二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口面積的計算

閥口面積的計算滑動槽開口的水力半徑大，易于控制面積梯度，流量調(diào)節(jié)范圍寬。廣泛應(yīng)用于滑動機械系統(tǒng)的應(yīng)用。組合節(jié)流槽則可以獲得更為豐富的閥口面積曲線,從而實現(xiàn)對流量多級節(jié)流控制,滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)在起動、工作及停止等不同工況下對流量的要求。行走機械液壓系統(tǒng)中的液壓主控制閥的閥口多為組合節(jié)流槽形式,節(jié)流槽閥口面積的合理配置對減小振動,提高整機操作舒適性具有重要作用。組合節(jié)流槽閥腔內(nèi)的流動比較復(fù)雜,傳統(tǒng)意義的閥口面積的確定及其計算方法、流量系數(shù)的常數(shù)化取值在組合節(jié)流槽上并不能適用,有關(guān)組合節(jié)流槽閥口流量特性的系統(tǒng)研究未見相關(guān)文獻報道,在此類液壓閥的設(shè)計計算中,流量特性的計算存在很大的近似性和模糊性。液壓控制閥的流量取決于閥口壓差、閥口面積和流量系數(shù)。本文分析確定二節(jié)矩形節(jié)流槽的閥口面積計算原則,推導(dǎo)閥口面積計算公式,編制閥口面積計算程序。在此基礎(chǔ)上對二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口的流量特性進行試驗研究,獲得典型節(jié)流槽閥口的流量系數(shù),提出完整表征組合節(jié)流槽對流量節(jié)流控制特性的參數(shù)閥口流量面積Aq,并分析其特性和計算方法。1節(jié)矩形節(jié)流槽閥口面積計算方法滑閥二節(jié)矩形節(jié)流槽(也稱二節(jié)U形節(jié)流槽)的結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示。Rs為閥芯半徑,R1為一節(jié)矩形槽半徑,D1為一節(jié)矩形槽深度,L1為一節(jié)矩形槽長度,R2為二節(jié)矩形槽半徑,D2為二節(jié)矩形槽深度,L2為二節(jié)矩形槽長度。矩形節(jié)流槽閥口面積為節(jié)流槽流道中具有節(jié)流作用的2個節(jié)流面的串聯(lián)等效面積,組合矩形節(jié)流槽的閥口面積可用節(jié)流面串、并聯(lián)效應(yīng)來確定和計算。二節(jié)矩形節(jié)流槽內(nèi)液流的流動如圖2所示(圖2中箭頭表示流入方向,箭頭反向表示流出方向),其節(jié)流面有4個:一節(jié)矩形槽表面A1和截面B1,二節(jié)矩形槽表面A2和截面B2。其節(jié)流面串、并聯(lián)效應(yīng)原理如圖3所示,A1與B1串聯(lián)等效得AU1,AU1與A2并聯(lián)后再與B2串聯(lián)等效得二節(jié)矩形節(jié)流槽的閥口面積AUU,等效計算式為4個節(jié)流面都是確定的幾何面,可以通過數(shù)學(xué)解析的方法進行精確計算。由于篇幅所限,本文只給出一段閥口開度范圍(L12<x≤L1+R2)內(nèi)的二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口面積的計算公式,其他閥口開度的閥口面積計算可以類比推導(dǎo)。閥口面積計算簡圖如圖4所示,圖中符號與圖1和圖2相同,其中H1和H2為截面B1和B2對應(yīng)弦長的弦心距,具體過程為二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口面積可以表示為關(guān)于閥口開度和節(jié)流槽結(jié)構(gòu)參數(shù)的多元函數(shù)式中x01———節(jié)流槽的封油長度n———組合節(jié)流槽的個數(shù)運用軟件MathCAD對組合槽的閥口面積計算方法進行編程,實現(xiàn)閥口面積計算的程序化。通過配置二節(jié)組合節(jié)流槽參數(shù)可以獲得多種二級變化的閥口面積曲線,從而實現(xiàn)對流量不同程度的二級節(jié)流控制,滿足實際工況對液壓閥流量控制特性的要求。節(jié)流槽組合技術(shù)就是通過優(yōu)化配置節(jié)流槽組合的類型及結(jié)構(gòu)參數(shù),來滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)不同工況對流量特性的要求,使得執(zhí)行機構(gòu)起動及停止過程平穩(wěn)、作業(yè)快速及操作舒適性良好。