高性能液压滑阀配合间隙特性分析

彭莹

摘 要：高性能液压阀是工程机械的核心部件，其性能对工程机械的工作性能有相当大的影响。但由于制造和装配误差，阀芯和阀体之间不可避免的存在几何形状误差和同轴度误差，使阀芯和阀体之间存在间隙。配合间隙过小，会增加阀芯运动过程中的摩擦阻力，造成阀芯卡死等故障；反之间隙过大则会大大增加泄漏，影响液压阀使用寿命和工作性能。文章计算了阀芯受间隙内流场作用的摩擦力，建立了阀间隙的数学模型，并探讨了间隙大小对阀性能的影响，并给出了使阀性能最佳的间隙大小。

关键词：高性能液压阀；工程机械；多路阀；特性分析

1 概述

多路阀是工程机械液压控制系统中的关键控制部件，它可以实现液压执行机构的复杂动作，其性能对工程机械的性能产生较大影响。但由于制造装配等多种原因，阀芯与阀体之间的配合并非严丝和缝，其间存在间隙。当阀芯处于工作状态时，若间隙过大，则会使系统泄漏量大大增加，从而影响阀的使用寿命；相反若工作间隙过小，则阀芯与阀体之间的摩擦会加剧，从而出现阀芯卡死等故障，严重影响系统安全。就目前而言，间隙泄漏问题还没有很好的解决方法。余祖耀等[1]分析了柱塞泵中柱塞与缸孔环形缝隙流道的流量，并推导得出了计算公式；徐林[2]利用数值计算方法计算得到了湍流工况下泵环状间隙内速度与压力的分布规律；姜福祥，郁凯元[3]建立了先导式溢流阀的数学模型，并在此基础上对先导式溢流阀间隙泄漏特性及其对溢流阀静态特性的影响进行了仿真，并将仿真结果与刘冀民[4]的实验结果进行了比较，得出了较满意的结论。Pan，X.D. Wang，G.L.[5]等模拟了电液伺服阀阀芯径向间隙阀口节流特性的影响，并实验验证了理论结果。Duan Shanzhong和Nielsen Tyler[6]建立了考虑了诸多影响阀芯动态性能因素的阀芯运动过程的数学模型。文章通过求解阀芯配合间隙内的流场，探讨了间隙对滑阀性能的的影响，并探讨了阀芯配合间隙的最佳缝隙大小。

2 阀芯间隙流场分析

由于制造和装配误差，阀芯与阀体的配合之间存在间隙，考虑到计算上的方便，对间隙几何模型做出适当的简化。

图1 阀芯间隙配合几何模型

Navier-storkes方程是描述粘性流体运动的基本方程，其基本表述为：

（1）

考虑到阀芯间隙中的尺寸效应，可以忽略油液质量力，又缝隙圆环具有轴向几何对称性，在轴向的任何截面上速度分布是相同的，故可取阀芯表面一点作为坐标原点以简化计算。将N-S方程简化，其简化后的数学表达式可表述为：

（2）

由（2）可知，间隙内压力沿x方向变化，与y、z方向无关，又由几何对称性可知速度ux只在y方向上变化，则：

（3）

由边界条件y=0，ux=u0；y=δ，ux=0，确定阀芯间隙内速度分布为：

（4）

由μ=ρν，dp/dx=Δp/L，当 时，存在间隙内最大速度umax：

（5）

则可知：

（6）

当阀芯速度-u0与间隙δ的比值u0/δ2=ΔP/（μL）时，umax=0。

3 最佳阀芯间隙大小确定

由于阀芯速度u0的符号可正可负，由（6）可知间隙内流场速度是有可能为零的，即有可能实现间隙的零泄漏，但考虑到阀芯的往复运动，实际上很难在阀芯运动全过程内实现零泄漏。文章提出以阀芯配合间隙内的泄漏功率为设计参数，寻找使间隙泄漏功率最小的间隙大小来作为最佳配合间隙。

