泵控液壓機(jī)高速配流閥設(shè)計(jì)及其參數(shù)優(yōu)化研究

喬麗霞，潘明存，劉清濤，鄧偉東

（1.河南交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車學(xué)院，河南鄭州 450005；2.長安大學(xué)高速公路施工機(jī)械陜西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064；3.河南奧特科技有限公司研發(fā)中心，河南鄭州 450005）

配流閥因具備優(yōu)異的吸入和密封特性，能夠滿足在高壓工況下獲得更高的泵容積效率［1-2］。合理設(shè)計(jì)配流閥結(jié)構(gòu)是確保泵保持正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)高速配流閥的重要因素包括配流閥響應(yīng)特性與泵柱塞運(yùn)動(dòng)匹配性能［3］。同時(shí)，配流閥在實(shí)際運(yùn)行階段產(chǎn)生的動(dòng)力沖擊以及空化氣蝕現(xiàn)象也會(huì)對其運(yùn)行壽命造成顯著影響，尤其是高速配流閥受到的影響更加明顯［4-5］。根據(jù)以上分析可知，對泵控液壓機(jī)高速配流閥開展動(dòng)態(tài)性能和流動(dòng)特性研究已經(jīng)成為一項(xiàng)非常重要的工作。

大部分泵用高速配流閥都是選擇單向閥，包括閥芯、彈簧、閥座、閥蓋與閥體多個(gè)組成部分，并且配流閥性能也受到閥芯結(jié)構(gòu)的明顯影響，其中，球閥、錐閥與平板閥3 種屬于最常用的配流閥結(jié)構(gòu)［6-7］。各類閥體的特性也存在較大區(qū)別，其中，球形閥和平板閥的結(jié)構(gòu)比較簡單，易于加工制造，但球閥存在慣性偏大的缺陷，通常只被應(yīng)用在較小的閥直徑條件下，平板閥則因具備慣性小與重量輕的優(yōu)勢，可將其應(yīng)用在閥式配流徑向泵作為吸液閥；錐閥包括了柱塞式和菌狀錐閥共兩類，并且都存在導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，可以滿足對閥芯運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確控制的要求［8-11］。錐閥是一種錐形結(jié)構(gòu)的密封面，具備優(yōu)異的自位性能，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的工作狀態(tài)并獲得較長使用壽命，錐閥還具備流量系數(shù)大的特點(diǎn)，相對于其他單向閥，閥芯只需小幅抬起便可以獲得同樣的過流面積；而柱塞式錐閥質(zhì)量與體積都較大，使其具備較大的慣性，由于菌狀錐閥導(dǎo)向結(jié)構(gòu)可被安裝于缸腔外部，使得柱塞式錐閥具備比菌狀錐閥更大的缸內(nèi)死容積，因此，只能將柱塞式錐閥作為排液閥，菌狀錐閥則可以同時(shí)滿足吸排液閥的使用需求［13］。以上研究結(jié)果顯示，錐閥具備比球形閥和平板閥更顯著的優(yōu)點(diǎn)。

閔為等［12］對錐閥開啟時(shí)閥芯的振動(dòng)與系統(tǒng)激勵(lì)狀態(tài)進(jìn)行了研究，并分析了閥芯與閥體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，結(jié)果顯示，壓力調(diào)節(jié)錐閥的開啟控制過程產(chǎn)生的閥芯振動(dòng)狀態(tài)受到閥芯結(jié)構(gòu)、流量與開啟壓力的綜合影響。謝海波等［13］重點(diǎn)測試了閥芯與閥座存在倒角與無倒角兩種閥口狀態(tài)下，錐閥閥芯受液動(dòng)力差異性，結(jié)果顯示，當(dāng)閥口形態(tài)改變時(shí)，閥芯受到的液動(dòng)力方向與大小也隨之出現(xiàn)了變化。根據(jù)以上分析可知，錐閥具備比球形閥和平板閥更明顯的優(yōu)勢，本研究為泵控液壓機(jī)配備了高速配流閥，其工作性能受到閥芯結(jié)構(gòu)的顯著影響，因此需要根據(jù)高速配流閥實(shí)際工況條件合理選擇配流閥結(jié)構(gòu)，同時(shí)對其開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。考慮到本研究的泵控液壓機(jī)需配備高速配流閥，對閥芯結(jié)構(gòu)與質(zhì)量等性能參數(shù)都具有較高要求，需要根據(jù)高速配流閥實(shí)際工況條件選擇合適的配流閥，并對其實(shí)施優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

