陈晋市;刘昕晖;元万荣;王同建;赵锋
【摘 要】为改善液压系统的性能,选择合适的液压控制阀节流阀口,建立了5种典型液压节流阀口过流面积的数学模型；采用AMESim软件建立了相应的仿真模型,并分别就输入信号、负载和阀口尺寸对5种节流阀口系统动态特性的影响进行了仿真分析.研究结果表明:外形尺寸相同时,L形节流阀口适用于重载、系统压力快速建立的情况,三角槽形节流阀口适用于压力稳定、灵敏度要求高的情况；适当增大阀口的外形尺寸可改善系统的动态响应性能.%In order to improve the performance of a hydraulic system and select proper notches of a hydraulic control valve, mathematical models for flow areas of five typical hydraulic notches were established, and corresponding simulation models were set up based on software AMESim. The effects of input signal, load and notch dimension on the systematic dynamic characteristics of the five notches were analyzed numerically. The results show that under the same dimension, L-shaped notches are applicable under the circumstances of heavy load and rapid pressure establishing, and triangle notches are su ited for the conditions of pressure stability and high sensitive response. To increase the apparent dimensions of notches appropriately can improve the dynamic characteristic of the system.
【期刊名称】《西南交通大学学报》
【年(卷),期】2012(047)002
【总页数】8页(P325-332)
【关键词】节流阀口;过流面积;动态性能;仿真分析
【作 者】陈晋市;刘昕晖;元万荣;王同建;赵锋
【作者单位】吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025;吉林大学机械科学与工程学院,吉林长春130025
【正文语种】中 文
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【中图分类】TH137.5
在液压系统中，液压执行元件的运动速度、稳定性以及响应时间等性能，通常由液压控制元件决定，其性能优劣直接影响系统整体的工作性能．而液压控制元件性能又决定于所采用滑阀节流口的形状及其功用，不同形状的节流口可获得不同的流量控制曲线，使系统具备不同的工作特性．对于液压滑阀节流口，其形式非常多，依照开口形式可分为全周开口和非全周开口［1］．传统滑阀一般采用全周开口形式，其优点在于能够准确表达阀口过流面积与阀芯位移的函数关系，有利于预测和设计液压滑阀的性能．但在工程机械液压控制阀中，非全周开口形式被广泛采用，该类节流阀口具有流量调节范围宽，小流量稳定性能好;阀口水力半径大，抗阻塞性能好;阀口面积梯度容易控制，流量微调性能优良，对油温和黏度变化不敏感等特点．
目前针对非全周开口滑阀节流阀口过流面积的计算原则及等效方法的相关研究还不多，已有的公式因相关计算参数难以确定，使其在应用于液压阀芯的设计计算时，阀口通流性能存在不确定性［2-4］．本文针对几种典型节流阀口结构特征开展研究，推导出具有普遍适用性的过流面积计算通式，并利用仿真模型，进一步阐述不同类型阀口在不同负载、外形
尺寸下，对系统动态性能的影响，为液压控制系统设计、合理选用节流阀口提供一定的参考．
1 节流阀口简介
对于非全周开口形式的节流阀口，因阀口复杂的结构形式，其过流面积与阀芯位移多为非线性关系，一般以近似函数代替准确的函数表达式［5-6］．目前应用较多的阀口形状为三角槽形(triangle groove)、U 形(U-shaped)、梯形(trapezoidal)、半圆槽形(semicircle groove)、L形(L-shaped)等，图 1为这几类节流阀口三维CATIA(computer aided tridimensional interface application)示意图．
图1 不同节流阀口外形CATIA示意Fig．1 The CATIA schematic diagram of different shape notches
三角槽形节流阀口一般以阀芯轴线为中心，在阀芯端部对称均布2～4个节流槽，与阀体内腔形成过流面积，通过轴向移动阀芯，改变三角槽过流面积从而达到调节流量的目的．该类阀口过流流体状态变化平稳，阀芯径向力平衡，易于调节流量控制液压系统执行端速度稳定［7-8］．
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U形节流阀口前端为半圆槽式，后端为矩形式等截面通道．该类节流槽在一定流量范围内，液压执行元件流量增益较为平缓，线性度好，可减少滑阀换向时的液压冲击与振动．
