关于滑阀中液压卡紧现象问题的分析

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                                                        关于滑阀中液压卡紧现象问题的分析

摘要：在液压元件和一些流体机械中,为使零件间有正常相对运动,必须具有一定的缝隙。缝隙中油液的运动，将影响液压元件和一些流体机械的性能。油液在滑阀缝隙中的流动是由于压力差而产生的流动和组成缝隙的壁面具有相对运动而产生的剪切流的一个叠加。滑阀式换向阀中阀芯配合间隙、阀芯变形、配合间隙不当等都会引起液压卡紧现象。研究油液在缝隙中运动规律分析讨论，对液压元件性能分析和设计有很大的帮助。滑阀中缝隙流动的研究已成为推动液压技术发展的重要方向之一。本文介绍了滑阀卡紧力计算，分析了卡紧力存在的原因，并且为解决液压卡紧力提供了理论依据。

关键词：液压元件；滑阀；缝隙流动；压差流；卡紧

一.前言

换向阀是利用阀芯和阀体间相对位置的不同来变换阀体上各主油口的通断关系，实现各油路联通、切断或改变液流方向的阀类。换向阀是液压系统中用量最大、品种和名称最复杂的一类阀。换向阀的阀芯结构，最常见的是滑阀式。滑阀型换向阀的阀芯为圆柱滑阀，相对于阀体做轴向运动。由于滑阀型容易实现多种机能，因而在换向阀中应用最广。活塞或阀芯被活塞周围空隙中的不平衡压力卡住，不平衡压力侧向推动活塞，引起足以阻止轴向运动的摩擦现象为液压卡紧现象。滑阀式换向阀中，由于阀芯和阀体的中心不可能完全重合，同时，由于加工条件限制，必然存在一定的几何形状误差，这样一来，是进入滑阀间隙中的压力油，将对阀芯产生不平衡的径向力，在一定条件下，使阀芯紧贴在孔壁上，产生很大的摩擦力，严重时则使阀芯被卡住而难以操纵。同时，油液中混入杂质进入阀芯配合间隙、阀芯变形、配合间隙不当等都会加剧这一现象。一般情况下讨论的液压卡紧通常指几何误差所引起的卡紧现象[1]。

二.滑阀性能研究背景

经过国内外液压方面专家学者的研究发现导致液压滑阀卡紧的原因大致有以下几个方面：

(1)在加工阀芯的时候，由于加工精度的缘故而导致的阀芯倒锥，且在安时未将阀芯与阀套的轴线同心，从而导致当油液从阀芯大端流入时发生卡紧。

(2)加工时出现误差，导致阀芯出现双锥，导致阀芯上所受径向力不均匀而发生卡紧现象。

(3)安装没有固定死或者其他原因导致阀芯轴线与阀套轴线不平行，出现偏心，从而导致径向力指向一侧发生卡紧现象。

(4)在加工过程中在阀芯凸肩上留有凸块或者毛刺，从而导致阀芯在阀套中出现配合上的摩擦从而导致所谓机械卡紧。即使没有出现机械卡紧也会由于凸块、毛刺的原因导致阀芯上的径向力分布不均匀，从而导致卡紧。

但是从微观角度来看液压滑阀在液压系统中的主要作用是控制流体流动的方向和流量,其主要性能要求为换向过程的可靠性与稳定性。一般阀芯与阀套之间为圆柱滑动副,其滑动副之间有一定间隙,间隙的变化会造成滑阀卡滞现象.而液压滑阀作为液压系统的主要热源,在工作过程中阀芯因黏性发热会引起热变形,这样固体场的变化将影响流场和温度场特性,而流场和温度场的变化将进一步影响固体场,由此产生滑阀卡滞的一个重要难题.

三.液压卡紧力的数学计算方法

设液压滑阀阀芯倒锥，即阀芯大端为流体高压端，阀芯小端为流体低压端，则液压滑阀阀芯卡紧力计算简图，下图所示：

根据上图可得阀芯卡紧力F为：

式中P1和p为阀芯两端压力，且Pl≥p；△1和△2为阀芯大小两端与阀套之间的半径间隙且

L-----阀芯长度：

d----阀芯直径：

e---阀芯偏心距

四.国内学者在滑阀卡紧问题方面的研究现状

为了解决由黏性发热引起的液压滑阀卡滞问题, 综合液压滑阀结构的流固热耦合解析与多学科优化基础, 提出面向液压滑阀卡滞问题各种方法.

