永磁彈簧先導式溢流閥導閥設計與性能分析

(1.昆明理工大學 機電工程學院， 云南 昆明 650500； 2.云南興長江實業(yè)有限公司， 云南 昆明 650111)

引言

先導式溢流閥屬于液壓系統(tǒng)中壓力控制閥的一種，其主要功能是穩(wěn)壓溢流和作為安全閥使用，為系統(tǒng)提供穩(wěn)定、額定、安全的壓力油液[1-3]。彈簧是先導式溢流閥重要的組成零件，先導式溢流閥導閥的啟閉離不開彈簧的作用。現有先導式溢流閥采用的是機械彈簧結構，機械彈簧在長期使用過程中易發(fā)生疲勞失效，影響溢流閥的性能[4-6]。因此，提高彈簧的性能、延長其使用壽命等，一直是溢流閥的重點研究方向[7]。

隨著磁性材料技術的發(fā)展，永磁材料的加工技術日漸成熟?；凇巴艠O相斥，異名磁極相吸”原理制成的永磁彈簧具有能量損失小、力傳遞路線短、無摩擦接觸等特點[8-10]，是近年來研究和應用較多的一種彈簧。將永磁彈簧應用于先導式溢流閥導閥取代機械彈簧，以提高溢流閥的啟閉性能，延長元件使用壽命，使溢流閥結構更為緊湊。

1 永磁彈簧先導式溢流閥導閥結構設計

在原有的機械彈簧先導閥基礎上，重新設計一種永磁彈簧先導閥。

1.1 永磁彈簧工作原理和材料選擇

1) 永磁彈簧工作原理

永磁彈簧是利用2塊高性能的永磁體“同名磁極相斥，異名磁極相吸”產生斥力和引力的原理工作的。永磁彈簧的2塊永磁體之間無直接接觸，具有能量損失較小、力傳遞路線短的特點。

2) 永磁彈簧材料

永磁材料是一種具有高磁能積、耐腐蝕性強、磁穩(wěn)定性優(yōu)異的功能材料[11]。永磁材料按照成分不同可分為：金屬永磁材料、鐵氧體永磁材料和稀土永磁材料等。其中，稀土永磁材料具有磁溫系數低、磁性能穩(wěn)定、矯頑力高等特點[12]。Nd-Fe-B是目前最新一代的稀土永磁材料，其剩磁、矯頑力、最大磁能積等磁物理量均高于同類材料，同時它的機械性能優(yōu)異、材料密度較低，得到了廣泛的應用[13]。此外，Nd-Fe-B材料在80 ℃內退磁率小于5%，在液壓系統(tǒng)中溫度對永磁材料的影響甚微。因此，本研究選用Nd-Fe-B作為永磁彈簧材料。

1.2 永磁彈簧磁場設計

永磁彈簧在先導閥內部會形成無源恒定磁場。永磁彈簧的磁場設計就是在最大限度利用永磁材料的磁性能前提下，根據設計要求計算出永磁彈簧的尺寸參數。永磁彈簧磁場設計的基本公式如下：

φ=BmAm=kfBgAg

(1)

F=-HmLm=krHgLg

(2)

式中，kf—— 漏磁系數

kr—— 磁阻系數

Bg—— 氣隙磁通密度

Hg—— 磁場強度

Ag—— 氣隙面積

Lg—— 氣隙長度

由式(1)和式(2)可得出氣隙磁通密度的計算式：

(3)

式中，Vm—— 永磁材料體積

Vg—— 氣隙體積

磁阻系數和漏磁系數根據經驗估算，其中漏磁系數kf可根據式(4)計算：

(4)

式中，Ua—— 永磁體截面周長

a—— 磁路各部件長度

磁導P可根據式(5)和式(6)計算：

(5)

(6)

