（机械电子工程专业论文）插装式顺序阀及背压单向阀动态特性的研究.pdf

摘要 插装阀是根据各类液压控制阀阀1 2 在功能上都可视为固定的或可调的或可控 液阻的原理发展起来的一类覆盖压力、流量、方向以及比例控制的新型阀类，其 基本构件为标准化、通用化、模块化程度很高的插入元件、先导元件、插装块体 和适应各类功能的盖板元件；具有结构简单、性能可靠、流动阻力小、通油能力 大、动态响应快和易于实现集成等特点，广泛应用于塑料机械、锻压机械、铸造 机械、冶金、机床、汽车、造船等领域。 在综合国内外文献资料的基础上，介绍了插装阀控制技术的发展历程、应用 领域及发展趋势。总结了二通插装型方向、流量、压力控制阀的工作原理及典型 结构。对插装式顺序阎阎口流量特性和阀芯受力状况进行了分析，建立了基于阀 芯力学动态平衡方程和阀口流量平衡方程的数学模型；通过实验探讨了阀芯控制 腔弹簧刚度、阻尼孔直径、进口流量对压力恢复特性的影响。对插装式背压阎在 大流量下的稳定性进行了研究，建立了基于湍流理论的标准k 一和r n gk 一湍 流模型，比较得出r n g k 一湍流模型更适合于高应变率和流线弯曲程度较大的流 动；基于r n g k s 湍流模型，利用f l u e n t 仿真软件分析了其在大流量下速度、压 力的分布特点，得出在大流量下插装式背压阀阀芯振荡是由于在其出口流道附近 形成漩涡以及高速主流在出口附近流道断面收缩导致出现负压区，空气从油液中 析出进入控制腔、阻尼孔节流作用丧失而引起的结论。通过实验分析了插装式背 压阀阀芯控制腔弹簧刚度对其在进口流量变化时对阎口压差特性的影响。 各章内容分述如下： 第一章，介绍了插装阀控制技术的发展历史、现状及其应用领域，总结出其 中若干发展趋势；最后，简要概括了本课题的研究意义和主要研究内容。 第二章，介绍了二通插装阎的基本结构和各构件的功能，以v i c k e r s 、 r e x r o t h 等插装阀著名生产商的产品为例子，深入剖析了二通插装式方向控制 阀、单向阀、溢流阀、顺序阀、减压阀、节流阀、流量阎等方向，压力，流量控 制插装阀的典型结构和特点 第三章，简要介绍了插装式顺序阀的基本结构；基于流体力学、运动学和工 程控制论建立了插装式顺序阀的数学模型；基于a m e si m 平台，对其在出1 2 突然失 去载荷情况下进口压力恢复过程进行了仿真分析，得出在出口突然失去载荷情况 下阀芯位移、阀芯控制腔及阎进口压力的变化规律；在现有实验条件的基础上， 完成了多种条件下的压力恢复性能实验，得到了阻尼孔直径、弹簧刚度、进口流 量等变化对进口压力恢复特性的影响等一系列结论。 第四章，基于液压流体力学、湍流理论、工程控制论建立了适应插装式背压 阎内流道流动特点的r n g k 湍流模型，对近壁区域两种模拟方法进行了介绍； 利用f l u e n t 仿真软件分析了插装式顺序阀在大流量下速度、压力的分布特点，从 理论上解释了插装式背压阀在大流量时易出现阀芯振荡现象的原因，得出油液通 过该阀阀口后在出口流道附近形成漩涡以及高速主流在出口附近流道断面收缩导 致出现负压区，空气从油液中析出进入阀芯控制腔，阻尼孔节流作用丧失，使该 阀阀芯极易振荡而引起的结论，理论分析和工程实践证明采用改换控制腔压力引 入孔位置可有效解决该阀阀芯振荡的现象。 第五章，概括了全文的主要研究工作和成果，并展望了今后需进一步研究的 工作和方向。 关键词：插装阀控制技术；二通插装阀；插装式顺序阀；压力恢复特性；插装式 背压阎；流场特性；流场仿真；速度分布；压力分布；漩涡；负压；阀芯振荡 a b s t r a c t c a r t r i d g e dv a l v e sa r en e w - s t y l eh y d r a u l i cc o n t r o le l e m e n t sa p p l i e dt op r e s s u r e c o n t r o l ，f l o wc o n t r o l ，d i r e c t i o n a lc o n t r o la n dp r o p o r t i o n a lc o n t r o ls y s t e m t h ew o r k i n g p r i n c i p l ei sb a s e do nt h ec o n c e p tt h a th y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sp o r tc a l lb ec l a s s i f i e d i n t of i x e d ，c h a n g e a b l eo rc o n t r o l l a b l ed a m p i n g c a r t r i d g e dv a l v ec o n s i s t so fi n s e r t e l e m e n t ，f o r e r - r u n n e re l e m e n t ，i n s e r tm a s sa n dc o v e rs l a b ，a l lo fw h i c ha r eh i g h l y g e n e r a l i z e d ，s t a n d a r d i z