交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥閥芯有限元分析

徐劍+王旭芳+胡超超+柯昌云+王澤旭+陳華濤

摘要：針對(duì)交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥閥芯的設(shè)計(jì)方案，為保證閥芯在正常工作時(shí)能穩(wěn)定可靠的工作，采用了有限元仿真分析的手段對(duì)閥芯進(jìn)行了應(yīng)力仿真與分析，仿真分析結(jié)果表明，閥芯結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和變形要求。

關(guān)鍵詞：激振閥 閥芯 交替矩形窗口機(jī)構(gòu)壓力交替變化

0 前言

隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，尤其航空航天、高速列車等高科技領(lǐng)域的不斷發(fā)展，以及對(duì)產(chǎn)品安全性能、可靠性等方面的要求不斷提高，對(duì)疲勞試驗(yàn)設(shè)備工作頻率和激振載荷的幅值等都提出了更高的要求。當(dāng)前航空航天飛行器、汽車和高速列車的關(guān)鍵零部件疲勞壽命要求必須達(dá)到107周次以上，有些設(shè)備的疲勞壽命甚至高達(dá)1010周次，美國(guó)空軍"發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)完整性大綱（ENSIP）"規(guī)定了"發(fā)動(dòng)機(jī)部件"的疲勞壽命最低應(yīng)達(dá)到109周次。液壓激振器作為疲勞試驗(yàn)的一種常用設(shè)備，其核心元件液壓激振閥的使用壽命和可靠性就成為疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵，因此，如何液壓激振閥的可靠性對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其提出了極高的要求，要求其閥體、發(fā)套和閥芯的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，這對(duì)提高疲勞試驗(yàn)臺(tái)的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1-4]。

本文針對(duì)一種交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥的閥芯結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析和變形分析，研究其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性。

1 總體方案設(shè)計(jì)

圖1為交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥總體設(shè)計(jì)方案，該閥由閥體、閥芯、齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、步進(jìn)電機(jī)等主要零部件組成，該閥使用步進(jìn)電機(jī)作為電-機(jī)械轉(zhuǎn)換器，通過齒輪驅(qū)動(dòng)閥芯做軸向旋轉(zhuǎn)，在閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)，閥芯左凸肩上的兩組矩形窗口機(jī)構(gòu)交替與閥體內(nèi)部的兩壓力通道接通，控制閥芯左右壓力腔的壓力產(chǎn)生交替變化，驅(qū)動(dòng)閥芯作軸向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得激振閥的高壓油口與兩控制口交替通斷，輸出交變壓力油，驅(qū)動(dòng)激振油缸活塞桿的伸出與縮進(jìn)，對(duì)外輸出交變力，從而實(shí)現(xiàn)激振。

2 閥芯的方案設(shè)計(jì)

圖2所示為閥芯結(jié)構(gòu)，閥芯左凸肩上設(shè)有交替矩形窗口，起到導(dǎo)控作用，閥芯具有旋轉(zhuǎn)和軸向兩個(gè)自由度。交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了兩組8個(gè)矩形窗口數(shù)，兩組矩形窗口在周向上相互交替，閥芯直徑為12mm，兩個(gè)相鄰窗口所對(duì)應(yīng)的圓心角為45°。

3 閥芯的有限元分析

閥芯采用的材料為GCr45軸承鋼，彈性模量E=217 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800 kg/m3，許用應(yīng)力[σ]=1442 MPa。閥芯在25MPa壓力下，左凸肩上交替矩形窗口處應(yīng)力情況如圖3所示，此時(shí)閥芯所受最大應(yīng)力為248.9MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，閥芯強(qiáng)度滿足要求。

在25MPa壓力下閥芯左端交替矩形窗口處應(yīng)變情況如圖4所示，此時(shí)閥芯最大應(yīng)變?yōu)?，當(dāng)具有最大壓力時(shí)，閥芯變形不足以影響其在閥體內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)。

3.3 總體分析

根據(jù)仿真結(jié)果最終得到應(yīng)力與壓力，應(yīng)變與壓力兩條關(guān)系曲線如圖5、圖6所示，兩條直線均呈線性，說明在25MPa壓力下閥芯處于彈性形變即材料的比例極限范圍內(nèi)。閥芯允許承受的應(yīng)力遠(yuǎn)小于許可應(yīng)力，足夠安全可靠，符合設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

該交替矩形窗口導(dǎo)控激振閥閥芯的有限元仿真分析結(jié)果表明，閥芯結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度和變形要求，能保證閥的安全可靠工作。該閥可廣泛應(yīng)用于疲勞試驗(yàn)、振動(dòng)鍛造、振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)、地震模擬試驗(yàn)臺(tái)等系統(tǒng)中，具有廣闊的市場(chǎng)前景和應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

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