泵控液壓機(jī)的組成結(jié)構(gòu)與配流原理如圖1 所示。具體工作原理如下：曲軸在電機(jī)帶動(dòng)下發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)星輪進(jìn)行平面運(yùn)動(dòng)，引導(dǎo)柱塞發(fā)生往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)；選擇閥式配流系統(tǒng)，各柱塞腔依次通過一個(gè)進(jìn)液閥與一個(gè)排液閥來調(diào)控乳化液進(jìn)出過程；當(dāng)柱塞腔進(jìn)入吸液階段時(shí)，吸液閥開啟，排液閥保持關(guān)閉狀態(tài)；柱塞腔發(fā)生排液時(shí)，吸液閥保持關(guān)閉狀態(tài)，排液閥保持開啟狀態(tài)。

圖1 泵控液壓機(jī)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of pump-controlled hydraulic press

結(jié)合泵控液壓機(jī)和配流閥工作原理，建立模型如圖2 所示。此模型包括進(jìn)液閥、柱塞腔、排液閥、液壓系統(tǒng)，在柱塞腔壓強(qiáng)比大氣壓強(qiáng)低的情況下，乳化液經(jīng)進(jìn)液閥由液箱流至柱塞腔中；當(dāng)柱塞腔壓強(qiáng)超過出口負(fù)載壓力時(shí)，高壓液體經(jīng)排液閥流至供給液壓缸。下面依次研究了配流閥工作期間的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

圖2 配流閥簡化模型Fig.2 Simplified model of valve

閥啟閉過程對系統(tǒng)運(yùn)行控制性能存在明顯影響，同時(shí)，閥芯上下端面的面積也對閥芯啟閉過程的系統(tǒng)壓力產(chǎn)生較大作用，各類閥芯結(jié)構(gòu)的上下端面面積也存在差異，配流閥受到彈簧參數(shù)與閥芯結(jié)構(gòu)的綜合影響，最終引起配流系統(tǒng)穩(wěn)定性和響應(yīng)特性的變化［15］。

2 仿真分析

2.1 模型建立

頻域和時(shí)域分析是根據(jù)系統(tǒng)頻率變化特性開展數(shù)據(jù)分析的過程，以正弦信號作為系統(tǒng)的輸入，形成一個(gè)2 階配流閥運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，輸入量為階躍信號，輸出量為吸、排液閥位移，重新構(gòu)建得到的仿真模型如圖3所示。

圖3 頻域特性仿真模型Fig.3 Simulation model of frequency domain characteristics

2.2 配流閥頻率特性分析

2.2.1 閥芯質(zhì)量對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響

閥芯屬于配流閥的一個(gè)主要運(yùn)動(dòng)部件，對配流閥啟閉特性存在直接影響，閥芯控制性能受到閥芯質(zhì)量的重要作用，進(jìn)行閥芯設(shè)計(jì)時(shí)需對質(zhì)量參數(shù)開展優(yōu)化設(shè)計(jì)。將彈簧剛度初步設(shè)定在0.8 N/m，為分析不同閥芯質(zhì)量引起的系統(tǒng)響應(yīng)特性變化，依次設(shè)定閥芯質(zhì)量為18、20、22、24 g，再對其進(jìn)行仿真測試，得到結(jié)果如圖4 所示。圖中可見：隨著閥芯質(zhì)量從18 g 增大到20 g，形成諧振峰的高度表現(xiàn)出減小的變化規(guī)律；隨著閥芯質(zhì)量從20 g 增大到24 g，形成諧振峰的高度表現(xiàn)出增加的變化規(guī)律，此時(shí)系統(tǒng)的振蕩程度也明顯增大，發(fā)生了穩(wěn)定性下降現(xiàn)象。提高閥芯質(zhì)量后，系統(tǒng)更快完成輸入響應(yīng)。綜合分析確定閥芯質(zhì)量20 g是較優(yōu)的。

圖4 不同閥芯質(zhì)量的系統(tǒng)伯德圖Fig.4 System Bode diagram of different spool masses

2.2.2 彈簧剛度對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響

彈簧屬于配流閥的一項(xiàng)主要部件，對閥芯運(yùn)動(dòng)特性發(fā)揮著關(guān)鍵作用，從而引起配流閥響應(yīng)特性的變化。彈簧剛度是影響彈簧性能的關(guān)鍵參數(shù)之一，當(dāng)彈簧剛度偏小時(shí)，會(huì)引起震顫和泄漏現(xiàn)象，當(dāng)彈簧剛度太大時(shí)則阻礙閥芯的開啟過程，導(dǎo)致閥芯無法快速響應(yīng)。由于閥芯需要通過預(yù)緊力和液壓力來實(shí)現(xiàn)關(guān)閉狀態(tài)，因此進(jìn)行彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)需綜合考慮彈簧剛度產(chǎn)生的影響。