e da n dm o d u l a r i z e d p o s s e s s i n gt h ea d v a n t a g e sa sf a s tr e s p o n s e ， l i a l el e a k a g e ，s i m p l es t r u c t u r e ，l a r g e - f l o wa b i l i t y ，r e l i a b i l i t y ，g o o di n t e g r a t i o na n d s m a l lf l o wr e s i s t a n c e ，c a r t r i d g e dv a l v eh a sb e e nw i d e l ya d o p t e dt op l a s t i cm a c h i n e r y , m e t a lf o r m i n gm a c h i n e r y , c a s t i n gm a c h i n e r y , m e t a l l u r g y , m a c h i n et o o l ，a u t o m o b i l ea n d s h i p b u i l d i n g ，e t c b a s e do nr e s e a r c hr e p o r t e db o t l lh o m ea n da b r o a d t h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o n a n dt e n d e n c yo fc a r t r i d g ec o n t r o lt e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e da n da sw e l l ，t h et y p i c a l s t r u c t u r ea n dw o r k i n gp e r f o r m a n c eo ft w o w a yc a r t r i d g ev a l v ew e r es t u d i e d b yp o r t f l o wc h a r a c t e r i s t i ca n dk i n e m a t i c sa n a l y s i s ，t h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fm e c h a n i c s b a l a n c e e q u a t i o na n df l o wb a l a n c ee q u a t i o nw a se s t a b l i s h e d t h e i n f l u e n c e so f p a r a m e t e r ss u c ha so r i f i c ed i a m e t e r ，s p r i n gs t i f f n e s s ，i n l e tf l o wr a t eo nt h ep r e s s u r e r e c o v e r yw e r ee x p l o r e db ym e a n so fe x p e r i m e n t sa n ds t i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y t o s t u d yt h es t a b i l i t yo fc a r t r i d g e dc h e c kv a l v et r a d e rl a r g ef l o w , s t a n d a r dk a n dr n g k t u r b u l e n tm o d e li se s t a b l i s h e d c o m p a r i n gs t a n d a r dk m o d e l 诵t hr n gk m o d e l ，ac o n c l u s i o nw a sg o tt h a tr n gk t u r b u l e n tm o d e lw a sm o r es u i t a b l e i n h i 曲s t r a i na n dh i g hc u r v e ds t r e a m l i n ef l o wf i e l d t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i co f p r e s s u r ea n dv e l o c i t yw a ss i m u l a t e d ，w h o s er e s u l ts h o w st h a tn e g a t i v ep r e s s u r e ，r e s u l t s f r o ms p i r a lv o r t e xf o r m e da tt h eo u t l e to fv a l v e ，c a u s e sa i rt o s e p a r a t