一种新型插装式溢流阀的稳态性能研究

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(1.兰州理工大学 能源与动力工程学院， 甘肃 兰州　730050；2.兰州理工大学 温州泵阀工程研究院， 浙江 温州　325105)

引言

溢流阀是液压系统中的重要压力控制元件，具有保持液压系统压力恒定的功能。先导式溢流阀与直动式结构的相比，具有调压精度高，稳定性好的突出优点，被广泛应运于各种场合。插装式溢流阀的结构特点是将主阀与先导阀巧妙地安置在同一阀腔内，使得阀的结构紧凑，体积小，重量轻，集成度高，实现了零泄漏。该种阀的先导阀芯采用球阀结构，使得油液通过的过流面积变化较大，可以使主阀迅速打开，从而减短了阀的响应时间。因此该种新型插装式溢流阀不仅具有普通先导型溢流阀的稳定性好，调压精度高的优点，而且克服了一般先导型溢流阀反应不灵敏的缺点。

1　工作原理

新型插装式溢流阀的结构如图1所示，压力油通过主阀芯7阻尼孔充满阀腔内部，并通过导阀座阻尼孔作用在导阀芯4上，主阀芯7在前后腔油液面积差的作用下保持关闭，当油液压力达到导阀弹簧3设定的压力之后，先导球阀4左移开启，极小部分的流量溢流，进而使主阀左腔的的压力下降，当主阀左右腔压差达到一定值时克服主阀弹簧力和摩擦力，主阀向左移动，进而开启主阀，实现调压作用。

1.紧锁螺母　2.调节螺杆　3.导阀弹簧　4导阀芯5.主阀弹簧　6.阀套　7.出口溢流孔　8.主阀芯图1　新型插装式溢流阀的结构示意图

2　插装式溢流阀的稳态特性方程

该种新型插装式溢流阀的简化数学模型如图2所示，列出受力平衡方程，压力流量方程和流量连续性方程。

图2　新型插装式溢流阀简化的数学模型

2.1　先导阀芯力学平衡方程

作用在先导阀芯上的力有液压力、弹簧力、稳态液动力，先导阀受力平衡方程为:

p2a2=kt2(Xt2+X2)+Fs2

(1)

式中：p2—— 先导阀前腔压力

a2—— 先导阀受力面积

X2—— 先导阀的阀口开度

Xt2—— 先导阀调压弹簧预压缩量

Fs2—— 球阀阀口的稳态液动力

2.2　先导阀阀口压力流量方程

(2)

式中：Q2—— 流过先导阀口的流量

Cd2—— 先导阀阀口的流量系数，球阀取0.65

R—— 球阀半径

d2—— 球阀座孔直径

2.3　主阀芯力学平衡方程

作用在主阀芯上的力有液压力、弹簧力、稳态液动力、液压卡紧阻力，主阀芯受力平衡方程为：

pA1=p1A1′+kt1(Xt1+X1)+Fs1+FK

(3)

式中：p—— 主阀进口压力，出口压力为0 MPa

p1—— 主阀芯后腔压力

A1—— 主阀芯前腔受力面积

A1′ —— 主阀芯后腔受力面积

Fs1—— 主阀稳态液动力，Fs1=2Cd1πD1X1cosβp2.4主阀阀口压力流量方程

(4)

2.5　经过主阀芯固定阻尼孔的流量方程

考虑流经主阀芯阻尼孔的流量时，通常假定小孔液流的流道状态为层流，而实际中阻尼小孔中的液流流动多为层流到紊流的过渡状态，介质流过阻尼小孔的流量经验公式为:

(5)

式中：γ—— 介质的重度

ν—— 介质的运动黏度

p1—— 主阀后腔压力

a0、d0、l0—— 分别为主阀阻尼孔的面积，直径，长度

2.6　经过导阀座阻尼孔的流量方程

流过导阀座阻尼孔的流量为:

(6)

式中：p2—— 导阀进口压力

a1、d1、l1—— 分别为导阀座阻尼孔的面积，直径，长度

2.7　流量连续性方程

假定无泄漏时，通过主阀阻尼孔的流量为通过导阀座阻尼孔的流量，也为通过导阀球阀口的流量，即：

Q′=Q″=Q2

(7)

则由流量连续性方程得出:

QS=Q1+Q2

(8)

3　插装式溢流阀的压力-流量特性曲线

先导式溢流阀理想的启闭特性曲线是由两段斜率不同的线段组成，它是经过线性化后在理想状况下的特性曲线。但是实际在阀芯的开启过程中，阀芯除了受到液压力，弹簧力的主要作用力外还受到了稳态液动力、瞬态液动力、摩擦力、间隙间的油液泄漏的影响，实际的压力与流量的关系呈现复杂的非线性关系，针对每一种新型结构的压力流量曲线还得不断深入研究。

3.1　先导阀的压力-流量方程

当先导式溢流阀的压力还未达到先导阀的开启压力时阀口关闭，p≤p2K，阀腔内的压力均相等，p=p1=p2,随着压力不断升高，到达先导球阀阀口的开启压力p2k时，球阀即将打开，此时先导球阀的阀口开度X2=0,由作用在先导阀芯上的受力平衡方程(1)得：

(9)