將閥芯質(zhì)量初步設(shè)定在20 g，為研究彈簧剛度對配流閥產(chǎn)生的影響，依次設(shè)定彈簧剛度為0.6、0.8、1.0、1.2 N/m，再對其開展仿真測試，結(jié)果如圖5所示。圖中可見，隨著彈簧剛度的減小，諧振峰發(fā)生了明顯增大，此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生了更明顯的振蕩，表現(xiàn)為穩(wěn)定性下降結(jié)果；當(dāng)彈簧剛度提高后，系統(tǒng)可以更快完成輸入響應(yīng)。綜合分析確定彈簧剛度0.8 N/m是較優(yōu)的。

圖5 不同彈簧剛度的系統(tǒng)伯德圖Fig.5 System Bode diagram of different spring stiffness

2.3 配流閥時(shí)域特性分析

頻域性能指標(biāo)是判斷系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)性能的一項(xiàng)關(guān)鍵指標(biāo)，可以根據(jù)頻域特性分析整體系統(tǒng)運(yùn)行性能與輸入響應(yīng)速度，進(jìn)行時(shí)域特性分析時(shí)可以根據(jù)時(shí)域曲線變化趨勢來判斷系統(tǒng)流量和閥芯的運(yùn)動(dòng)情況，從而獲得配流閥關(guān)鍵參數(shù)引起的響應(yīng)特性變化，達(dá)到對配流閥結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化效果。

2.3.1 過流孔參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響

當(dāng)乳化液進(jìn)入吸液閥后先經(jīng)過閥體過流孔再到達(dá)柱塞腔中，因此需分析過流孔參數(shù)引起的系統(tǒng)控制性能變化。先設(shè)置6 個(gè)均勻排布的過流孔，結(jié)合配流閥結(jié)構(gòu)依次對5、6、7、8 mm 四種直徑得到過流孔構(gòu)建模型并開展仿真測試，獲得的不同過流孔直徑對應(yīng)的流量曲線如圖6 所示。當(dāng)過流孔直徑為6 mm 時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了最小回流量，此時(shí)流量發(fā)生了小幅波動(dòng)，并且閥芯發(fā)生關(guān)閉時(shí)達(dá)到了最小的運(yùn)動(dòng)速度，從而獲得了最小的閥座撞擊力，因此將過流孔直徑設(shè)定為6 mm。

圖6 不同過流孔直徑的流量與閥芯速度曲線Fig.6 Flow rate and spool velocity curves of different orifice diameters

設(shè)定過流孔直徑為6 mm，依次對4、6、8、10 四種數(shù)量的過流孔模型開展仿真測試，得到的流量曲線如圖7 所示。結(jié)果顯示，當(dāng)過流孔數(shù)量提高到6時(shí)，系統(tǒng)保持穩(wěn)定的回流量狀態(tài)，閥芯運(yùn)動(dòng)最大運(yùn)動(dòng)速度和啟閉時(shí)間則在6 個(gè)過流孔條件下達(dá)到最小，同時(shí)為保證配流閥結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求，將過流孔數(shù)量設(shè)定在6。

圖7 不同過流孔數(shù)量的流量曲線Fig.7 Flow curves of different numbers of flow holes

2.3.2 阻尼孔參數(shù)對系統(tǒng)響應(yīng)特性的影響

為獲得更長的配流閥壽命，降低配流閥對閥座產(chǎn)生的高頻沖擊作用，在錐閥設(shè)置了阻尼孔來降低閥芯對閥座產(chǎn)生的沖擊影響，由此獲得更高的閥座壽命。受阻尼孔的影響，當(dāng)閥芯開啟時(shí)，乳化液無法從容腔快速流至柱塞腔內(nèi)，此時(shí)乳化液受到壓縮并形成更大的壓強(qiáng)，對閥芯開啟造成了限制，延長閥芯開啟時(shí)間，經(jīng)綜合分析選擇最優(yōu)阻尼孔參數(shù)。

表1 顯示了在不同阻尼孔徑條件下得到的閥芯碰撞速度和閥座沖擊力。由表1 可知，為錐閥閥芯底部設(shè)置阻尼孔后能夠有效降低閥座受到的沖擊作用，最終將阻尼孔徑設(shè)定在1.5 mm 的最優(yōu)值。

表1 不同阻尼孔徑的碰撞速度與沖擊力Tab.1 Impact velocity and impact force of different damping apertures

3 結(jié)論

（1）綜合諧振高度和系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間確定閥芯質(zhì)量20 g和彈簧剛度0.8 N/m是較優(yōu)的。

（2）當(dāng)過流孔直徑為6 mm 和流孔數(shù)量6 時(shí)，系統(tǒng)達(dá)到了最小回流量，發(fā)生了小幅波動(dòng)，獲得了最小的閥座撞擊力。

（3）為錐閥閥芯底部設(shè)置阻尼孔后能夠有效降低閥座受到的沖擊，將阻尼孔徑設(shè)定在1.5 mm是最優(yōu)的。