典型多路阀设计与分析

多路阀设计与分析单位:技术中心作者:-1-目录一、概述…………………………………………………………………..（2）二、我厂常用的几种典型液压阀口过流面积分析及计算……………..（3）三、典型三位六通多路阀原理及其应用….…………………………..（10）四、六通多路阀附加的负流量控制系统………………………………（13）五、四通阀的负荷传感控制…………………………………………….（15）六、负荷传感多路阀的系统效率分析…………………………………（20）七、总结和展望…………………………………………………………（21）-2-典型多路阀设计与分析一、概述多路阀广泛用于行走机械中，在整个液压行业行走机械所创造的产值在50％以上，所以对多路阀的研究很重要，多路阀换向阀不是常规的换向阀，而是根据不同液压系统的要求，常常集合主安全阀、单向阀、过载阀、补油阀、分流阀、制动阀等，下面我对每个阀的功能作一个简单的介绍。为防止液压泵超载，在多路换向阀进油腔设置主安全阀，作为整个液压系统的总安全阀。根据不同的阀体结构，在阀体进油腔或滑阀内装设单向阀，其作用是当滑阀换向时，避免压力油向油箱倒流，从而克服工作过程中的“点头”现象。当某一机构的液压缸不工作时，相应的滑阀处于中立位置，两个工作油口被封闭，此时由于意外的撞击等原因，造成液压缸的油压急剧升高，为防止该液压缸及油管破坏，此油口应装过载阀。当工作机构动作惯性较大，或者快速下降时，所需流量超过泵供油量时，可在多路换向阀内设置必要的补油阀以避免造成吸空现象。因此，多路换向阀具有结构紧凑、管路布置简单、压力损失小和安装简单等优点，在行走机械中获得广泛应用。多路阀中每一个换向阀称为联，各联换向阀之间可以是并联、串联、串并联混合。按阀体的结构形式可分为：整体式和分体式；按操纵型式可分为手动直接式和先导控制式。从泵的卸荷方式上看，多路阀可分为中位回油卸荷（六通型）和卸荷阀卸荷（四通型），六通型多路阀具有流量微调和压力微调特性，以及可-3-进行负流量控制，但在中位时压力损失较大。四通型多路阀优点是滑阀在中位时由卸荷阀卸荷因此压力损失小及压力损失与换向联数无关，这种阀通过和定差溢流阀或定差减压阀结合能方便实现负载压力补偿和负载敏感控制。随着工程机械的发展，系统的高效节能问题已日益突出，对多路阀的要求：（1）流量可调节，以便精确控制执行器的速度，（2）节能降耗，尽可能降低无用功，降低系统的发热。目前，通过采用负流量反馈和负载传感控制，将泵控和阀控结合起来以实现节能目的。无论是常规阀、负载传感控制阀设计最重要的是阀杆节流口形式和节流面积，节流口形式的确定将直接影响到系统操作时的微动特性及节能效率。所以，本文主要从多路阀的流量调节和节能降耗两个方面来论述，包括1、液压阀阀杆节流口形式；2、典型三位六通型多路阀的原理及附加的负流量控制系统3、四通型多路阀的负载控制系统、4、负荷传感多路阀的系统效率分析。二、常用的几种液压阀口过流面积分析及计算由于多路阀阀杆上的节流口是多路阀设计的核心，节流口形式及其特性在很大程度上决定着多路阀的微调特性，本节主要分析了我厂主阀阀杆节流阀口常用的三种形式及阀口的等效面积公式。2.1、典型阀口过流面积解析2.1.1、L形阀口的过流面积如图2-1所示，阀口是由小圆柱横向铣切阀芯凸肩形成，阀口面积是圆柱相惯线和阀座边在阀芯圆柱面所围成的部分圆柱面积。在某一阀口开度1X下，建立如图2-1所示的直角坐标系，其相惯线方程为：-4-222222RzRyryx(1)阀口微元面积为：dxRzacRdxRdAsin.2.2(2)由方程（1）导出z(x),并代入式（2），积分得A=ndxRxrxrRacRrh22222sin.2.(3)图2-1L形阀口面积推导式中：hrxrh1,,0为阀口开度（见图2－1）。