板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥

韓冬，龔國(guó)芳，劉毅，廖湘平

(浙江大學(xué)流體動(dòng)力與機(jī)電系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江杭州310027)

疲勞試驗(yàn)是指用低于破壞強(qiáng)度的載荷對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)加載，直到物體發(fā)生疲勞機(jī)械損壞［1］。疲勞試驗(yàn)對(duì)于設(shè)計(jì)各類(lèi)承受循環(huán)載荷的機(jī)械結(jié)構(gòu)以及分析材料、零部件甚至整個(gè)構(gòu)件的力學(xué)性能是最客觀、最直接的實(shí)驗(yàn)途徑，它廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸、航空航天、機(jī)電系統(tǒng)等關(guān)系國(guó)計(jì)民生的工程技術(shù)領(lǐng)域［2－3］。

激振器是疲勞試驗(yàn)的關(guān)鍵元件，按照驅(qū)動(dòng)方式的不同，激振器主要分為機(jī)械式、電動(dòng)式、電磁式和電液式，其中電液激振器因具有激振力大、結(jié)構(gòu)牢靠、抗橫向負(fù)荷能力強(qiáng)、可控性好等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于重載、大功率場(chǎng)合［4］。目前常用的電液激振器主要是在電液伺服閥控制信號(hào)輸入端輸入振動(dòng)激勵(lì)信號(hào)，閥芯作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，閥口大小發(fā)生周期性變化，控制液壓執(zhí)行元件作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)振動(dòng)。由于受到現(xiàn)有伺服閥閥芯往復(fù)結(jié)構(gòu)原理的限制，難以解決過(guò)流面積、閥芯行程與振動(dòng)頻率和波形的矛盾，即使采用工藝復(fù)雜、價(jià)格昂貴、對(duì)油液污染極其敏感的三級(jí)電液伺服閥，其頻寬也難以取得較大突破，振動(dòng)波形的控制更是難以實(shí)現(xiàn)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、可靠性高、工作頻率高、抗油液污染等優(yōu)點(diǎn)的液壓轉(zhuǎn)閥來(lái)替代電液伺服閥，如美國(guó)的LEONARD 設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)軸式液壓轉(zhuǎn)閥［5］、美國(guó)的George HOCHREIN 等設(shè)計(jì)的輪齒式液壓轉(zhuǎn)閥［6］、浙江大學(xué)研制的平衡臺(tái)階式液壓轉(zhuǎn)閥［7－8］、浙江工業(yè)大學(xué)研制的2D 數(shù)字電液四通換向閥［9－13］等。但是現(xiàn)有的閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥一般采用在閥芯臺(tái)肩的一側(cè)或兩側(cè)開(kāi)設(shè)凹槽的結(jié)構(gòu)，通過(guò)閥芯的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)換向功能，在高頻工況下流量較小，且由于液壓流道的非對(duì)稱性，現(xiàn)有的閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥的軸向液動(dòng)力也較大。

設(shè)計(jì)了一種板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥，它既克服了傳統(tǒng)電液伺服閥頻寬低、波形控制難等缺點(diǎn)，又克服了現(xiàn)有液壓轉(zhuǎn)閥高頻工況下流量較小、軸向液動(dòng)力較大的缺點(diǎn)，是一種閥口開(kāi)度變化連續(xù)、線性度好、高頻工況下流量大的新型結(jié)構(gòu)液壓轉(zhuǎn)閥。

1 工作原理

圖1所示為板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)原理圖，閥體的4 個(gè)側(cè)壁上依次開(kāi)有徑向的進(jìn)油口、A口、出油口和B 口，閥套的壁上對(duì)應(yīng)地開(kāi)有與進(jìn)油口、A 口、出油口和B 口相匹配的閥套窗口，閥套還開(kāi)有對(duì)應(yīng)地與進(jìn)油口、A 口、出油口和B 口連通的4個(gè)貫通的軸向流道，4 個(gè)軸向流道均為形狀相同的扇形，并沿著閥套的周向等間隔分布。

圖1 板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)原理圖

閥芯的一端伸出端蓋外，通過(guò)聯(lián)軸器與步進(jìn)電機(jī)連接。閥芯以閥體的中心橫截面為對(duì)稱面設(shè)有兩個(gè)對(duì)稱的板狀臺(tái)肩，每個(gè)臺(tái)肩的外端面設(shè)有兩個(gè)扇形凸臺(tái)，兩個(gè)扇形凸臺(tái)沿圓周方向的位置差所對(duì)應(yīng)的圓心角為180°。所述凸臺(tái)將臺(tái)肩的外端面與端蓋之間形成的容腔分隔成互不相通的第一腔和第二腔。沿臺(tái)肩圓周方向上還等間隔地設(shè)有4 個(gè)扇形軸向通孔，通孔的形狀與軸向流道的形狀完全相同。臺(tái)肩上相鄰?fù)着c凸臺(tái)沿圓周方向的位置差為45°。如圖2所示為板狀閥芯通孔與閥套軸向流道口導(dǎo)通關(guān)系示意圖。

圖2 板狀閥芯通孔與閥套軸向流道口導(dǎo)通關(guān)系示意圖

步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)板狀閥芯勻速旋轉(zhuǎn)，板狀閥芯通孔的過(guò)流面積大小呈周期性變化，油液進(jìn)出換向閥的流量大小及方向也隨之發(fā)生周期性變化。根據(jù)閥芯、閥套的結(jié)構(gòu)及板狀閥芯通孔與閥套軸向流道的配合導(dǎo)通關(guān)系，可得到該換向閥的工作頻率為:

式中:n 為閥芯轉(zhuǎn)速，r/min。

2 閥口特征

板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口為形狀相同的扇形，單個(gè)板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口所對(duì)應(yīng)的圓心角為β。根據(jù)圖2所示的導(dǎo)通關(guān)系示意圖可得到閥口過(guò)流面積表達(dá)式:

式中:γ 為閥芯旋轉(zhuǎn)角位移，rad;r1為單個(gè)板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口的長(zhǎng)弧邊半徑，m;r2為單個(gè)板狀閥芯通孔或閥套軸向流道口的短弧邊半徑，m;m=0，1，2，3，…。

如圖3所示為板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口配合導(dǎo)通的過(guò)流面積，可看出:過(guò)流面積在(2m+1)β 處取最大值，閥口開(kāi)度變化連續(xù)，且過(guò)流面積A 和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移γ 在整個(gè)工作范圍內(nèi)嚴(yán)格呈正比關(guān)系，線性度好，增益恒定。

圖3 板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口的導(dǎo)通過(guò)流面積

3 理論模型及分析

3.1 轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)特性

由式(1)可知閥芯的旋轉(zhuǎn)周期為:

閥芯旋轉(zhuǎn)時(shí)，板狀閥芯通孔和閥套軸向流道口周期性配合的過(guò)流面積隨周期變化，在時(shí)間內(nèi)，板狀閥芯通孔和相鄰一側(cè)閥套軸向流道口連通;在時(shí)間內(nèi)，板狀閥芯通孔和相鄰另一側(cè)閥套軸向流道口連通，過(guò)流面積函數(shù)和時(shí)間內(nèi)的相同，因此只取時(shí)間范圍內(nèi)進(jìn)行分析。閥口開(kāi)度為:

假設(shè)理想零開(kāi)口轉(zhuǎn)閥是匹配且對(duì)稱的，則壓力－流量特性方程為:

式中:Cd為流量系數(shù);ps為系統(tǒng)供油壓力，Pa;pL為系統(tǒng)負(fù)載壓力，Pa。

根據(jù)壓力－流量特性方程得到的無(wú)因次壓力－流量曲線如圖4所示。可以看到:在壓力比為0 處各曲線之間的等距性好，這說(shuō)明該轉(zhuǎn)閥的流量增益線性化程度高，也進(jìn)一步驗(yàn)證了過(guò)流面積A 和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移γ 在整個(gè)工作范圍內(nèi)嚴(yán)格呈正比關(guān)系。

圖4 無(wú)因次壓力－流量曲線

3.2 轉(zhuǎn)閥的受力分析

由P 口流進(jìn)的液壓油通過(guò)對(duì)應(yīng)的閥套窗口進(jìn)入對(duì)應(yīng)的閥套軸向流道后分成對(duì)稱的兩路，所以軸向液動(dòng)力理論上很小，可以忽略不計(jì)。根據(jù)動(dòng)量定理，兩路對(duì)稱的液壓油流入或者流出第一腔或第二腔時(shí)由周向力產(chǎn)生的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力矩為:

式中:ρ 為液壓油密度，kg/m3;q 為通過(guò)閥口的流量，m3/s;v 為閥口的射流速度，m/s;α 為射流角，即射流方向與閥口徑向之間的夾角，rad。

根據(jù)伯努利方程，通過(guò)閥口的流速可以表示為:

式中:Cv為速度系數(shù);Δp 為閥口兩端的壓差。

通過(guò)扇形閥口的流量可以利用薄壁小孔的流量公式得:

根據(jù)上述式子可得到:

根據(jù)牛頓公式，可得到液壓轉(zhuǎn)閥閥芯與閥套之間的黏性摩擦力矩為:

式中:μ 為黏性系數(shù)，Pa·s;hs為閥芯與閥套之間的軸向間隙，m;rs為板狀閥芯臺(tái)肩半徑，m。

3.3 轉(zhuǎn)閥的頻響特性分析

圖5 和圖6所示分別為不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的階躍特性與幅頻特性。增大阻尼系數(shù)B 可以有效抑制轉(zhuǎn)閥輸出流量的超調(diào)和振蕩，降低流量階躍的調(diào)整時(shí)間，對(duì)轉(zhuǎn)閥的穩(wěn)定工作有利，但是隨著阻尼系數(shù)B 的增大，液壓轉(zhuǎn)閥的頻寬變窄，響應(yīng)速度減慢。所以要通過(guò)調(diào)節(jié)閥芯閥套間的徑向間隙、改變閥芯半徑等方法，在一定范圍內(nèi)調(diào)整阻尼系數(shù)，以兼顧轉(zhuǎn)閥工作的穩(wěn)定性和快速性。

圖5 不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的階躍響應(yīng)

圖6 不同阻尼系數(shù)下液壓轉(zhuǎn)閥的幅頻特性

4 結(jié)論

(1)板狀閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥結(jié)構(gòu)新穎，軸向液動(dòng)力小，過(guò)流面積和旋轉(zhuǎn)閥芯角位移嚴(yán)格呈正比，線性度好，增益恒定。

(2)大阻尼系數(shù)B 可以降低轉(zhuǎn)閥輸出流量的超調(diào)和振蕩，減少流量階躍的調(diào)整時(shí)間，但是頻寬變窄，可以通過(guò)調(diào)節(jié)合適的阻尼系數(shù)，兼顧轉(zhuǎn)閥工作的穩(wěn)定性和快速性。

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