種側(cè)向流道極易導(dǎo)致產(chǎn)生不平衡液動力，造成偏心甚至閥芯卡死，而且為起到一定的液阻作用，對細長斜孔的通流面積也有限制，因而，其孔數(shù)目、分布及尺寸將直接影響溢流閥的工作性能。

　　1.2、理論分析

　　如圖1b 所示，當雙級溢流閥采用單一孔結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)閥供油時， 油液流過該細長斜孔時將產(chǎn)生軸向和橫截面方向的液動力，且直接作用在先導(dǎo)閥芯上，其橫向液動力為

　　式中νh———先導(dǎo)閥供油孔中油液流速的水平分量，h表示水平;

　　Q2———自主閥流入先導(dǎo)閥的流量，2 指先導(dǎo)閥，1為主閥;

　　θ2 ，d02———先導(dǎo)閥供油孔的傾斜角和內(nèi)徑;

　　ρ———油液密度，840kg/m3。

　　同理可得軸向液動力：

　　式中νz———連通孔中油液流速的垂直分量，z 表示垂直;

　　圖1 所示雙級溢流閥先導(dǎo)閥供油采用單孔流道，孔的傾斜角為30°，內(nèi)徑1.2mm。當溢流閥開啟溢流時(溢流壓力24MPa)， 自主閥流入先導(dǎo)閥的流量約為6.3L/min，由此可以計算單孔流道油液對先導(dǎo)閥閥芯的軸向作用力約為4.1N， 可能導(dǎo)致先導(dǎo)閥的開啟特性不穩(wěn)定。而橫向作用力約為7.1N，可能導(dǎo)致閥芯卡死。若通過多個均勻分布的孔供油， 則可消除橫向液動力并減小軸向液動力。

3、實驗與分析

　　在某伺服機構(gòu)樣機試驗中，當采用圖2a 所示單孔流道的雙級溢流閥時， 壓力工作點無法穩(wěn)定在規(guī)定的24MPa，而是隨著通油壓力的升高而持續(xù)上升，與第2節(jié)計算結(jié)果一致。采用圖2b 所示六孔流道結(jié)構(gòu)雙級溢流閥進行樣機試驗時，壓力工作點可以穩(wěn)定在24.5MPa處，但是噪聲劇烈，噪聲儀讀數(shù)超過60dB。圖2c 所示三孔流道結(jié)構(gòu)孔徑過小， 在實際應(yīng)用中極易阻塞且難于加工。