同济大学机械工程学院的王安麟[2]等采取顺序耦合分析方式, 在液压滑阀结构流固热耦合下, 通过流体有限元获得阀芯变形引起液压滑阀卡滞的敏感因子, 且以响应面函数模型表达阀芯变形与敏感因子之间的函数关系; 对于外界随机变化因子, 应用6R 法则优化可设计因子来减小随机因子对性能的影响, 并以蒙特卡罗随机分析方法验证设计后阀芯变形对外界因子随机变化的健壮性. 解析实例表明, 阀芯结构、滑阀开度、负载流量和介质温度是引起液压滑阀卡滞的敏感性因素, 健壮性设计方法在滑阀卡滞多因子复杂设计问题中明显优于传统设计方法.西南交通大学机械工程学院的晏静江[3]等，针对此问题，建立了液压滑阀的计算机流体力学(Computational Fluid Dynamics，CFD)三维模型和稳态传热有限元模型(FiniteElement Analysis，FEA)，利用流固耦合(Fluid-Solid Interaction，FSI)方法，分析了黏性加热使油流温升显著导致阀芯受热膨胀的现象，得到阀芯在不同开口度和不同工作压力下的速度和阀芯温度分布，同时得到阀芯在流场温度和压力共同作用下的应力应变分析，为液压滑阀的设计提供了参考。贵州大学机械工程学院的罗艳蕾[4]等针对液压滑阀阀芯偏心且倒锥时受到的卡紧力进行数学建模，介绍了3种不同形状的液压滑阀阀芯均压槽，并用Fluent软件对阀套与阀芯之间的流场进行模拟仿真。最终分析结果表明，在液压滑阀阀芯上加开均压槽虽然会导致滑阀缝隙泄漏量略有增加，但能有效减少阀芯受到的径向不平衡力，避免阀芯发生卡滞现象。燕山大学的张晋[5]等针对高温工作状况下由滑阀几何形状引起的阀芯径向液压卡紧力进行了理论推导,进行了温度变化对阀芯与阀套配合间隙影响的温度场仿真分析,并对阀芯与阀套做了热应变分析,得到了滑阀顺锥与倒锥结构对阀芯受力的影响及油液、阀体温度不同情况下滑阀流道的温度场分布。通过对计算结果的分析,得出滑阀卡紧故障的原因,为滑阀设计提供了理论参考。

五.总结：

通过本章对滑阀阀芯歪斜时候卡紧力的研究以及国内学者对滑阀卡紧问题研究得出的处理方法的总结，我们可以得出以下结论：

在阀芯上开均压槽可以有效的减小歪斜时的卡紧力。并且在阀芯发生歪斜时，开的均压槽越多，卡紧力就越小。在相同情况下，开矩形的均压槽要比开三角形均压槽的缝隙油膜支撑能力更强一些。在相同情况下开矩形均压槽要比开三角形均压槽更利于使阀芯由歪斜变为同心，可以有效的避免卡紧现象。

参考文献

[1]李仁年，陆初觉，闵为编.液压流体动力学.北京：机械工业出版社，2004

[2]王安麟，董亚宁，周鹏举，吴小锋，周成林. 面向液压滑阀卡滞问题的健壮性设计：上海交通大学学报，2011（11）

[3 ]晏静江，周大海.基于FSI的液压滑阀阀芯稳态热分析：液压与气动，2012（08）

[4]罗艳蕾，吴健兴，陈伦军，路芳.基于CFD的液压滑阀阀芯均压槽的研究：液压气动与密封，2013（01）

[5]张晋，艾超，常丽颖，孔祥东.某滑阀卡紧故障机理分析：机床与液压，2012（24）

学院：能源与动力工程

专业：机械电子工程

姓名：张峰

学号：122080202002