高压大流量二通插装阀设计与计算

张友亮，于学军，田丽红，井溢涛，沈志昆

（1.国机铸锻机械有限公司，山东 济南 250306；2.济南铸锻所检验检测科技有限公司，山东 济南 250399）

本课题来源于高档数控机床与基础制造装备国家科技重大专项（项目编号：2012ZX04004021）。其中，大流量插装阀部分任务总目标如表1 所示。

表1 大流量插装阀关键技术参数

1 主要结构参数计算

1.1 进出油口直径

油口直径取得大，则阀的结构尺寸较大，不经济；油口直径取得小，则液流不畅，发热严重。设计时一般应使通过额定流量QS时的油液流速不得高于许用值，即：

式中：油流许用流速[VS]max=8～14m/s，此处可取较大者，结合结构特点最终确定：

Di-160=160mm，D0-160=200mm；

Di-180=180mm，D0-160=230mm；

Di-200=200mm，D0-160=250mm。

1.2 阀芯直径

要求阀芯过流面积应充分大，即阀芯直径D2应足够大，以进一步减小油流压力损失。一般按如下经验公式进行确定：

D2=（0.50～0.82）D0

式中：系数在高压、大流量时取较大值。最终确定：

D2-160=170mm；D2-180=185mm；D2-200=210mm。

1.3 阀套座孔直径

考虑插装阀控制参数面积比αA，最终确定不同通径、不同面积比条件下的阀套座孔直径D1，如表2所示。

表2 阀套座孔直径同通径、面积比对应关系

1.4 阀芯、阀套半锥角

要求阀芯、阀套之间为线接触，以保证锥面密封性。如图1 所示，常用结构形式可归纳为以下几种。

图1 阀芯、阀套半锥角结构图

（1）阀套锐边无锥角、阀芯半锥角通常为15°，一般用于压力控制二通插装阀。要求阀口过流断面面积梯度不得过大，以保证阀在高压时的压力稳定性。

（2）阀芯、阀套均带有锥角，一般用于方向控制二通插装阀。阀芯、阀套半锥角一般取值为：α1=46°～47°；α2=43°～44°。

（3）阀芯、阀套均带有锥角，角度取值同上，尾部带矩形或三角形节流窗口，一般用于节流控制二通插装阀。

1.5 阀芯最大开度

阀芯最大开度通常按卸荷压力要求确定：

式中：PX为卸荷压力，一般取值PX=0.15～0.35MPa；Cd为阀口流量系数，一般取值Cd=0.77～0.82；ρ 为油液密度，对于矿物型液压油，ρ≈890kg/m3。

最终经计算确定阀芯最大开度：h160=55mm；h180=62mm；h200=72mm。

1.6 阀芯与阀套间配合间隙

阀芯与阀套间的配合间隙直接关系到阀的动作可靠性和泄漏量大小。如果间隙过小，则阀芯动作不够灵活，温度升高后甚至使阀芯卡死；若间隙太大，则泄漏量加大，造成功率损失，甚至引起元件误动作。

配合间隙的正确选取并非易事。它直接牵连到阀芯直径、油液粘度、零件材料、加工工艺水平等多种因素，通常需要试验来进行确定。设计中，可参考Chaimowitsch 给出的阀芯直径与配合间隙的关系曲线图，如图2 所示。

图2 阀芯直径-配合间隙关系曲线

图中，实线表示没有密封装置的情况，最大间隙曲线表示受泄漏量限制所给出的间隙最大值，最小间隙曲线表示保证阀芯动作可靠性所给出的间隙最小值。点画线则表示阀芯、阀套间有密封装置的情况，其是在实线的基础上相应放大并作分段处理而得到的。在确定阀芯与阀套之间的配合间隙时，设计中常选定间隙下限为上限的50%～70%。

此处，采用泄漏量公式进行初算，按最大偏心环形缝隙流动情况处理，有如下公式：

式中：QX为环形缝隙泄漏量；δ 为阀芯与阀套间的半径间隙；μ 为油液动力粘度；Lf为有效封油长度。

代入计算得出泄漏量值，如表3 所示。

表3 阀芯、阀套配合间隙与泄漏量理论计算值

当油液温度变化时，阀芯、阀套配合偶件材料不同时，将会有不同的热膨胀系数，进而会对配合间隙及泄漏量产生影响。关于泄漏量值，作者还特地进行理论计算、数值模拟与试验验证，此处不再赘述。

2 插装阀流场仿真

为验证规定压降条件下通过阀的最大流量，基于UG 建立插装阀三维模型并抽取流场仿真模型，导入ANSYS ICEM，生成四面体非结构化网格，导入ANSYS FLUENT，在如下边界条件下进行仿真：压力进口P=0.5MPa；压力出口P=0；密度ρ=890kg/m3；粘度μ=4.094×10-2Pa.s。

采用标准k-ε 模型，压力、速度耦合采用SIMPLE方法。经网格无关性验证，进口流量仿真结果如下：

通径160：18367L/min＠0.5MPa；

通径180：23672L/min＠0.5MPa；

通径200：28723L/min＠0.5MPa。

受篇幅限制，此处仅示出阀芯半锥角为15°、阀套半锥角为45°时的仿真结果，分别如图3、图4 所示。

图3 阀芯半锥角α=15°时仿真结果

图4 阀套半锥角β=45°时仿真结果

3 盖板的设计与计算

3.1 紧固螺钉预紧力及拧紧力矩控制

经计算，各通径插装阀紧固螺钉受力工况情况如表4 所示。

表4 插装阀紧固螺钉工况及数量

盖板紧固螺钉预紧力应能满足最大轴向负荷要求，并留有足够安全余量。参照文献[5]中经验数据，取F′=0.6σSAS。选择12.9 级紧固螺钉，并经静载条件下的最大拉应力、动载条件下的应力幅校核计算，均满足技术要求。受篇幅限制，此处直接给出预紧力及拧紧力矩的计算结果，如表5 所示。计算结果同文献[6]给出的拧紧力矩参考值基本一致。

表5 插装阀紧固螺钉预紧力及拧紧力矩控制

3.2 插装阀安装连接尺寸

插装阀现行安装连接尺寸参见文献[8]，其给出最大规格为通径160mm。本重大科技专项的初衷，也是对其进行补充、修正，所采用的基本方案为180mm通径安装连接尺寸参照160mm 通径执行，新设计、开发200mm 通径插装阀安装连接尺寸。依据以上计算、校核结果，此处给出200mm 通径插装阀安装连接尺寸如图5 所示，并已经试验台测定，可供各主机及系统配套厂商参照使用。

图5 200 通径插装阀安装连接尺寸

4 结束语

在插装阀测试阶段，本重大专项所设计的大流量二通插装阀，全部已经插装阀试验台测试，个别型号插装阀已经主机测试，静、动态特性良好，满足有关设计要求。