式（3）即为阀口面积的积分表达式，被积函数是复杂的非线性函数。代入具体参数；阀芯凸肩半径R=20mm,阀芯节流口处半径r=9mm,节流槽个数n=3。采用8样条Newton-Cotes公式数值积分得出阀口开度所对应的阀口面积，如图2-2所示。用三阶多项式对曲线进行拟合，可以得出阀口面积近似表达式（4）：-5-A=-5.71+64.02x1+7.58x21-0.358x31(4)2-2L形阀口面积计算曲线2.1.2、U形阀口的过流面积U形阀口结构简图如图2-3所示，节流槽前端有半圆槽，后部为等截面流道，等截面面积设为A10。建立图2-3所示的直角坐标，x1表示阀口开度。其圆柱面相惯线方程为：222222Rzyrzrx(5)x1r时微元面积为：dxRzacRdxRdA.sin.2.22(6)式中：阀芯凸肩半径R=8mm,阀芯节流口处半径r=1mm,槽深h=1mm,n为节流槽个数，此处n=2,由方程（5）导出y(x),并代入式（6），积分得：A2=2ndxRrxracRx.sin.1022(7)yzRzarRhRyznAsin221221(8)式中：1A为带圆弧段的截面积。-6-2A为1x变化的圆弧面积图2-3U型阀口面积计算简图由式（5）导出z=22rxry=222rxrR并代入式（7）、（8）x1r时：A2=A20+(x-r)x2nRarsin8r(9)式中：A20等于式（7）在x1=1mm时A2值A10=2arsin8rxR2+2x1412RXRU形阀口过流面积的计算曲线如图2-4所示：图2-4U形阀口过流面积特性-7-2.1.3、V形阀口的过流面积如图2-5所示，在阀芯凸肩上用90度的成型铣刀加工V形节流槽，可以看作圆锥面（刀具运动轨迹）与圆柱面（阀芯凸肩）相惯而成。建立如图2-5所示的直角坐标系推导过流面积，x1表示阀口开度。节流槽相惯线方程为：222222zrbyaxRyz（10）V型槽的底线方程为：222rbyax，z=02A面积为相惯线在阀芯凸肩圆柱面所围成的面积。其面积微元为：dxRzardA.sin22dxRzarRnAxh).sin2(12（11）yzRRzarnA..sin21*221（12）图2-5V形阀口面积计算简图-8-由式（10）可以导出zfx，这是一个复杂非线性函数，拟合出xfz代入式（11）、（12），式（12）中的y由底线方程导出后，代入式（12）。以上即为V形节流槽过流面积的普通适用的计算公式。代入具体数值：R=8mm,r=12.5mm,a=5.88mm,b=19.03mm.其过流面积曲线如图2-6。2.2、等效阀口面积分析计算等效阀口面积是把阀口作为一个薄壁孔口来看待，阀进出口压力全部施加在这个薄壁孔上。由于阀口过流部有一定长度，有若干节流面，分析时假设节流面（薄壁孔口）在流动方向上相串联。对上面的U型、V型阀口进行分析。设有两个节流面为1A、2A，设等效阀口面积为A，流态为紊流，则有：图2-6V形阀口过流面积特性,,/.2PAcqd/.2111PAcqd;/.2222PAcqd节流面串联则有：21PPP可得：2222212121112AcAcAcddd,-9-222221212121AcAccAAccAddddd(13)锐边薄壁孔口取：62.02ddcc；而节流面A1具有一定长度，流量系数取为：72.01dc。对U、V形阀口进行了过流面积和等效面积的计算，计算结果如图2-4和图2-6所示。由图2-4可以看出，U形阀口等效阀口面积位于两个狭小截面的折线下方，随着阀口开度增加，阀口位置由2A向1A转移，阀口压差也随之转移，这就是阀口迁移现象。由图2-6供应看出V形阀口的特点，1A在阀口全开度范围中始终是最小截面，计算等效阀口面积与其非常接近，比1A略小，这说明压差集中在1A两端，面积2A随阀口开度增加迅速，始终大于1A,基本不起节流作用。