2流量系數(shù)測量節(jié)流槽對流量的節(jié)流控制特性取決于其閥口面積和流量系數(shù),節(jié)流槽閥口面積反映了節(jié)流槽的通流幾何尺寸,流量系數(shù)反映了節(jié)流槽結(jié)構(gòu)對液流的局部阻力特性及局部阻力對節(jié)流槽通流能力的影響。圖5為3種試驗閥芯組合節(jié)流槽簡圖,被試組合節(jié)流槽的結(jié)構(gòu)參數(shù)具有深度、寬度及長度方面的對比,具有典型的代表性。圖6給出了滑閥節(jié)流槽流量特性的試驗系統(tǒng)簡圖。直線步進電動機拖動被試閥芯移動,每個被試閥芯上布置有一種節(jié)流槽。比例變量泵的供油流量調(diào)定為60L/min,安全閥的調(diào)定壓力調(diào)定為30MPa,背壓閥的設(shè)定壓力為2MPa,油溫40℃。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過流量傳感器和壓力傳感器分別采集被試閥流量和進、出口壓力。由液壓閥口流量和閥口壓差的關(guān)系式可得流量系數(shù)式(9)中qV、Δp為試驗測試數(shù)據(jù),單位分別為L/min、MPa,閥口面積A為程序計算值,單位為mm2,油液密度ρ取860kg/m3。運用軟件Origin按式(9)對試驗測試數(shù)據(jù)進行處理,獲得流量系數(shù)曲線如圖7所示。圖7中也同時列出了3種典型試驗閥芯的閥口面積計算曲線。如圖7所示,二節(jié)矩形節(jié)流槽的流量系數(shù)隨閥口開度的變化而變化,在小開口(x<1mm)和接近節(jié)流槽全開(x>4.5mm)區(qū)段,流量系數(shù)均大幅度增加;在2個節(jié)流槽的交界處,流量系數(shù)增大;在閥口開度中間區(qū)段,流入節(jié)流槽方向的流量系數(shù)主要分布在0.7~0.8,流出方向的流量系數(shù)主要分布在0.8~0.85;同一組合節(jié)流槽流出方向的流量系數(shù)比流入方向約大0.05~0.1。節(jié)流槽銳邊存在一定圓角時(如新閥的閥口沖蝕后,會形成圓角),會使流量系數(shù)有所加大,閥口的出口壓力也對流量系數(shù)產(chǎn)生影響。3閥口流量特性液壓閥的傳統(tǒng)設(shè)計和性能計算中,均把液壓閥口的流量系數(shù)作為常數(shù)處理。由節(jié)流槽閥口面積計算值和流量特性試驗得出的二節(jié)矩形組合槽閥口流量系數(shù)可以看出(圖7),流量系數(shù)是閥口開度、液流方向及節(jié)流槽結(jié)構(gòu)的函數(shù),且呈現(xiàn)出明顯的規(guī)律性。單獨用閥口面積和常數(shù)型流量系數(shù)并不能準確地描述組合節(jié)流槽對流量的控制特性。為了全面和準確地反映組合節(jié)流槽閥口的閥口流量特性,本文提出了閥口流量面積Aq的概念,它等于組合節(jié)流槽閥口面積與流量系數(shù)的乘積閥口流量面積Aq完整地反映了組合節(jié)流槽對流量的控制特性,運用Origin軟件按式(10)對試驗測試數(shù)據(jù)進行處理,獲得組合節(jié)流槽閥口的閥口流量面積如圖8所示。圖8分別給出了3種試驗閥芯組合節(jié)流槽在兩個流動方向時的閥口流量面積曲線Aq及閥口面積曲線。由式(10)可知,當(dāng)流量系數(shù)取為常數(shù)1.0時,閥口流量面積Aq等于閥口面積A。閥口流量面積Aq曲線變化比較平緩,其梯度變化比閥口面積梯度的變化小。二節(jié)矩形組合槽流出方向的閥口流量面積比流入方向的大,其差值約為0.05~0.1。為了便于工程實際應(yīng)用,可對計算出的閥口面積用流量系數(shù)進行分段修正,獲得比較準確的閥口流量面積。二節(jié)矩形節(jié)流槽閥口的流量系數(shù)在不同閥口區(qū)段取不同的值,構(gòu)成流量系數(shù)分段函數(shù),然后與閥口面積相乘,即可獲得閥口流量面積。在二節(jié)節(jié)流槽交界處取0.80,在接近全開口(總開口量的后10%區(qū)段),流量系數(shù)取1.1,閥口中間區(qū)段取0.75。采用流量系數(shù)分段函數(shù)對閥口面積進行分段修正,可獲得較高精度的閥口流量面積曲線,如圖9所示。4閥口流量面積(1)滑閥二節(jié)矩形節(jié)流槽的閥口面積按節(jié)流槽中的節(jié)流面串、并聯(lián)效應(yīng)計算,獲得了二節(jié)矩形槽的閥口面積計算公式和計算程序,實現(xiàn)了組合節(jié)流槽非線性閥口面積設(shè)計計算的數(shù)字化。通過優(yōu)化配置節(jié)流槽組合可以獲得豐富的閥口面積曲線,從而滿足實際工況對液壓控制閥流量的要求。(2)滑閥節(jié)流槽閥口流量系數(shù)隨閥口開度變化而變化,在小開口和接近全開口時,流量系數(shù)快速增大,在二節(jié)節(jié)流槽的交接處,流量系數(shù)較大(0.8~0.9),在閥口中間區(qū)段流量系數(shù)較小(0.7~0.