式中，x—— 磁鐵端面產生磁場深度

r—— 圓柱磁鐵半徑

永磁彈簧磁場設計流程如圖1所示。

圖1 磁場設計流程圖

1.3 永磁彈簧結構與仿真

根據先導閥內部結構并經磁場設計得到斥力永磁彈簧3D模型及其在導閥內的安裝形式，如圖2所示。

1.進油口 2.阻尼孔 3.非永磁閥芯 4、5.圓柱永磁體6.主閥芯上腔流道 7.回油口 8.導閥閥體圖2 斥力永磁彈簧

其中，錐形閥芯采用非鐵磁材料，2塊圓柱形永磁體分別固定在閥芯大端面和調節(jié)螺桿端面。利用兩圓柱形永磁體間的斥力代替機械彈簧力，通過調節(jié)兩者之間的距離，使其產生不同大小的斥力。

利用Maxwell 3D軟件進行磁力仿真，得到2塊永磁體的斥力-位移曲線。原有先導閥機械彈簧剛度為30 N/mm，將機械彈簧和永磁彈簧數據繪制成力-位移曲線如圖3所示，其中橫坐標是壓縮量，縱坐標是彈簧力。

圖3 力-位移曲線

分析圖3可知，在壓縮量為0～5 mm的條件下，機械彈簧的調節(jié)范圍在0～150 N，永磁彈簧的調節(jié)范圍為27～152 N，該永磁彈簧滿足先導閥彈簧力要求。ΔF做功WODC>WABC,可以推測在調節(jié)范圍內永磁彈簧的反應速度高于機械彈簧。

1.4 永磁彈簧溢流閥導閥結構

永磁彈簧先導式溢流閥導閥結構示意圖如圖4所示，該結構主要由密封端蓋、閥體、閥芯、調壓螺桿、調壓手輪、O形密封圈、斥力永磁彈簧等部分組成。為保證在導閥的密封性能，在導閥左右端蓋和與主閥體連接端面處開密封槽，用O形密封圈保證其密封性。2塊圓柱形Nd-Fe-B磁鐵同名磁極相對分別固定在閥芯和調壓螺桿端面，確保之間為斥力。

1.六角堵頭 2.閥體 3.閥芯 4.調節(jié)螺桿5.端蓋 6.手輪 7、10.密封圈 8、9.永磁體圖4 永磁彈簧溢流閥導閥結構示意圖

工作原理：當進油口A不通壓力油時，閥芯處于關閉狀態(tài)，油液無法進入閥體。當進油口A通入壓力油液時，隨著壓力增大，油液從A口進入，克服手輪調定的圓柱永磁體間斥力推開閥芯，從回油口C流出。此時，連接主閥閥芯的主閥上腔流道B使主閥閥芯產生壓差，主閥在壓差作用下克服復位彈簧力開啟溢流。

根據設計所加工的永磁彈簧先導閥實物如圖5所示。

1.調壓螺桿 2.閥體 3.閥芯 4.遠程口密封端蓋5.密封端蓋 6.調壓手輪 7.永磁彈簧 8.密封圈圖5 永磁彈簧先導閥實物圖

由于永磁彈簧力傳遞路線更短，該永磁彈簧先導閥結構更加緊湊，體積較原有的機械彈簧先導閥減少約22%。

2 永磁彈簧先導式溢流閥導閥流場仿真

利用CFD仿真軟件對全開狀態(tài)下的先導閥流場進行仿真分析，以驗證所設計結構的合理性。

2.1 永磁彈簧先導閥CFD仿真初始條件設定

工作介質為46號抗磨液壓油，默認為不可壓縮流體，其密度為870 kg/m3，黏度為1.7×10-3N·s/m2。邊界條件設置進口為壓力入口類型，入口壓力設置為3.5 MPa，出口為標準大氣壓，邊界采用默認邊界類型。求解采用k-omega SST模型進行分析[14-15]。