ef r o mo i la n d m o v ei n t oc o n t r o lc h a m b e r h e n c et h eo r i f i c ef a i l st ot a k ec h o k i n ge f f e c t ，a n dt h es p o o l o fc a r t r i d g ec h e c kv a l v ei sl i k e l yt oo s c i l l a t e r e l o c a t i n gt h eo i le n t r yp o i n to fc o n t r o l c h a m b e rw a sa ne f f e c t i v es o l u t i o nt op r e s s u r eo s c i l l a t i o n i nt h ee n d ，t h ee x p e r i m e n t a l r e s u l tt h a ti n f l u e n c e so fs p r i n gs t i f f n e s so nc h a r a c t e r i s t i co fp r e s s u r ed i f f e r e n c ew e r e a n a l y z e dw i t hi n l e tf l o wr a t ec h a n g i n g i n c h a p t e r1 ，t h ed e v e l o p m e n t ，a p p l i c a t i o na n dt e n d e n c yo fc a r t r i d g ec o n t r o l t e c h n o l o g yw e r ed i s c u s s e da n ds u m m a r i z e d a n dt h e n ，t h es i g n i f i c a n c ea n dm a i n 1 1 1 c o n t e n t so ft h er e s e a r c hw e r ed e s c r i b e db r i e f l y i nc h a p t e r2 ，t a k i n gv i c k e r s a n dr e x r o t h s p r o d u c ba se x a m p l e ，t y p i c a l s t r u c t u r ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft w o w a y c a r t r i d g ev a l v es u c ha sd i r e c t i o n a lc o n t r o l v a l v e ，o n e w a yv a l v e ，r e l i e fv a l v e ，s e q u e n c ev a l v e ，f l o w - c o n t r o lv a l v ew e r ea n a l y z e d 。 i i lc h a p t e r3 ，t h ef u n d a m e n t a ls t r u c t u r eo fc a r t r i d g es e q u e n c ev a l v ew a s i n t r o d u c e d ； t h em a t h e m a t i c a lm o d e l so fc a r t r i d g ev a l v ew e r ee s t a b l i s h e db a s e do nt h et h e o r yo f c o n t r o le n g i n e e r i n g ，h y d r o m e c h a n i c sa n dk i n e m a t i c s w i t ha m e s i ms o f t w a r e e t c s i m u l a t i o nw a sd o n ei nc a s et h a tt h el o a do ft h ev a l v eo u t l e tl o s t s u d d e n l y , a n d v a r i a t i o n so fv a l v es p o o ld i s p l a c e m e n t ，v a l v es p o o lc o n t r o lc h a m b e rp r e s s u r ea n dv a l v e i n l e tp r e s s u r ed u r i n gv a l v ei n l e tp r e s s u r er e c o v e r y p r o c e s sw e r es i m u l a t e d f u r t h e r m o r e ， e x p e r i m e n to np r e s s u r er e c o v e r yp r o c e s su n d e rd i f f e r e n tc o n d i t