一種用于節(jié)能型液壓激振技術(shù)中高頻液壓轉(zhuǎn)閥的研究

王育榮，呂云嵩

（南京工程學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，南京 211167）

0 引言

振動技術(shù)是一項(xiàng)廣泛用于各工業(yè)領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。激振方法主要包括機(jī)械、電動和液壓三類。機(jī)械和電動激振只適用于激振力小于6噸且對位移幅值要求不高的場合。液壓激振的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠產(chǎn)生較大的激振力和位移幅值，大型液壓振動臺的激振力能達(dá)到數(shù)十噸，低頻段的位移幅值可達(dá)數(shù)十公分，恰好彌補(bǔ)了機(jī)械和電動激振的不足，基本上能夠滿足航天航空、汽車、造船、冶金等領(lǐng)域?qū)Υ髧嵨徽駝友b備的需求[1～3]。此外，液壓激振器力密度和功率密度大，易于小型化，因此，比機(jī)械和電動激振更能適應(yīng)工程機(jī)械等移動裝備在體積和重量方面的要求[4]。液壓激振技術(shù)這些特有的優(yōu)點(diǎn)是其他激振方法無法替代的，因此近年來在上述領(lǐng)域中取得了較快發(fā)展。

但是目前液壓激振方法仍比較單一，無論是實(shí)驗(yàn)設(shè)備還是工程機(jī)械，所用液壓激振系統(tǒng)幾乎都是閥控缸結(jié)構(gòu)。這種方法固然具有結(jié)構(gòu)簡單、操控方便、頻響高及一次性投入少等優(yōu)點(diǎn)，但其高能耗缺點(diǎn)一直無法克服。高能耗是由液壓振動系統(tǒng)的工作機(jī)理所決定，其本質(zhì)上是一種節(jié)流調(diào)速回路，對液壓缸運(yùn)動的控制是通過閥的阻尼效應(yīng)將液壓能有序地轉(zhuǎn)化為熱能來實(shí)現(xiàn)的，故效率低下。從目前的態(tài)勢看，高能耗已經(jīng)成為液壓激振技術(shù)應(yīng)用推廣的主要技術(shù)障礙。

1 節(jié)能型液壓激振技術(shù)

當(dāng)前液壓激振技術(shù)基本上是跟蹤移植電氣控制技術(shù)和電動激振技術(shù)的研究成果，在尋求合適的控制方法、改善輸出性能指標(biāo)上下功夫，而有關(guān)液壓激振技術(shù)的基本原理及節(jié)能技術(shù)方面的研究則少有進(jìn)展。對振動系統(tǒng)而言，當(dāng)質(zhì)量、剛度之類結(jié)構(gòu)參數(shù)確定之后，質(zhì)體的速度、加速度、位移和動量等物理量便確立了一一對應(yīng)的函數(shù)關(guān)聯(lián)。節(jié)能型液壓激振系統(tǒng)的基本思路是，以電機(jī)、飛輪、液壓傳動回路和慣性負(fù)載組成基于動量循環(huán)原理的節(jié)能型液壓激振系統(tǒng)。系統(tǒng)中液壓傳動回路是由雙聯(lián)泵、液壓換向閥和液壓缸組成的閉式回路。液壓換向閥能夠改變回路的傳動比和負(fù)載的運(yùn)動方向。當(dāng)回路的傳動比發(fā)生改變時，飛輪與負(fù)載之間便會產(chǎn)生動量交換，從而改變負(fù)載運(yùn)動速度。這與現(xiàn)有系統(tǒng)完全靠阻尼來改變負(fù)載運(yùn)動的情況相比明顯節(jié)能。

但這種液壓振動系統(tǒng)對液壓換向閥（液壓轉(zhuǎn)閥）的性能要求很高，首先是換向頻率要高。其次為了保證節(jié)能效果，換向閥的換向頻率和閥口開度的變化規(guī)律要與負(fù)載的固有頻率及振動相位相匹配。現(xiàn)有液壓轉(zhuǎn)閥閥芯的運(yùn)動形式是擺動，不能高頻換向。伺服閥價格昂貴，閥口切換過程中節(jié)流損失大。錐閥組件需要專門設(shè)計(jì)且整體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，響應(yīng)慢，僅適于大流量工況。所以相關(guān)液壓件產(chǎn)品難以滿足上述要求。下文對節(jié)能型液壓激振系統(tǒng)中的核心部件高頻液壓轉(zhuǎn)閥進(jìn)行研究和分析。

2 高頻液壓轉(zhuǎn)閥

2.1 結(jié)構(gòu)原理

如圖1所示為高頻液壓轉(zhuǎn)閥結(jié)構(gòu)示意圖。泵轉(zhuǎn)閥由閥體、閥芯、閥套以及傳動軸等零件組成。閥芯上有五段完整圓柱面與閥孔形成間隙密封，將閥分隔成四個密封區(qū)段。第一密封區(qū)段功能上相當(dāng)于一只兩位四通換向閥，第二至第四密封區(qū)段組成一只左位為直通右位為M型滑閥機(jī)能的兩位四通換向閥。閥芯受力平衡?？刂齐姍C(jī)驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)，閥的外接油口之間的連接關(guān)系高頻切換。