2.3、三种节流口性能比较类别工艺性小流量的灵敏性小流量的稳定性调速范围抗阻塞特性线性L型阀口一般较低较好一般好非线性U型阀口较好较低较好稍大好非线性V型阀口一般低好大稍差线性通过以上分析可看出，U型节流口比较合适，U型节流口加工方便，流量变化平稳，微控段的流量微调性基本呈线性，我厂的大部分主阀都采用此阀口。三、典型三位六通多路阀特性及其应用多路阀的性能主要是由压力损失，流量微调特性和压力微调特性等来进行评价。下面以我厂生产的FYZ-20B为例，对其阀杆的运动过程及阀口型式进行分析。-10-3．1、FYZ-20B多路阀工作原理：FYZ-20B多路阀用于上海巨力彭浦厂的TY160型推土机工作装置上，该阀是三路整体多路阀，其功能原理图见图3-1，该阀用于控制推土机的铲刀的提升，铲刀的侧倾和松土油缸的动作，该阀的设计采用典型的三位六通结构，在阀体进油口上装了主安全阀保证整个液压系统的压力不超过14aMP，在阀体每联的进油腔和阀杆内设制了单向阀防止滑杆换向过程中压力油向油箱倒流，而且在最后一路装配过载阀补油阀防止负载过载或负载的速度超过供油速度，造成吸空的现象。当各路阀杆处于中立位置时，压力油从P口到T口油口全开压力油以最低压力卸荷，当阀杆换向时，压力油从P口全部流向负载，实现对工作装置的控制。3.2、FYZ-20B阀杆的移动分析：1、当阀芯处于中位时，CP1节流口全开，AP、TB关闭，油液几乎无压地从P口经C口流回油箱，设泵输出的流量为mQ，图3-1FYZ-20B多路阀工作原理图图3-2FYZ-20B阀杆结构图-11-则0INP;0APQ;0TBQ;mCPQQ1式中：APQ为通过P到A节流口的流量TBQ为通过B到T节流口的流量INP为多路阀进口压力2、当阀芯离开中位，向右移动时，1P到C节流口渐渐关闭，使进口压力INP渐渐升高，由于较大的正遮盖的作用，AP、TB仍关闭，此时设主阀上安全阀的调定压力为DP，此时：DINPP0;APQ=0;mCPQQ1;0TBQ3、随着阀芯行程的继续增加，节流阀口AP、TB逐渐开启，节流口CP1的节流口全周阀口部分关闭，但由于精细控制沟槽的作用，进口压力INP不会阶跃至DP，故主阀上的溢流阀仍关闭，此时：DINPP0mCPAPQQQ1)(2.1LINAPAPPPACQINCPCPPACQ2111式中，APA为AP节流口的通流面积;CPA1为节流口CP1的通流面积;1C为流量系数;4、随着阀芯行程的增加，进口压力INP上升至溢流阀调定压力DP，定量-12-泵和溢流阀组成一个恒压源，此时DINPP31QQQQCPAPm求3Q为P通过溢流阀的流量5、当精细控制沟槽被全部遮盖后DINPP3QQQAPm根据经验多路阀的行程划分为3：5：2即30％的密封段，50％的微调段，20％流量大开口。而我厂的FYZ-20B多路阀总行程为15mm,密封段4.5mm,微调段7.5mm,流量大开口段3mm。3.3、FYZ-20B的换向阀杆的节流口形式的确立及相关计算由于FYZ-20B是典型的三位六通多路阀，该阀在阀口打开的一小段具有微调特性，因此对换向阀杆的节流口形式的确立将直接影响到系统操纵时的微调性能和节流效率。系统主要参数：系统工作压力（主安全阀压力）：14MPa定量泵输出最大流量：400L/min根据实际操作需要，图3-3为FYZ-20B的阀杆换向行程与进入工作口流量的变化曲线，当阀杆行程为4.5mm时，工作口开始有油液输出，再运动7.5mm时阀口开度达到最大，在这段行程范围内，工作装置实现速度微调，且在这段行程的初始段流量随行程变化量相对平缓。根据图3-3，FYZ-20B阀杆采用图3-4的节流口形式，节流口是在横轴上交错六个孔用于满足图3-3中从-13-4.5mm至12mm的流量变化，在圆孔开口段开口面积A随着开口量h的变化趋势