一種二位三通液壓閥的研究

曹立朝 李振衛(wèi) 韓樹杰

中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 天津 300450

目前，市場上二位三通或者二位四通的液壓閥主要是滑閥類，如華德液壓生產(chǎn)的3（4）/WE10-31/B/C等系列閥，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1，

套管舉升裝置使用的二位三通液壓閥不同于普通的二位三通液壓閥，具有結(jié)構(gòu)集成化程度高，容積效率高，摩擦阻力小，同步可靠，大流量、全密封，特別適合大流量的液壓系統(tǒng)。

1 二位三通液壓閥的液壓系統(tǒng)原理

二位三通液壓閥液壓系統(tǒng)原理如圖2所示， 二位三通液壓閥液壓系統(tǒng)主要由1.單向閥 2.過濾器3.先導(dǎo)閥（電磁閥）4.主閥組成。B進(jìn)油口，A為工作口，T為回油口，P1為外控制口，M1、M2、M3為測壓口。通過先導(dǎo)閥（電磁閥）得電和斷電，從而控制主閥的B油口和A油口通道的打開和關(guān)閉以及控制主閥的A油口和T油口通道的打開和關(guān)閉，即：先導(dǎo)閥（電磁閥）斷電，B油口和A油口通道的打開，A油口和T油口通道關(guān)閉；先導(dǎo)閥（電磁閥）得電，B油口和A油口通道的關(guān)閉，A油口和T油口通道打開。

2 二位三通液壓閥的結(jié)構(gòu)組成

二位三通液壓閥結(jié)構(gòu)如圖3，主要由1. 孔口螺母2.小螺母3.墊塊4.密封5. 閥芯6.閥體7.彈簧8. 閥板9.單向閥10.閥座11.先導(dǎo)閥（電磁閥）12.閥蓋13.過濾器組成。大螺母1、小螺母2通過螺紋分別與閥體6、閥板8連接；閥體 6與閥板8、閥板8與閥座10、閥座10與先導(dǎo)閥（電磁閥）11、閥座10與閥蓋12均通過螺釘連接。閥芯5和大螺母1端面有減震緩沖槽。閥板8裝配有螺旋插裝式單向閥9。閥芯5的動作由主油路進(jìn)油口P或通過單向閥外控油路的控制液壓油經(jīng)電磁閥先導(dǎo)閥（電磁閥）11操控，閥芯5移動使進(jìn)油口P通工作口A或工作口A通回油口T。

圖3 二位三通液壓閥結(jié)構(gòu)圖

3 二位三通液壓閥建模

3.1 二位三通液壓閥建模

根據(jù)二位三通液壓閥液壓系統(tǒng)原理及二位三通液壓閥性能參數(shù)（表1），通過HCD庫建立建立二位三通液壓閥AMESim模型，如圖4，模型中采用恒壓力源液，閥芯左移，開度增加并大于最大開度時為正重疊，開度減少并超過零時為負(fù)重疊，輸入信號應(yīng)為方波形。

圖4 二位三通液壓閥AMESim模型

3.2 閥芯運(yùn)動過程的緩沖結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析

當(dāng)閥芯向左和向右運(yùn)動時，在閥芯與孔口螺母、閥體接觸前會形成緩沖腔，以減小閥芯對孔孔口螺母、閥體的沖擊，經(jīng)過仿真可預(yù)測閥芯的速度變化情況，為閥芯的設(shè)計(jì)提供參考。如圖5所示，液壓缸活塞提升過程，當(dāng)主閥閥芯向左運(yùn)動時，當(dāng)運(yùn)動到19mm時，開始形成緩沖，閥芯與孔口螺母形成環(huán)形閉死容積，容積內(nèi)的高壓油通過環(huán)形縫隙向低壓區(qū)域流動，環(huán)形縫隙形成節(jié)流。

圖5 緩沖腔示意圖

在建模時，可將環(huán)形縫隙等效成節(jié)流孔，可方便的在AMESim中建立仿真模型。根據(jù)形成閉死容積滑閥最大公差-0.8mm，孔口螺母最大公差+0.8，形成環(huán)形間隙寬度為1.6mm，因此，形成環(huán)形縫隙外圈半徑R為54.4，內(nèi)圈半徑為r為53.6，設(shè)等效節(jié)流孔半徑為R等效

則根據(jù)以下公式：

帶入數(shù)據(jù)，當(dāng)環(huán)形間隙為0.8mm時，等效半徑為R等效=18.59mm，同理可計(jì)算公差為0.6mm時，環(huán)形間隙為0.6mm，等效半徑為R等效=16.099mm，當(dāng)環(huán)形間隙為0.2mm時，等效半徑為R等效=4.64973mm。建立的緩沖模型如下圖6所示。

圖6 緩沖模型

3.4 孔口螺母、閥體的沖擊有限元仿真

如圖7閥芯與孔口螺母三維模型所示，孔口螺母的材料為45#鋼，閥芯材料為40cr，初始條件為：設(shè)置孔口螺母與閥芯初始間距為0.001mm，孔口螺母固定，閥芯以初始速度2. 34266m/s撞擊。

圖7 閥芯與孔口螺母三維模型

分析結(jié)果如圖8 和圖9，撞擊瞬間，孔口螺母最大應(yīng)力為121.35Mpa，閥芯最大應(yīng)力為75.42Mpa，孔口螺母的屈服極限為355Mpa，閥芯的屈服極限為785Mpa，孔口螺母與閥芯的應(yīng)力都小于屈服極限，滿足設(shè)計(jì)使用要求。

圖8 閥芯應(yīng)力云圖

圖9 孔口螺母應(yīng)力云圖

4 二位三通液壓閥試驗(yàn)

4.1 二位三通液壓閥試驗(yàn)原理

試驗(yàn)裝置應(yīng)具備如圖10所示的試驗(yàn)回路系統(tǒng)。油源的流量及壓力

圖10 二位三通液壓閥試驗(yàn)原理

高壓油源：壓力≥31.5MPa；流量300～380L/min。

低壓油源：壓力≥5MPa；流量4000～8000L/min。

控制油源：壓力≥2.5MPa；流量≥5L/min。

4.2 二位三通液壓閥試驗(yàn)方法和項(xiàng)目

根據(jù)液壓元件通用技術(shù)條件及相關(guān)閥試驗(yàn)方法等有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并結(jié)合該閥在液壓打樁實(shí)際應(yīng)用情況而制定。主要包括最小控制壓力試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、內(nèi)泄漏試驗(yàn)和壓力損失試驗(yàn)。

5 結(jié)論

對主閥結(jié)構(gòu)原理與動作過程進(jìn)行了詳細(xì)的分析，通過理論計(jì)算，并建立了二位三通液壓閥的AMESim模型；從而保證了設(shè)計(jì)的正確性，掌握了二位三通液壓閥的設(shè)計(jì)方法；掌握了關(guān)鍵零部件的制造方法；掌握了二位三通液壓閥的試驗(yàn)方法。