2.2 永磁彈簧先導閥流場網格模型建立

在SolidWorks軟件中建立閥口全開狀態(tài)下的三維模型，利用ICEM CFD軟件進行網格劃分。對于流場變化劇烈的部分，如阻尼孔、閥芯處的網格進行加密，以獲得高質量的網格，提高仿真準確性[16-18]。劃分好的先導閥流場網格模型如圖6所示。

圖6 流場網格模型

2.3 CFD仿真結果與分析

利用Fluent軟件仿真得到的全開狀態(tài)下先導閥流場總壓力分布云圖、湍流強度分布云圖和速度分布云圖，如圖7～圖9所示。

圖7 流場總壓力云圖

圖8 流場湍流強度云圖

圖9 流場速度2D云圖

從圖7流場總壓力云圖可以看出，油液通入先導閥后，阻尼孔前端產生較大壓力，流經阻尼孔后壓力明顯降低，降壓能力約為11.5倍，滿足溢流閥主閥芯上下腔壓力差的要求。且閥芯周圍工作壓力大于液壓油汽化壓力(6～200 Pa)，因此閥芯運動時不易出現氣穴現象，避免了油液對閥芯的氣蝕。從圖8流場湍流強度云圖可以看出在阻尼孔前后以及孔內的湍流強度較大，進出油口湍流強度較小。較大的湍流強度會導致閥芯振動，在閥芯后端設計的流動區(qū)域降低了湍流強度對閥芯振動的影響。由于進出油口湍流強度較小，先導閥與主閥間的振動不明顯，不影響溢流閥正常工作。由圖9流場速度云圖可以看出，油液在進出油口的流速相對穩(wěn)定。油液流經細長孔后，流速有一定增大，最大達到了102 m/s，這是由于油液的通流面積瞬間減小造成的。仿真結果表明，先導閥流場結構設計合理。

3 永磁彈簧先導式溢流閥特性仿真

為分析永磁彈簧先導式溢流閥性能，利用AMESim軟件建立仿真模型，進行階躍壓力響應特性和穩(wěn)態(tài)壓力-流量特性仿真[19]。

3.1 先導式溢流閥仿真模型

根據本研究的先導式溢流閥原理建立的仿真模型如圖10所示。

圖10 先導式溢流閥仿真模型

3.2 參數設置

在AMESim中對先導式溢流閥進行參數設置，主要參數如表1所示。其中，機械彈簧先導閥設置彈簧剛度為30 N/mm，永磁彈簧先導閥則根據永磁彈簧磁力曲線導入。此外，由于永磁彈簧先導閥的結構更加緊湊，部分參數不同于機械彈簧先導式溢流閥。

表1 尺寸參數表

3.3 動態(tài)特性仿真分析

設置仿真時間為0.05 s,步長為0.001 s，系統(tǒng)壓力分別設定為3， 4， 5， 6 MPa,得到階躍壓力響應曲線如圖11所示。

由圖11可知，在不同系統(tǒng)壓力條件下，永磁彈簧先導式溢流閥的進口壓力最終收斂于系統(tǒng)壓力，說明本研究設計的永磁彈簧先導式溢流閥的穩(wěn)定性良好[20]。2種先導式溢流閥的超調率均隨系統(tǒng)壓力增大而降低。

圖11 階躍壓力響應曲線

對比2種溢流閥的曲線可知，永磁彈簧先導式溢流閥的超調量、超調率相對于機械彈簧先導式溢流閥略低，在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，永磁彈簧先導式溢流閥的超調率為52%，機械彈簧先導式溢流閥超調率為63%，超調率降低了17.5%。永磁彈簧先導式溢流閥的過渡過程時間更小，在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，永磁彈簧先導式溢流閥的過渡過程時間為0.024 s，機械彈簧先導式溢流閥過渡過程時間為0.036 s，減少了33.3%。但二者的響應時間相差不大。動態(tài)特性分析說明永磁彈簧先導式溢流閥的動態(tài)性能更好。