i o n sw e r ea c c o m p l i s h e d ， a n dt h ei n f l u e n c e so fp a r a m e t e r ss u c ha so r i f i c ed i a m e t e r 、s p r i n gs t i f f n e s s 、i n l e tf l o w r a t eo nt h ep r e s s u r er e c o v e r yw e r ei n v e s t i g a t e d i nc h a p t e r4 ，b a s e do nt h et h e o r yo fc o n t r o le n g i n e e r i n g ，h y d r o m e c h a n i c sa n d k i n e m a t i c s ，ar n gk t u r b u l e n tm o d e l w h i c hs u i t st of l o wc h a r a c t e r i s t i co f c a r t r i d g e dc h e c kv a l v ew a se s t a b l i s h e da n dt w ot y p e so fm o d e lo fc l o s e dw a l lf u n c t i o n w e r ei n t r o d u c e d b yf l u e n tf l o w - f i e l da n a l y s i ss o f t w a r e ，t h ed i s t r i b u t i o nc h a r a c t e r i s t i c o fp r e s s u r ea n dv e l o c i t yw a ss i m u l a t e d ，w h i c hw e l le x p l a i n e dt h ep h e n o m e n o nt h a t c a r t r i d g e dc h e c kv a l v e s p o o la p et oo s c i l l a t eu n d e rl a r g e - f l o w ，t h er e s u l ts h o w st h a t n e g a t i v ep r e s s u r e ，r e s u l t sf r o ms p i r a lv o r t e xf o r m e da tt h eo u t l e to fv a l v e ，c a u s e sa i rt o s e p a r a t ef r o mo i la n dm o v ei n t oc o n t r o lc h a m b e r h e n c et h eo r i f i c ef a i l st ot a k ec h o k i n g e f f e c t ，a n dt h es p o o lo fc a r t r i d g ec h e c kv a l v ei sl i k e l yt oo s c i l l a t e r e l o c a t i n gt h eo i l e n t r yp o i n to fc o n t r o lc h a m b e rw a s a l le f f e c t i v es o l u t i o nt op r e s s u r eo s c i l l a t i o n w h i c hi s c o n f i r m e db yb o t ht h e o r ya n de n g i n e e r i n gp r a c t i c e i nc h a p t e r5 ，a l la c h i e v e m e n t so ft h ed i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e da n df u r t h e r r e s e a r c hw o r ki sp u tf o r w a r d k e y w o r d s ：c a r t r i d g ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，t w o - w a ye a r t r i d g e dv a l v e ， c a r t r i d g e d c h e c k v a l v e ，c a r t r i d g e ds e q u e n c ev a l v e ，p r e s s u r er e c o v e r y c h a r a c t e r i s t i c ，f l o wf i e l dc h a r a c t e r i s t i c ，f l o wf i e l ds i m u l a t i o n p r e s s u r e d i s t r i b u t i o n ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n ，s p i r a lv o r t e x , n e g a t i v ep r e s s u r e ，v a l v es p o o l o s c i l l a t i o n i v 浙江人学硕i - 学位论文第一章绪论 第一章绪论 介绍了插装阀发展的技术背景、现状及应用；对其研究现状进行了分析总结， 得出插装阀的流场特性和静动态特性的研究是目前插装阀研究的重点；在插装阀 控制技术的若干发展趋势的基础上提出了本论文研究意义和研究内容。 