雙級溢流閥先導閥供油流道布局分析

　　為適應重大裝備雙級溢流閥的壓力穩定性要求，采用帶平衡活塞結構的溢流閥作為先導閥，實(shí)現減振穩壓的效果，其先導閥必須通過(guò)斜長(cháng)孔從閥芯側面供油，這種側向通油流道極易導致偏心、阻塞或卡死現象，加大了結構設計的難度。為此，該文采用CFD 流體計算仿真方法，分析不同的流道布局對閥性能的影響，取得了先導閥供油流道的孔數、孔徑和位置等優(yōu)化參數。

引言

　　重大裝備工作過(guò)程中不可避免地會(huì )產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、加速度，對用于壓力控制的溢流閥穩定性要求很高。為提高穩定性，液壓系統采用帶平衡活塞結構的雙級溢流閥進(jìn)行穩定壓力控制， 雙級溢流閥的平衡活塞式先導閥芯與閥體形成固定節流器， 將先導閥腔分成壓力感受腔和控制腔兩腔， 通過(guò)節流反饋來(lái)控制輸出壓力，具有減振、消聲、穩壓三合一綜合功能。

　　為分析先導閥供油流道的不同布局對閥性能的影響， 本文采用計算流體力學(xué)方法研究主閥與先導閥內部流道的三維流場(chǎng)， 準確地得到流道參數對閥特性的影響，確保溢流閥具有最佳動(dòng)態(tài)特性。

1、雙級溢流閥機理和理論分析

　　1.1、機理分析

　　如圖1 所示為帶平衡活塞和容腔的雙級溢流閥原理圖。圖中，Qp為液壓泵流量;QL為負載流量;ps為供油壓力;V1為主閥前腔體積;V2為主閥彈簧腔體積;V3為先導閥壓力控制腔體積;V4為先導閥壓力感受腔體積;Q1為主閥前腔至彈簧腔的流量;Q2為自主閥流入先導閥流量;Q3為平衡活塞間隙節流量;Q、Qx為主閥和先導閥的溢流量;p2為主閥彈簧腔壓力;p3為先導閥壓力感受腔壓力;p4為先導閥壓力控制腔壓力。

1-主閥2-主閥與先導閥連通部分3-先導閥4-主閥閥芯5-主閥彈簧座即先導閥閥體6-先導閥閥芯

圖1 雙級溢流閥原理圖

　　該雙級溢流閥通過(guò)細長(cháng)孔節流供油給先導閥，并通過(guò)平衡活塞結構將先導閥腔分為壓力控制腔V3和壓力感受腔V4的兩個(gè)獨立容腔(如圖1b)，通過(guò)先導閥供油孔液阻以及活塞間隙液阻來(lái)減弱壓力感受腔V4的壓力p4隨供油壓力波動(dòng)的趨勢，從而達到減振、消聲、穩壓的效果。為此，先導閥供油流道無(wú)法軸向供油，而必須通過(guò)在主閥彈簧座5(即先導閥供油流道)上打細長(cháng)斜孔從側向供油。這種側向流道極易導致產(chǎn)生不平衡液動(dòng)力，造成偏心甚至閥芯卡死，而且為起到一定的液阻作用，對細長(cháng)斜孔的通流面積也有限制，因而，其孔數目、分布及尺寸將直接影響溢流閥的工作性能。

　　1.2、理論分析

　　如圖1b 所示，當雙級溢流閥采用單一孔結構為先導閥供油時(shí)， 油液流過(guò)該細長(cháng)斜孔時(shí)將產(chǎn)生軸向和橫截面方向的液動(dòng)力，且直接作用在先導閥芯上，其橫向液動(dòng)力為

　　式中νh———先導閥供油孔中油液流速的水平分量，h表示水平;

　　Q2———自主閥流入先導閥的流量，2 指先導閥，1為主閥;

　　θ2 ，d02———先導閥供油孔的傾斜角和內徑;

　　ρ———油液密度，840kg/m3。

　　同理可得軸向液動(dòng)力：

　　式中νz———連通孔中油液流速的垂直分量，z 表示垂直;

　　圖1 所示雙級溢流閥先導閥供油采用單孔流道，孔的傾斜角為30°，內徑1.2mm。當溢流閥開(kāi)啟溢流時(shí)(溢流壓力24MPa)， 自主閥流入先導閥的流量約為6.3L/min，由此可以計算單孔流道油液對先導閥閥芯的軸向作用力約為4.1N， 可能導致先導閥的開(kāi)啟特性不穩定。而橫向作用力約為7.1N，可能導致閥芯卡死。若通過(guò)多個(gè)均勻分布的孔供油， 則可消除橫向液動(dòng)力并減小軸向液動(dòng)力。

3、實(shí)驗與分析

　　在某伺服機構樣機試驗中，當采用圖2a 所示單孔流道的雙級溢流閥時(shí)， 壓力工作點(diǎn)無(wú)法穩定在規定的24MPa，而是隨著(zhù)通油壓力的升高而持續上升，與第2節計算結果一致。采用圖2b 所示六孔流道結構雙級溢流閥進(jìn)行樣機試驗時(shí)，壓力工作點(diǎn)可以穩定在24.5MPa處，但是噪聲劇烈，噪聲儀讀數超過(guò)60dB。圖2c 所示三孔流道結構孔徑過(guò)小， 在實(shí)際應用中極易阻塞且難于加工。