圖1 高頻液壓轉(zhuǎn)閥示意圖

2.2 工作過程分析

如圖1所示，閥芯3包括五段完整的圓柱面和四段周邊開槽的不完整柱面，完整圓柱面與閥孔形成間隙密封，將四段開槽閥芯分割為四個密封區(qū)段。在第一密封區(qū)段，如剖面圖A、B所示，閥芯3的外圓表面上，開設(shè)了四個徑向?qū)ΨQ布置、與閥芯軸線平行且尺寸相同的柱面溝槽，他們與閥孔形成四個密封油腔。其兩對不相鄰油腔，分別由閥芯上兩個橫向油孔連通，兩油孔分置于A、B截面，互不相交但均與閥芯軸線垂直。在閥套4上開有四個油窗，相鄰油窗中心線間夾角為45°。閥芯油槽間的密封角a略大于閥孔油窗開口對應(yīng)的圓心角b，油窗軸向長度小于密封區(qū)間長度。上述四個油窗與閥的四個外接油口P、T、A、B相通，當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)時，油口間的連接關(guān)系將交替變換，相當(dāng)于兩位四通換向閥連續(xù)換向，閥轉(zhuǎn)一周換向四次。

第二密封區(qū)段如剖面C所示。閥芯的外圓表明上也開設(shè)了四個徑向?qū)ΨQ布置、與閥芯軸平行且尺寸相同的柱面溝槽，他們與閥孔形成四個密封油腔。閥芯上設(shè)有與其軸線垂直的十字形相交油孔，將上述四個油腔連通。在閥套4上開有兩個尺寸相同的矩形油窗，其長邊與閥套軸線平行，他們在閥套圓周上對稱布置，即間隔180°，油窗周向?qū)挾葘?yīng)的圓心角略小于閥芯油槽的密封區(qū)間。

第三與第四密封區(qū)段閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1中剖面圖D、E所示，閥芯及閥套結(jié)構(gòu)與第一密封區(qū)完全相同，只是油窗在閥套4圓周上所處的相位不同，他們在閥套法平面內(nèi)投影的夾角依次為90°和45°。第二至第四密封區(qū)段閥套4上共有P1，P2，T1，T2，P2，及 T2，六個油窗，分別于閥上四個同名外接油口連通，如圖1中C、D、E剖面圖所示。當(dāng)閥芯旋轉(zhuǎn)時，油口見的連接關(guān)系發(fā)生變化，其功能相當(dāng)于左位為直通，右位為M型滑閥機(jī)能的兩位四通換向閥，該閥與第一密封區(qū)段形成的換向閥同步換向，換向頻率比前者高一倍，閥旋轉(zhuǎn)一周換向八次。

2.3 轉(zhuǎn)閥性能分析

2.3.1 速度分析

轉(zhuǎn)閥閥芯采用力平衡設(shè)計(jì)，其油腔都是按徑向?qū)ΨQ布置的，徑向力是平衡的。如圖1所示，閥芯3兩端油腔設(shè)有泄油孔，故沒有軸向力。由于閥的轉(zhuǎn)速高，流量大，對內(nèi)泄漏不敏感，故允許閥芯3與閥套5間留有足夠的配合間隙。閥的結(jié)構(gòu)能保證摩擦副充分潤滑冷卻。由于上述因素，閥能以較高的速度旋轉(zhuǎn)。

2.3.2 換向頻率分析

轉(zhuǎn)閥的換向頻率計(jì)算公式如下：

式中，f為轉(zhuǎn)閥換向頻率，HZ；n為轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速，r/min。若轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速n為1200r/min時，則轉(zhuǎn)閥的換向頻率f為160HZ，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有液壓轉(zhuǎn)閥低于10HZ的換向頻率。采用轉(zhuǎn)閥時，液壓激振系統(tǒng)振動工作頻率是由轉(zhuǎn)閥的轉(zhuǎn)速決定的，為轉(zhuǎn)閥換向頻率的二分之一。當(dāng)轉(zhuǎn)閥轉(zhuǎn)速n為1200r/min時，系統(tǒng)振動工作頻率為80HZ，滿足液壓激振的高頻需求。驅(qū)動閥芯旋轉(zhuǎn)的控制電機(jī)可以是步進(jìn)電機(jī)、伺服電機(jī)或小型直流電機(jī)，根據(jù)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角控制精度的要求，可以采用開環(huán)或閉環(huán)控制。閉環(huán)控制加以適當(dāng)?shù)目刂撇呗?，能使電機(jī)轉(zhuǎn)速和系統(tǒng)的自然頻率自動匹配，有利于提高系統(tǒng)的效率。

3 結(jié)束語

本文首先對當(dāng)前液壓激振技術(shù)存在高能耗、低效率等問題進(jìn)行了分析，在提出了一種節(jié)能型液壓激振技術(shù)思想的基礎(chǔ)上，對其核心部件高頻液壓轉(zhuǎn)閥進(jìn)行了原理設(shè)計(jì)、工作過程和主要性能分析，其結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的高頻液壓轉(zhuǎn)閥能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速連續(xù)旋轉(zhuǎn)和高頻換向，且轉(zhuǎn)閥的造價低，結(jié)構(gòu)緊湊，彌補(bǔ)了當(dāng)前液壓轉(zhuǎn)閥的不足。適用于液壓振動系統(tǒng)以及對換向頻率要求較高的相關(guān)場合。同時也為對高頻液壓轉(zhuǎn)閥的閥口性狀、流場特征和增益補(bǔ)償?shù)冗M(jìn)一步研究打下基礎(chǔ)和液壓激振技術(shù)的進(jìn)步進(jìn)行了探索。

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