1 1 插装阀的发展及应用 1 1 1 插装阀发展的技术背景 插装阀源于古老的水压传动，其座阀结构和功率回路的组合设计也是对传统 水压传动与控制概念的复苏和重新发现他1 。 上世纪6 0 年代后期，由于生产规模的扩展和机器功率的增大，阀控流量超过 5 0 0 l m i n 的场合随处可见。传统的采用四控制边的滑阀结构，阀内流通压力损失 较大：阀芯质量大以及滑阀控制边轴向重叠量的增加，切换速度受到限制；阀的 连接采用管式或板式连接，阀体笨重，安装空间尺寸大；此外，由于滑阀尺寸增 大，径向配合间隙的绝对尺寸随之增大，从而引起了阀内泄漏损失的急剧增大。 因此，人们致力于寻求一种新结构的液压控制阀，能更好地适应高压、大流量液 压控制系统的工程需求，这是插装阀问世并得以迅速发展的技术背景口1 。 1 1 2 插装阀发展概述 插装阀是根据各类液压控制阀阀口在功能上都可视为固定的或可调的或可控 液阻的原理发展起来的一类覆盖压力、流量、方向以及比例控制的新型阀类，其 基本构件为标准化、通用化、模块化程度很高的插入元件、先导元件、插装块体 和适应各类功能的盖板元件h - 7 1 。 上世纪6 0 年代，座阀技术率先在欧洲复苏且开始应用到现代液压控制领域， 逐步取得技术领先地位并同当时的主流液压控制技术展开竞争。 1 9 7 4 年，b a c k e 液压阻力回路系统学一书出版，奠定了二通插装阀控制技 术的理论基础。 7 0 年代，欧洲一些公司，如d e s i o n 、s a u e r 、t o w e r 、r e x r o t h 、b o s c h 等先后 形成了现代二通插装阀技术的早期产品系列。 早期欧洲各公司设计的二通插装阀安装连接尺寸不同以致不能互换，不利于二 通插装阀技术的迅速发展。1 9 7 9 年二通插装阀安装孔的连接尺寸标准d i n 2 4 3 4 2 常0 订，很快成为行业标准被世界各国采用。二通插装阀d i n 2 4 3 4 2 标准统一了安装连 接尺寸并实现了不同厂商间的互换性要求，从此，欧洲一直引领着二通插装阀控 浙江人学硕上学位论文 第一章 绪论 制技术的发展进程。 插装阀控制技术利用在主级上采用座阀结构、回路设计上体现液压阻力控制系 统学的设计原则，使得液压控制系统设计产生了概念性的变革，将液压技术的发 展提高到一个崭新的高度。插装阀的出现很大程度上满足了高压、大流量液压控 v4 图l电反馈插装式三通方向节流阀图2 座阀结构二位三通电磁阀 制技术的发展要求，得到世界各国的普遍重视，发展异常迅速。 1 9 7 0 - 1 9 8 0 年代，插装阀的应用不断扩展，在压力阀中开始替代滑阀结构；以 座阀主级结构为特征的二通插装阀在大中功率的液压控制领域逐渐居主流地位； 座阀结构开始被大量引入比例压力和流量控制。1 9 9 0 年以后，插装阀充分发挥轴 图3k l o o g 位置电反馈比例插装阀 图4 插装式高速开关电磁阀 向尺寸短、单节流口的技术性能和工艺优势，与传统液压控制技术相互影响并交 互融合，不断取得新进展和突破。如在先导控制级中采用球式座阀结构电磁阀( 图 2 ) ；三通比例插装阀( 图1 ) ；新型结构的电反馈比例插装阀( 图3 ) ；伺服控制 插装阀以及数字控制插装阀( 图4 ) 等等。计算机技术的发展，同时也促进y - - 通 插装阀及其集成块的辅助设计和仿真研究。 2 浙江人学硕上学位论文 第一章绪论 1 9 8 0 年代，环保、节能以及防燃安全等成为重要考虑因素，使得发展水液压技 术得到特别重视，出现了一系列水压传动比例控制插装阀产品，即适用于高水基 介质也适用于水介质，并且比液压控制考虑更多技术细节( 材料、工艺以及密封结 构) ，如采用主动控制、复杂的轴向和径向密封以及耐腐蚀等，在先导级除部分保 留滑阀结构( 用于高水基) 外更广泛地采用了球形和锥形阀芯并且规格微型化。此 外，水液压二通插装阀的集成组合也得到了发展，使得水液压比例插装阀技术广 泛融入到大型锻压机械和冶金设备的液压控制。 1 9 9 0 年代，液压控制阀在向高性能、小型化、集成化发展过程中，螺纹式插 装阀靠自带螺纹的插件拧入阀块的螺纹孔中，使组成的液压系统结构更紧凑、体 积更小、重量更轻，旋入螺纹对密封件形成的压紧密封能保证液压系统不漏油。 螺纹式插装阀具有体积小、重量轻、不漏油、系统组合可变性强、便于组织大批 量生产等显著特点，是液压控制技术的一个重要发展方向，有广阔的应用前景， 受到国内外液压界的重视。近几年螺纹式插装阀的插件从压力级、流量级、品种 a 溢流阀b 电液换向阀c 流量阀d 平衡阀 e 梭阀 液控单向阀 图5 螺纹插装阀 规格、控制功能等方面得到不断扩展，逐步形成了具有自身特点的产品系列。