忽略阀芯与阀体之间的摩擦功率损失，配合间隙内的泄漏功率主要有两部分组成：一部分是由于阀芯两端压力差引起的流量泄漏功率损失Pq；一部分是由于阀芯受间隙流体剪切摩擦力而引起的功率损失PF，则总的泄漏损失功率Ptal为：

（7）

其中：Δp-阀芯两端压差；Q-泄漏流量；Fτ-阀芯表面剪切应力 u0-阀芯速度。

由式（5）及牛顿内摩擦定律，可计算得阀芯表面的剪切应力：

（8）

阀芯所受剪切力为：

（9）

则由阀芯表面剪切应力引起的间隙泄漏功率为：

（10）

为简化计算量，由于阀芯间隙δ的尺寸远远小于阀芯直径r0，则可近似认为2πr0为间隙的宽度，间隙泄漏流量Q为：

（11）

则间隙泄漏量引起的功率损失可由下式计算达到：

（12）

总泄漏功率Ptal：

（13）

由式（13）可知，间隙压差泄漏功率与阀芯两端压差的二次方成正比，间隙宽度的三次方程正比；由阀芯运动引起的剪切功率损失与间隙宽度成反比，与阀芯速度的二次方成正比。当间隙宽度过小时，则会加大间隙剪切功率损失，相反间隙宽度过大，则会大大增加间隙泄漏功率损失。

图2 阀芯间隙损失功率

由图2可看出间隙损失功率存在一个最小值，当间隙宽度去该值时，总的损失功率达到最小。令dptal/dδ=0，得：

（14）

即存在间隙宽度

（15）

使阀芯工作时功率损失最小，从（15）可知最小功率损失间隙宽度与于间隙长度、工作油液粘度、阀芯运动速度和间隙两端压差均有关系，且与间隙长度、工作油液粘度、阀芯运动速度成正比，与间隙压差成反比。

最小损失功率为：

（16）

由（16）可看出最小损失功率与阀芯运动速度的二分之三次方成正比，与粘度、间隙压差成和间隙长度的二分之一次方成正比。

4 结束语

文章讨论了高性能液压滑阀阀芯配合间隙内流场的特性，从N-S方程出发，理论分析了阀芯配合间隙内的流动状态，得出了间隙内流场的速度分布。并在此基础上计算了间隙内的速度极值及其出现的位置；在分析间隙内流场的基础上，文章进而从使阀芯间隙泄漏功率达到最小的角度出发，计算了阀芯间隙泄漏的功率损失，并得出了使间隙泄漏损失功率最小的阀芯间隙，发现最小功率损失间隙与间隙长度、工作油液粘度、阀芯运动速度成正比，与间隙压差成反比，而最小泄漏功率则与粘度、间隙压差成和间隙长度均成正比。要减小阀芯间隙大小，则希望閥口压差越大越好，而压差的增大则会加大泄漏功率损失。

参考文献

[1]余祖耀，张铁华，李壮云.柱塞泵中柱塞与缸孔环形缝隙的泄漏流量计算[J].机械工程师，2000（8）：32-33.

[2]徐林.湍流工况下泵的环状间隙密封内流场分析及泄漏量计算[J].水泵技术，2002（2）：17-20.

[3]姜福祥，郁凯元.先导式溢流阀泄漏量对其静态特性影响的仿真研究[J].盐城工学院学报（自然科学版），2002，15（1）：15-17.

[4]刘冀民.溢流阀泄漏量对其静动态特性影响的试验研究[J].机床与液压，1998（4）：67-69.

[5]Pan，X.D.，Wang，G.L. Lu，Z.S.Liu Z.H.Simulation research on effect of diametric clearance of spool valve to valve orifice discharge characteristic[J]. Key Engineering Materials，2009，392：184-188.

[6]Duan Shanzhong， Nielsen Tyler. Modeling and analysis of spool valves with eccentric clearance[J].ASME International Mechanical Engineering Congress and Exposition，2008（4）：69-74.