由式(9)和式(1)、(2)联立解得流过先导球阀口的流量与进口压力p2之间的关系：

(10)

由式(5)～式(7)得：

式中：α1—— 主阀芯阻尼孔的阻尼系数

α2—— 导阀座阻尼孔的阻尼系数

则得出当进口压力在p2K≤p≤pK时，流量与压力的关系：

(11)

式中：k2—— 球阀稳态液动力刚度系数

3.2　主阀口的压力-流量方程

当压力达到主阀开启压力pk时 ，主阀即将开启，此时主阀开口量X1=0，主阀后腔的压力为p1Q，由作用在主阀芯上的受力平衡方程(3)得：

pkA1=p1QA1′+Kt1Xt1+FK,即得到:

(12)

由主阀口压力流量方程(4)和(3)、(12)得到当进口压力p≥pK时，主阀打开的主阀口压力流量公式为：

式中：k1—— 滑阀阀口液动力刚度系数，

k1=2Cd1πD1cos69°

3.3　先导式的压力-流量方程

由流量连续性方程(8)、(10)、(13)得:

3.4　压力-流量特性曲线分析

在上述推导的理论公式中，其他参数都已知，流量只是关于进口压力的函数，利用MATLAB软件拟合出压力与流量的特性曲线如图3～图6所示。

图3为插装式溢流阀从导阀开启到主阀开启时的先导阀口局部压力流量曲线，可以看出导阀流量只有6 L/min，不到主阀流量的1%，满足设计要求。曲线为下凹型，随着压力的缓慢增大，流量增加的较快，这是由球型结构的先导阀开启过程中过流面积的梯度变化较大引起的。

图3　从导阀开启到主阀开启的局部压力流量特性曲线

图4为插装式溢流阀主阀阀口的压力流量特性曲线，可以看出主阀的开启压力为35 MPa,达到额定流量1000 L/min时压力为36.6 MPa，调压偏差率仅为0.044。说明该种新型插式溢流阀主阀的关闭主要靠作用在阀芯左右两腔的压差作用来实现，故所需的主阀弹簧刚度较小，只需要较小的液压力就可以使主阀芯移动到最大开度进行溢流。

图4　主阀开启后主阀的压力流量特性曲线

图5为插装式溢流阀整个工作过程的压力流量曲线图，从图中可以导阀开启后主阀能够迅速开启溢流，启闭特性良好，而且阀的压力随流量的变化平稳。图6为主阀左右两腔的压力流量曲线，其显示了两腔固定的压力差，即为主阀阻尼孔产生的压降。

图5　先导式溢流阀压力流量特性曲线

图6　主阀左右两腔的压力流量特性曲线

4　新型插装式溢流阀稳态调压偏差的影响因素分析

稳态调压偏差是溢流阀最重要的稳态性能，在先导阀的设计过程中，结构参数的选取对于溢流阀的调压精度具有重要影响，仅从压力流量理论方程很难看出结构参数的具体影响，在此通过计算机仿真不同参数值下的主阀开启后的溢流特性曲线，得到较直观的结果。

4.1　主阀芯承压面积的影响

根据经验取主阀芯左右两腔面积为一比值，对主阀芯左右两腔的承压面积分析可以转化为对主阀芯进口端直径的研究。由图7得，当D1=25.6 mm时，调压偏差率为 0.052，当D1=26.2 mm时，调压偏差率为0.049，当D1=26.8 mm时，调压偏差率为0.044。主阀芯进口端直径增大，则增大了主阀右端的受压面积，使得主阀越容易克服弹簧力开启溢流，更能够获得较好的压力流量特性，调压偏差就越小，调压精度越高。

图7　不同主阀进口端直径下的主阀压力流量曲线

4.2　出口溢流孔直径的影响

根据大流量溢流的要求及阀套的大小，本结构的溢流孔选定的溢流孔数为10孔，选取了直径分别为2.5 mm，3 mm，3.5 mm的三种溢流孔进行对比，如图8所示，孔径越大，通流能力也大，调压偏差越小，定压精度越高。压力变化范围很小就可以实现溢流额定流量，调压精度最小可达0.036。

4.3　主阀弹簧刚度的影响

图9为弹簧刚度取15 N/mm，20 N/mm，26.15 N/mm，15 N/mm时的溢流特性图，经计算随着弹簧刚度的减小，在相同的液压力下，阀芯的移动位移就越大，流量溢流越快，调压精度越高，调压偏差率最小值为0.029。

图8　不同溢流孔直径下的主阀压力流量曲线

图9　不同主阀弹簧刚度下的主阀压力流量曲线

5　结论

通过基本的阀芯受力方程，阀口流量方程，流量连续性方程推导出流过整个插装式溢流阀的流量与压力函数关系式。利用MATLAB软件仿真压力-流量特性曲线，从图中得出该种结构的阀启闭性能好，调压偏差小，阀的响应较快。通过改变导阀和主阀不同的结构参数，确定了主阀芯承压面积、出口溢流孔直径和主阀弹簧刚度是影响溢流阀稳态性能的重要因素。在主阀入口直径取26.8 mm时，溢流孔直径取3.5 mm时，和主阀弹簧刚度取26.15 N/mm时的调压精度最高。

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