美 国、德国、英国、意大利等国家都在进一步发展这种产品。 螺纹插装阀的最大优点是应用灵活： ( 1 ) 单独装入与其配用的单阀块或双阀块，成为管式元件； ( 2 ) 装入液压马达、液压泵体，或液压缸接口处，作为控制阀； ( 3 ) 装入带c e t o p 接口的阀块，成为竖式叠加阀、或横向片状组装阀； ( 4 ) 装入二通插装阀的控制盖板，作为先导控制阀； 3 浙江大学硕上学位论文 第一章绪论 年份主要贡献者技术发展和应用事件研究工作国内进展 1 6 5 0p s c a l 静压传递原理 1 7 5 0 b e r n o u l l i流体动力学原理 1 9 7 4 b a c k e 液压 1 7 9 5b r a m a h水压机 阻力回路系学 书出版，奠定 1 9 0 6 j a n n e y 船用油压 了二通插装阀控 1 9 3 6h c k e r s机械式先导控制，三节同心平 制技术基础。 衡活塞结构、管式连接 1 9 6 0 sd e n s i o n 滑阀式电磁阀先导控制，二肖 r e x r o t h 同心座阀结构、板式连接 1 9 7 6 济南铸锻所j l 【 系列集成块研制成 1 9 7 0d e n s i o n s a u e r t o w l e r r e x r o t h 功；g b 2 8 7 7 国家标。 b o s c h 发展企业标准二通插装 阀 1 9 7 9 d i n 2 4 3 4 2 颁布，二二通插装阀 1 9 7 9 北京冶金机械 发展迅速国际化 厂和西安重机所开 r e x r o t h全系列二通插装阀 始在冶金和重机行 业应用二通插装阀。 i o c k e r s d i n 系列二通插装阀 1 9 8 0d e n s i o n s a u e r r e x r o t h b o s c h d i n 系列二通插装阀 我国二通插装阀技 1 9 8 0 sh e i m s c h e i d t d i n 系列水液压插装阀 术成功应用与压机、 1 7 e f e n b a c h 大量采刚主动控制结构 注塑机、船舶、和冶 w a l t e rv o s s二级控制结构系列化 金领域，应朋水平不 r e x r o t h球式庳阀结构电磁阀 断接近同期国际水 广泛虑j i j 于先导级 平。 r e x r o t h位移一电反馈比例插装居主流 b o s c h三通比例插装阀 7 0 4 所在重大工程项 1 9 8 4a n d e r s s o n 工程机械负载感应控制目中控制装备国产 化，成功应用于大型 1 9 8 0 sv i c k e r s机械流量反馈比例插装阀 和超大型水利、水电 p a r k e r 等 - 1 ：程，在冶金和重型 1 9 9 0r o x r o t h大功率液压控制集成化居主流 p i p p e n g e r l 9 9 0 设备中技术国产化， 阮k e r s 液压插装阀控 接近国际先进水平。 1 9 9 0 sb o s c h p a r k e r采用插装式结构更新部分传统制技术一书出 a t o s产品 版 r e x r o t h h c k e r s 表1 二通插装阀的发展历程 4 浙江大学硕：j j 学位论文第一章 绪论 ( 5 ) 装入自行设计的专用螺纹插装阀集成块。 由于螺纹强度和紧固扭矩的限制( 5 0 0 n m ) ，螺纹插装阀的直径只能做到 4 8 m m ，相应于二通插装阀通径1 6 、2 5 ，流量4 0 0 、5 0 0 l m i n 左右。螺纹插装阀 的研制及应用比传统板式、管式连接阀起步晚，而且受体积和布局限制，由此早 期某些性能不如传统板式、管式连接阀，具体表现在如溢流阀的滞回、分流阀的 分流精度、流量阀的动态响应性能等。 二通插装阀控制技术的发展历程可以从表1 中获得主要脉络。表中也着重说明 了我国理论界和工业界的重要贡酬8 珊】。 1 1 3 插装阀的应用领域 随着液压传动与控制技术的发展，液压阀的联接方式已经从管式、板式、插装 式、叠加式发展到螺纹插装式。插装阀采用插入芯子设计，是本质上的块式集成。 从集成化角度看，插入式联接，安装孔较之板式联接、安装面联接更紧凑，更合 理。插装阀插入式芯子结构本身具有层次式的可分解结构，模块化、标准化、集 成化的基础更结实，更便于功能组合和集成，更便于体现集成化设计的可组配性， 即通过功能单元的按需配置和附 加，多样化设计变型和个性化定 制更为全面。因此，插装阀的出 现顺应了液压控制模块化、集成 化的发展潮流。块式集成事实上 已经在几乎整个液压控制的规格 参数范围和不同介质中采用。图6 表达了液压阀连接方式的整体构 成格局，从图上可以看出，通径 以n g l 6 为起点，一般在3 0 0 l m i n 1 9 6 0l 啪l o- 蛐 枷 图6液压控制元件连接方法的发展 的中大流量场合，二通插装式联接已成为主导联接方式。 插装阀具有高流量、低损耗、动态性能好、泄漏少和自动化程度高等优点，广 泛应用于塑料机械、锻压机械、铸造机械、冶金、轧钢机械、机床、汽车、造船 等行业。尤其在中大功率的液压传动与控制领域，二通插装阀控制技术已成主流。 ( 1 ) 在水利水电工程中，在世界规模最大的长江三峡双线连续五级永久船闸和 厂坝二期工程装备中，大规模应用二通插装阀控制技术。