一种二位三通液压阀的研究
2023-12-09曹立朝李振卫韩树杰
曹立朝 李振卫 韩树杰
中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司 天津 300450
目前，市场上二位三通或者二位四通的液压阀主要是滑阀类，如华德液压生产的3（4）/WE10-31/B/C等系列阀，其结构示意图如图1，
套管举升装置使用的二位三通液压阀不同于普通的二位三通液压阀，具有结构集成化程度高，容积效率高，摩擦阻力小，同步可靠，大流量、全密封，特别适合大流量的液压系统。
1 二位三通液压阀的液压系统原理
二位三通液压阀液压系统原理如图2所示， 二位三通液压阀液压系统主要由1.单向阀 2.过滤器3.先导阀（电磁阀）4.主阀组成。B进油口，A为工作口，T为回油口，P1为外控制口，M1、M2、M3为测压口。通过先导阀（电磁阀）得电和断电，从而控制主阀的B油口和A油口通道的打开和关闭以及控制主阀的A油口和T油口通道的打开和关闭，即：先导阀（电磁阀）断电，B油口和A油口通道的打开，A油口和T油口通道关闭；先导阀（电磁阀）得电，B油口和A油口通道的关闭，A油口和T油口通道打开。
2 二位三通液压阀的结构组成
二位三通液压阀结构如图3，主要由1. 孔口螺母2.小螺母3.垫块4.密封5. 阀芯6.阀体7.弹簧8. 阀板9.单向阀10.阀座11.先导阀（电磁阀）12.阀盖13.过滤器组成。大螺母1、小螺母2通过螺纹分别与阀体6、阀板8连接；阀体 6与阀板8、阀板8与阀座10、阀座10与先导阀（电磁阀）11、阀座10与阀盖12均通过螺钉连接。阀芯5和大螺母1端面有减震缓冲槽。阀板8装配有螺旋插装式单向阀9。阀芯5的动作由主油路进油口P或通过单向阀外控油路的控制液压油经电磁阀先导阀（电磁阀）11操控，阀芯5移动使进油口P通工作口A或工作口A通回油口T。
图3 二位三通液压阀结构图
3 二位三通液压阀建模
3.1 二位三通液压阀建模
根据二位三通液压阀液压系统原理及二位三通液压阀性能参数（表1），通过HCD库建立建立二位三通液压阀AMESim模型，如图4，模型中采用恒压力源液，阀芯左移，开度增加并大于最大开度时为正重叠，开度减少并超过零时为负重叠，输入信号应为方波形。
图4 二位三通液压阀AMESim模型
3.2 阀芯运动过程的缓冲结构进行了仿真分析
当阀芯向左和向右运动时，在阀芯与孔口螺母、阀体接触前会形成缓冲腔，以减小阀芯对孔孔口螺母、阀体的冲击，经过仿真可预测阀芯的速度变化情况，为阀芯的设计提供参考。如图5所示，液压缸活塞提升过程，当主阀阀芯向左运动时，当运动到19mm时，开始形成缓冲，阀芯与孔口螺母形成环形闭死容积，容积内的高压油通过环形缝隙向低压区域流动，环形缝隙形成节流。
图5 缓冲腔示意图
在建模时，可将环形缝隙等效成节流孔，可方便的在AMESim中建立仿真模型。根据形成闭死容积滑阀最大公差-0.8mm，孔口螺母最大公差+0.8，形成环形间隙宽度为1.6mm，因此，形成环形缝隙外圈半径R为54.4，内圈半径为r为53.6，设等效节流孔半径为R等效
则根据以下公式：
带入数据，当环形间隙为0.8mm时，等效半径为R等效=18.59mm，同理可计算公差为0.6mm时，环形间隙为0.6mm，等效半径为R等效=16.099mm，当环形间隙为0.2mm时，等效半径为R等效=4.64973mm。建立的缓冲模型如下图6所示。
图6 缓冲模型
3.4 孔口螺母、阀体的冲击有限元仿真
如图7阀芯与孔口螺母三维模型所示，孔口螺母的材料为45#钢，阀芯材料为40cr，初始条件为：设置孔口螺母与阀芯初始间距为0.001mm，孔口螺母固定，阀芯以初始速度2. 34266m/s撞击。
图7 阀芯与孔口螺母三维模型
分析结果如图8 和图9，撞击瞬间，孔口螺母最大应力为121.35Mpa，阀芯最大应力为75.42Mpa，孔口螺母的屈服极限为355Mpa，阀芯的屈服极限为785Mpa，孔口螺母与阀芯的应力都小于屈服极限，满足设计使用要求。
图8 阀芯应力云图
图9 孔口螺母应力云图
4 二位三通液压阀试验
4.1 二位三通液压阀试验原理
试验装置应具备如图10所示的试验回路系统。油源的流量及压力
图10 二位三通液压阀试验原理
高压油源：压力≥31.5MPa；流量300～380L/min。
低压油源：压力≥5MPa；流量4000～8000L/min。
控制油源：压力≥2.5MPa；流量≥5L/min。
4.2 二位三通液压阀试验方法和项目
根据液压元件通用技术条件及相关阀试验方法等有关标准，并结合该阀在液压打桩实际应用情况而制定。主要包括最小控制压力试验、耐压试验、内泄漏试验和压力损失试验。
5 结论
对主阀结构原理与动作过程进行了详细的分析，通过理论计算，并建立了二位三通液压阀的AMESim模型；从而保证了设计的正确性，掌握了二位三通液压阀的设计方法；掌握了关键零部件的制造方法；掌握了二位三通液压阀的试验方法。