梯形节流阀口加工工艺较复杂，但其过流面积变化率较为恒定，有利于提高流量特性的刚性，且对油温和黏度的变化不敏感，具备良好的调节性能．
半圆槽形节流阀口相比于前两者，其结构简单，加工工艺优良;流量调节范围宽，在开口度较大时，过流面积变化率小，有利于提高流量稳定性;并且其水力半径大，节流口不容易堵塞．
L形节流阀口由小圆柱横向铣切阀芯凸肩形成，阀口过流面积是圆柱相贯线和阀座边在阀芯圆柱面所围成的部分圆柱面积［4］．该类节流槽过流面积变化率较大，液压元件执行端速度变化灵敏、响应时间短．此外，该类阀口水利半径大，当液体流动方向改变时可有效减少阀芯移动时的操纵力．
2 面积等效计算
不同结构形状的节流阀口具备不同的流量控制特性、抗阻塞性和流量稳定性，选用哪一类
节流阀口外形需针对不同应用工况．通过对典型液压节流阀口面积的计算，可定性获得阀口面积梯度与阀芯位移关系，有利于滑阀设计与功能预测．文献［9］对L形、U形、V形节流阀口进行了面积解析运算，获得非线性函数表达式，进而利用曲线拟合得到面积近似表达式，但该类公式缺乏通用性;文献［10］则对几种节流阀口面积公式进行了详细研究与理论推导，并通过实验验证其准确性，但其表达过于繁琐，难以满足实际应用需求．本文在此将各类节流阀口作等效简化，将通流截面圆弧端等效为平面，所忽略圆弧截面产生的实际误差在3%以内，再基于立体几何算法，提出较为简单且具有普遍应用性的过流面积计算公式．
根据节流阀口的形状特征，节流阀口可以分为两种结构：一种是等截面节流阀口，一种是渐扩形节流阀口［11］．其中U形节流阀口为等截面结构，其阀口压差主要集中在轴向截面和径向截面，具备二级节流的典型特征，即其等效过流面积为轴向与径向过流面积的串联有效值．而三角槽形、半圆槽形、梯形以及L形凸肩式节流阀口属于渐扩形结构，其等效过流面积为节流阀口最小通过面积．几种节流阀口过流面积计算示意如图2所示
2．1 三角槽形节流阀口过流面积彩铃加加
三角槽形节流阀口采用60°角度铣刀，沿圆弧轨迹旋转切割阀芯端面而形成，其轴向与径向截面都为三角形．该类节流阀口最小通过面为垂直底边棱线的截面，见图2(e)，其等效阀口过流面积A sj推导过程为：
图2 不同节流阀口过流面积计算示意Fig．2 Calculation schematic diagram of different notches flow area
式中：x为各节流阀口开口度;h为节流阀口特征深度;L为节流阀口特征长度;n为阀芯端面节流口数;dh节流阀口为水利直径．
2．2 U形节流阀口过流面积
U形节流阀口是采用圆柱形铣刀，沿阀芯轴线方向旋转切割阀芯端面而成，节流阀口前半段为半圆槽，后半段为矩形流道，其轴向截面为矩形［12-13］，见图 2(b)，其等效阀口过流面积 A1、A2推导过程为：
当0＜x＜r时，
以上各式中：r为节流底面特征半径;MN为阀体与节流阀口当前开口度相交线;A ax为轴向过流面积;A ra为径向过流面积．
2．3 梯形节流阀口过流面积
梯形节流阀口加工工艺比较复杂，一般采用小角度成形铣刀加工，其轴向截面为梯形，径向截面为矩形，见图2(a)，其等效过流面积 A tx推导过程为：
2．4 半圆槽形节流阀口过流面积
半圆槽形节流阀口加工形式类似于U形节流阀口，同样采用圆柱形铣刀沿阀芯轴线旋转切割端面而成．其轴向截面为圆弧面，径向截面为矩形，见图2(c)，其等效过流面积A by推导过程为：
2．5 L形节流阀口过流面积
L形节流阀口由小圆柱横向铣切阀芯端面形成，其最小过流面为径向截面，见图2(d)，其等效过流面积A L推导过程为：
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基于上述获得的过流面积表达式，应用仿真软件，可编制各节流阀口参数化的面积计算程序，从而满足同一类阀口形状，不同外形尺寸的应用需求．
3 节流阀口仿真分析
3．1 节流阀口过流面积曲线分析
为比较过流面积变化率对系统性能的影响，绘制不同阀口在相同外形尺寸下，阀芯位移与过流面积关系曲线如图3和4所示，各节流阀口相关参数见表1．
图3 不同节流阀口开口度的过流面积Fig．3 Flow area vs．notch underlap
图4 不同节流阀口开口度的水利直径Fig．4 Hydraulic diameter vs．notch underlap
表1 不同节流阀口仿真相关参数Tab．1 Simulation parameters of different notches阀口形状 阀口数 节流阀口外形尺寸/mm宽度b 长度L 深度h 2 4．0 4．5 2．5 U 形 2 4．0 4．5 2．5梯形 2 2．5，4．0 4．5 2．5半圆槽形 2 4．0 2．0 2．5 L形三角槽形2 4．0 4．5 2．5
分析图3、图4仿真曲线：三角槽形节流阀口在开口度较小时，流量增益很小，有利于控制系统稳定;随着阀口开口度增加，过流面积线性增大，流量增益亦随之增加．L形节流阀口在小开口度时，过流面积增益较大，有利于系统快速响应，保证执行端元件的灵敏性;在达到一定开口度后，过流面积逐渐趋于恒值，此时可以保证执行端流量稳定性．在同样大小外形尺寸下，L形与三角槽形节流阀口水利直径最大，说明该类阀口更易获得最小稳定流量．U形阀口在开口度小于节流阀口顶端圆弧半径时，过流面积变化梯度较大，有利于快速建立系统压力;当阀口开口度大于顶端圆弧半径时，过流面积增长趋于平缓，可保证系统稳定性．梯形阀口面积变化率较为恒定，且其流量调节范围较宽．半圆槽形节流阀口随着开口度增加，过流面积变化率迅速增加，对系统启动灵敏性有一定帮助．