插装阀控制技术在三峡 工程上的成功应用，极大地提高了我国在超大型水利水电工程关键装备中采用二 通插装阀控制技术的综合能力和水平。 ( 2 ) 在冶金行业中，我国早在8 0 年代就开始大量采用二通插装阀控制技术，由 浙江大学硕士学位论文第章绪论 上海7 0 4 所研制开发的符合d i n 2 4 3 4 2 标准的t j t g t j k 型二通插装阀及其集成 控制元件适用于冶金设备、连铸设备和连轧设备并迅速在中小型电炉和连铸设备 中获得应用。2 0 世纪9 0 年代二通插装阀控制技术进入大中型电炉、连铸和连轧， 开始被广泛接受和大量采用。大中型热轧工程关键装备步进式加热炉中广泛 采用电液比例和二通插装阀技术，达到了国际先进水平。 ( 3 ) 在注塑机中，二通比例插装控制系统已成为当今注塑机液压系统的最佳选 择。8 0 年代以来，世界工业发达国家在注塑机上广泛采用电液比例插装控制系统， 我国从8 0 年代末开始在注塑机上采用这种系统，它已成为当今注塑机控制的主潮 流。 此外，比例控制和插装阀技术在数控机床、水压机、坦克、军舰及车辆发动机 等方面都有广泛的应用。由于比例控制及插装阀技术的特点和优势，在传统液压 阀的综合改造中也将大有用武之地，势必会产生变革性的巨大影响。 螺旋插装阀可以通过两种途径应用于液压系统中： ( 1 ) 将其插入其它元件壳体内构成常规的分立元件，如有些比例泵的比例阀、 先导溢流阀的先导阀、叠加阀的阀芯以及二通插装阀控制盖板的各种调节阀都是 螺旋式插装阀。这种用法在国内已经得到较为普遍的应用。 ( 2 ) 利用各种功能齐全的螺旋插装阀插入油路集成块内构成完整的液压系统。 国外已经在工程机械上得到广泛使用，如叉车、装载机、挖掘机、工程汽车、汽 车吊等。另外在材料处理设备和农业机械上也有较多的应用阳叫1 。 1 2 插装阀控制技术的发展趋势 2 1 世纪插装阀技术将随现代控制技 术、计算机技术、微电子技术、摩擦磨损 技术、可靠性技术及新材料新工艺和制造 技术的发展而不断得到改进和更新。其主 要的发展趋势将集中在以下几方面： ( 1 ) 插装阀技术与比例控制技术相结 合，形成二通和三通比例插装阀。特点是 结构简单，性能可靠，流动阻力小，通油 能力大，易于实现集成。 ( 2 ) 插装阀技术的控制性能不断提高， 适应机电液一体化的发展潮流( 图7 ) 。 流量一位移一力反馈闭环控制及级间速 度一动压反馈的应用、比例电磁铁、传感 6 图7r e x r o t h 的高频响插装阀 位黪控捧 量俸 浙江大学硕上学位论文第一章绪论 器、放大器等电液控制系统组件性能的不断提高、现代控制技术的不断发展，这 些都将极大地提高插装阀的控制性能。 ( 3 ) 插装阀的c a d 技术及计算机仿真。c a d 技术及计算机仿真能实现半自动化 和自动化的设计，在缩短产品研发周期、降低研发成本、优化产品设计等方面起 着重大作用，在以后会不断发展并形成完善的专业化软件。 ( 4 ) 螺纹插装阀技术。螺纹插装阀作为第五代联接方式的阀种，采用插入芯子 式结构设计，本质上是块式集成，易于分解，模块化和标准化的基础坚实，而插 入式连接紧凑合理，更便于功能组合和集成，体现集成块设计的可组配性。国外 目前已有较全系列与规格的螺纹插装阀，并开发了比例控制螺纹插装阀。由于加 工、设计及相关配套技术支持等原因，螺纹插装阀在我国的推广应用速度相对较 慢，相信这一局面在不远的将来会有较大的改观。 ( 5 ) 数字插装控制技术。随着微电子技术、数字化技术、通信技术和计算机技 术的发展，电液数字控制块、大型数字式控制系统相继开发应用，数字插装技术 将随着相关技术的发展不断更新和换代。 ( 6 ) 插装阀技术的集成化和复合化。随着液压元件的标准化和小型化，集成化 和模块化的液压回路顺应了时代要求，通过功能单元的按需配置和灵活附加，以 及多样化的设计变型和个性化定制来实现液压系统的无泄漏和无管连接，块式集 成控制已经在几乎整个液压控制的规格参数范围和不同介质中采用，集成化规模 和程度空前口卜5 3 1 。 1 3 插装阀性能研究现状 1 3 1 流场特性的研究现状 1 9 9 1 年，西安交通大学曹秉刚用边界元方法对锥阀流场进行了数值解析，得 l - 1 m 蹙萼季蠹习t i 鬯& s 蔫| 鬲1 5 1l$j 琶霉熏甬= q 罢- 萋- i i 甬 图8 外流式锥阀几何模型及不同时刻速度和流线图谱 浙江人学硕i ：学位论文 第一章 绪论 n t 速度场和边界压强的分布；1 9 9 5 年，曹秉刚又对内流式锥阀液动力及阀芯锥 面压强分布进行了实验研究，设计了专门的锥阀阀芯锥面压强分布与液动力的实 验装置，用实验的方法得出了内流式锥阀阀芯锥面压强分布的特征。2 0 0 0 年，燕 山大学高殿荣、王益群用有限元方法，对锥阀的内流场作了数值模拟，得出锥阀 流场的速度矢量图和流线图谱( 图8 ) ，这对进一步分析阀口处的噪声和能量损失、 优化设计阀内流道等具有重要的实际意义。2 0 0 2 年又对液压控制锥阀内流场进行 了更为具体的分析，并进行了试验可视化研究。在此基础上，把计算得到的大量 图9 压力和气穴分布 f 时侧面影像( b ，芷面影像 图l o 实验观测的气穴分布 数据转变成便于对流场直观分析和研究的可视化图形图像，并用d p i v 流场试验可 视化技术对数值计算进行了验证。