3.4 壓力-流量特性仿真分析

在表2的參數設置基礎上，設定仿真間隔為0.1 s，得到3， 4， 5， 6 MPa系統(tǒng)壓力下的穩(wěn)態(tài)壓力-流量特性曲線如圖12所示。

分析圖12可知，永磁彈簧先導式溢流閥的壓力-流量特性曲線的斜率較機械彈簧先導式溢流閥略小。在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，機械彈簧先導式溢流閥調壓偏差值為7.7%，永磁彈簧先導式溢流閥調壓偏差值為6.0%。仿真結果表明，永磁彈簧先導式溢流閥的調壓偏差更低，說明其定壓精度更好。

4 永磁彈簧先導式溢流閥壓力-流量特性試驗

為了更好地研究永磁彈簧先導式溢流閥在真實工況下的性能，搭建穩(wěn)態(tài)壓力-流量試驗臺，分別對傳統(tǒng)機械彈簧先導式溢流閥和永磁彈簧先導式溢流閥進行測試分析。圖13為溢流閥壓力-流量特性試驗原理圖。

1.液壓泵 2.系統(tǒng)溢流閥 3.溫度計4、5.壓力計 6.節(jié)流閥 7.流量計圖13 溢流閥壓力-流量特性試驗原理圖

根據原理圖搭建的壓力-流量特性試驗臺如圖14所示。

圖14 先導式溢流閥特性試驗臺

4.1 壓力-流量特性試驗數據分析

根據采集的數據繪制壓力-流量曲線，如圖15所示。

圖15 壓力-流量試驗曲線

由圖15可以看出，永磁彈簧先導式溢流閥的壓力-流量特性曲線的斜率較機械彈簧先導式溢流閥更小。在系統(tǒng)壓力為6 MPa時，機械彈簧先導式溢流閥調壓偏差值為8.0%，永磁彈簧先導式溢流閥調壓偏差值為5.3%。試驗進一步驗證了仿真結果，說明本研究設計的永磁彈簧先導閥有利于改善先導式溢流閥的定壓精度。

4.2 仿真與試驗數據對比

仿真結果和試驗結果基本一致，驗證了仿真模型的正確性。不過試驗曲線和仿真曲線有一定偏差，究其原因如下：

(1) 仿真模型沒有考慮實際情況下的復雜流場運動[21]；

(2) 試驗時液壓油較高的溫度會讓永磁材料輕微退磁，并且液壓油本身具有一定的隔磁性，這會導致永磁彈簧剛度較理論值略低；

(3) 機械彈簧先導閥流場受螺旋機械彈簧阻力的影響，會導致一定的局部壓力損失；

(4) 仿真設置的46號液壓油參數與實際情況存在差別。

5 結論

(1) 利用Ansoft Maxwell對機械彈簧和永磁彈簧進行仿真，得到壓縮范圍在0～5 mm的磁力-位移曲線，證明永磁彈簧滿足彈簧力要求；

(2) 永磁彈簧先導閥的結構更加緊湊。在本研究的技術指標下，相對于機械彈簧先導閥，永磁彈簧先導閥的體積減少約22%;

(3) 利用Fluent對全開狀態(tài)下的永磁彈簧先導閥內部流場進行仿真分析，得出先導閥降壓能力約為11.5倍，能夠滿足主閥芯上下腔對壓差的要求，并且不會對閥芯產生氣蝕；

(4) 利用AMESim進行動態(tài)特性仿真，永磁彈簧先導式溢流閥穩(wěn)定性能良好，相對于機械彈簧先導式溢流閥，永磁彈簧先導式溢流閥的動態(tài)性能更好；

(5) 利用AMESim軟件進行壓力-流量特性仿真，相對于機械彈簧先導式溢流閥，永磁彈簧先導式溢流閥的定壓精度更好；

(6) 通過壓力-流量特性試驗表明，相對于機械彈簧先導式溢流閥，本研究設計的永磁彈簧先導式溢流閥的定壓精度更好。試驗進一步驗證了仿真結果。