高性能液壓滑閥配合間隙特性分析

彭瑩

摘 要：高性能液壓閥是工程機械的核心部件，其性能對工程機械的工作性能有相當大的影響。但由于制造和裝配誤差，閥芯和閥體之間不可避免的存在幾何形狀誤差和同軸度誤差，使閥芯和閥體之間存在間隙。配合間隙過小，會增加閥芯運動過程中的摩擦阻力，造成閥芯卡死等故障；反之間隙過大則會大大增加泄漏，影響液壓閥使用壽命和工作性能。文章計算了閥芯受間隙內流場作用的摩擦力，建立了閥間隙的數學模型，并探討了間隙大小對閥性能的影響，并給出了使閥性能最佳的間隙大小。

關鍵詞：高性能液壓閥；工程機械；多路閥；特性分析

1 概述

多路閥是工程機械液壓控制系統中的關鍵控制部件，它可以實現液壓執行機構的復雜動作，其性能對工程機械的性能產生較大影響。但由于制造裝配等多種原因，閥芯與閥體之間的配合并非嚴絲和縫，其間存在間隙。當閥芯處于工作狀態時，若間隙過大，則會使系統泄漏量大大增加，從而影響閥的使用壽命；相反若工作間隙過小，則閥芯與閥體之間的摩擦會加劇，從而出現閥芯卡死等故障，嚴重影響系統安全。就目前而言，間隙泄漏問題還沒有很好的解決方法。余祖耀等[1]分析了柱塞泵中柱塞與缸孔環形縫隙流道的流量，并推導得出了計算公式；徐林[2]利用數值計算方法計算得到了湍流工況下泵環狀間隙內速度與壓力的分布規律；姜福祥，郁凱元[3]建立了先導式溢流閥的數學模型，并在此基礎上對先導式溢流閥間隙泄漏特性及其對溢流閥靜態特性的影響進行了仿真，并將仿真結果與劉冀民[4]的實驗結果進行了比較，得出了較滿意的結論。Pan，X.D. Wang，G.L.[5]等模擬了電液伺服閥閥芯徑向間隙閥口節流特性的影響，并實驗驗證了理論結果。Duan Shanzhong和Nielsen Tyler[6]建立了考慮了諸多影響閥芯動態性能因素的閥芯運動過程的數學模型。文章通過求解閥芯配合間隙內的流場，探討了間隙對滑閥性能的的影響，并探討了閥芯配合間隙的最佳縫隙大小。

2 閥芯間隙流場分析

由于制造和裝配誤差，閥芯與閥體的配合之間存在間隙，考慮到計算上的方便，對間隙幾何模型做出適當的簡化。

圖1 閥芯間隙配合幾何模型

Navier-storkes方程是描述粘性流體運動的基本方程，其基本表述為：

（1）

考慮到閥芯間隙中的尺寸效應，可以忽略油液質量力，又縫隙圓環具有軸向幾何對稱性，在軸向的任何截面上速度分布是相同的，故可取閥芯表面一點作為坐標原點以簡化計算。將N-S方程簡化，其簡化后的數學表達式可表述為：

（2）

由（2）可知，間隙內壓力沿x方向變化，與y、z方向無關，又由幾何對稱性可知速度ux只在y方向上變化，則：

（3）

由邊界條件y=0，ux=u0；y=δ，ux=0，確定閥芯間隙內速度分布為：

（4）

由μ=ρν，dp/dx=Δp/L，當 時，存在間隙內最大速度umax：

（5）

則可知：

（6）

當閥芯速度-u0與間隙δ的比值u0/δ2=ΔP/（μL）時，umax=0。

3 最佳閥芯間隙大小確定

由于閥芯速度u0的符號可正可負，由（6）可知間隙內流場速度是有可能為零的，即有可能實現間隙的零泄漏，但考慮到閥芯的往復運動，實際上很難在閥芯運動全過程內實現零泄漏。文章提出以閥芯配合間隙內的泄漏功率為設計參數，尋找使間隙泄漏功率最小的間隙大小來作為最佳配合間隙。

忽略閥芯與閥體之間的摩擦功率損失，配合間隙內的泄漏功率主要有兩部分組成：一部分是由于閥芯兩端壓力差引起的流量泄漏功率損失Pq；一部分是由于閥芯受間隙流體剪切摩擦力而引起的功率損失PF，則總的泄漏損失功率Ptal為：

（7）

其中：Δp-閥芯兩端壓差；Q-泄漏流量；Fτ-閥芯表面剪切應力 u0-閥芯速度。

由式（5）及牛頓內摩擦定律，可計算得閥芯表面的剪切應力：

（8）

閥芯所受剪切力為：

（9）

則由閥芯表面剪切應力引起的間隙泄漏功率為：

（10）

為簡化計算量，由于閥芯間隙δ的尺寸遠遠小于閥芯直徑r0，則可近似認為2πr0為間隙的寬度，間隙泄漏流量Q為：

（11）

則間隙泄漏量引起的功率損失可由下式計算達到：

（12）

總泄漏功率Ptal：

（13）

由式（13）可知，間隙壓差泄漏功率與閥芯兩端壓差的二次方成正比，間隙寬度的三次方程正比；由閥芯運動引起的剪切功率損失與間隙寬度成反比，與閥芯速度的二次方成正比。當間隙寬度過小時，則會加大間隙剪切功率損失，相反間隙寬度過大，則會大大增加間隙泄漏功率損失。

圖2 閥芯間隙損失功率

由圖2可看出間隙損失功率存在一個最小值，當間隙寬度去該值時，總的損失功率達到最小。令dptal/dδ=0，得：

（14）

即存在間隙寬度

（15）

使閥芯工作時功率損失最小，從（15）可知最小功率損失間隙寬度與于間隙長度、工作油液粘度、閥芯運動速度和間隙兩端壓差均有關系，且與間隙長度、工作油液粘度、閥芯運動速度成正比，與間隙壓差成反比。

最小損失功率為：

（16）

由（16）可看出最小損失功率與閥芯運動速度的二分之三次方成正比，與粘度、間隙壓差成和間隙長度的二分之一次方成正比。

4 結束語

文章討論了高性能液壓滑閥閥芯配合間隙內流場的特性，從N-S方程出發，理論分析了閥芯配合間隙內的流動狀態，得出了間隙內流場的速度分布。并在此基礎上計算了間隙內的速度極值及其出現的位置；在分析間隙內流場的基礎上，文章進而從使閥芯間隙泄漏功率達到最小的角度出發，計算了閥芯間隙泄漏的功率損失，并得出了使間隙泄漏損失功率最小的閥芯間隙，發現最小功率損失間隙與間隙長度、工作油液粘度、閥芯運動速度成正比，與間隙壓差成反比，而最小泄漏功率則與粘度、間隙壓差成和間隙長度均成正比。要減小閥芯間隙大小，則希望閥口壓差越大越好，而壓差的增大則會加大泄漏功率損失。

參考文獻

[1]余祖耀，張鐵華，李壯云.柱塞泵中柱塞與缸孔環形縫隙的泄漏流量計算[J].機械工程師，2000（8）：32-33.

[2]徐林.湍流工況下泵的環狀間隙密封內流場分析及泄漏量計算[J].水泵技術，2002（2）：17-20.

[3]姜福祥，郁凱元.先導式溢流閥泄漏量對其靜態特性影響的仿真研究[J].鹽城工學院學報（自然科學版），2002，15（1）：15-17.

[4]劉冀民.溢流閥泄漏量對其靜動態特性影響的試驗研究[J].機床與液壓，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.