浙江大学的高红等采用r n g 七 湍流模型数值 模拟了锥阀阀口的气穴流动。运用工业纤维镜与高速摄像机等组成流场可视化试 验系统，多方位地观察了阀口附近的气穴现象，对其进行数字图像处理后，获得 了气穴流场的分布信息，与仿真结果比较，吻合良好，表明r n gk - 一e 湍流模型能 有效地描述锥阀等液压元件的阀口气穴流动。同时采用涡流式位移传感器、激光 位移器和数字应变测量仪等构成的检测系统，研究了气穴流场诱发的阀体与阀芯 振动。( 图9 ) ( 图1 0 ) 。 国外，日本的t e t s u h i r ot s u k i j i 、y o s h i k a z us u z u k i 用涡量法对液压油用锥阀 的内部三维轴向流动进行了数值模拟，并对液压油用锥阀的内部流动进行了分析。 s h i g e mo s h i m a 等对水用锥阀与油用锥阀在各个特性上进行了比较分析，并得出产 生这些差异的主要原因是水的低粘性与高密度所造成的。 1 3 2 静、动态特性的研究现状 1 9 8 0 年，德国亚琛工业大学b a c k e 教授等开展了插装阀启闭特性的研究，得 出了控制压力，弹簧刚度，阻尼网络，流量大小等因素对启闭时间的影响等一系 列结果，对插装阀结构的优化设计和促进插装阀的推广应用奠定了理论基础。2 0 0 1 8 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 年，广东机械研究所庞积伟探讨了液压插装阀作为独立元件的动态特性，根据其 内部结构和实际使用情况建立了两大组别的插装阀模型，对每种类型的数学模型 都通过相应的试验回路进行了较为详尽的验证与研究。2 0 0 1 年，燕山大学董敏， 赵静一，吴晓明等用键合图方法对二通插装阀系统的动态特性进行仿真和研究， 通过实验验证了仿真方法的正确性，提出了改进系统动态响应的措施。2 0 0 6 年， 7 0 4 所研究员黄人豪开展了二通插装阀及其基本功率回路的开关特性的研究，分析 了二通插装阀( 方向控制组件) 的开关特性，得出关于先导液阻及网络结构参数、 弹簧、阀芯位移、阀芯尾部特征及系统流量对开关特性的影响，并分析探讨了插 装阀系统不同结构参数对系统“瞬时失压 的影响嘲堋1 。 1 4 课题研究意义和内容 1 4 1 课题研究意义 在液压传动及控制技术的发展过程中，插装阀技术和比例控制技术在2 0 世纪的 最后2 0 年中得到了快速发展，被公认为是现代液压技术最重要的进展。插装阀技 术在结构上体现了先导控制、座阀主级和插装式连接的完美结合，在回路设计上 体现出液压阻力控制系统学的设计原则，它以其独特的优势正表现出强大的生命 力。插装阀技术和比例控制几乎同步形成并交互发展、相互影响和融合，成为当 今液压控制技术的主流并引领着液压工业的技术进步和持续发展。 插装阀大多采用锥阀结构，锥阀内部流道能量损失大、噪声大、效率低、能耗 大和寿命较短。所以对液压锥阀内部流道流场进行数值模拟，定性分析锥阀内部 流道流场特性与流体噪声、能量损失机理、静动念特性等的关系，确定影响插装 阀性能的主要因素以及进行结构参数的优化，是液压技术中重要的研究方向，受 到了国内外有关专家、学者的重视。过去受研究手段的限制，对流体在阀内部的 流动情况认识不足。近年来随着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用 c f d 方法，对液压阀内部的流场进行仿真计算和可视化分析，成为液压技术领域 新的研究热点。 与传统液压控制阀相比，二通插装阀在结构和回路设计上体现出了其独特性， 其动态特性也呈现出新的特点。例如二通插装阀在开启、关闭过程中体现出“压 力开启，弹簧力关闭”的特点，一般来说，开启时间比关闭时间短。所以必须展 开对其启闭特性进行研究，以确定影响启闭特性的结构及系统因素，防止回路因 插装阀的这种启闭时间差导致出现系统短暂失压的严重后果；另外，当插装式压 力阀在高压、小流量下运行，其稳定性就会下降，易出现高频振荡。大流量下顺 序阀在进口处载荷突然消失时其进口压力恢复过程受结构参数影响较大，设计不 当，系统中有关元件易发生错误动作；插装阀快速关闭时的回路冲击和压力阀高 9 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 压力差跌落时噪声较大；再者，二通插装阀大都工作在高压、大流量场合，等等。 所以，必须重视二通插装阀动态特性的研究。 2 l 世纪插装阀技术将随现代控制技术、计算机技术、微电子技术、摩擦磨损技 术、可靠性技术及新材料新工艺和制造技术的发展而不断得到改进和更新。插装 阀技术在中大功率的液压传动与控制领域已成为主流。因此，开展插装阀内部流 道流场和动态特性的研究，为插装阀控制系统的优化设计提供参考依据，无疑具 有重要的意义。 1 4 2 课题研究内容 以流体传动与控制、自动控制理论、计算流体力学、运动学等理论为基础， 采用理论分析，计算机仿真和试验研究相结合的方法对本课题进行研究，具体研 究内容包括： ( 1 ) 以插装式顺序阀为例，从其工作原理和结构入手，建立了插装式顺序阀 的数学模型，对插装式顺序阀在出口突然失去载荷情况下进口压力恢复过程进行 仿真分析与实验