（通信与信息系统专业论文）基于新型旋转高速开关阀的内部流场分析及研究.pdf

摘要 摘要 在液压控制系统中，高速开关阀是2 0 世纪8 0 年代发展起来的一种新型数字 电液转换控制元件，工作于开关两种状态，具有控制精度高、响应速度快、能量 损失小以及提供数字接口便于计算机连接控制等特点，应用范围非常广泛。但是， 由于高速开关阀自身的特点，存在大流量与快速响应两个性能之间存在矛盾，而 无法满足大功率液压系统的需求。 本文研究一种新型旋转高速开关阀，无需外加驱动，无需加速减速换向等操 作，利用流体自身动能冲击阀芯夹心节螺旋叶片使阀芯获得动力旋转，随着阀芯 旋转，螺旋叶片交织结构使得流体选择性的流向应用或流回油箱，通过改变阀芯 的轴向位置调节p w m 输出，p w m 从0 到1 0 0 可调，流量可达4 0 l m ，开关 速度3 4 毫秒。轴向控制系统是由单片机、摆线泵和h 桥电路组成，把阀一端的 液压油抽到另一端来实现阀芯的轴向位移，从而实现流量输出p w m 控制。通过 分析新型旋转高速开关阀的原理，阀体参数之间的几何关系，分阀芯和阀套两个 主要零件设计新型旋转高速开关阀，利用p r o e 软件参数化建模。阀套上有流体 入口，三个喷嘴和四个孔特征。阀芯分夹心节和两个输出导向节( 一个流向应用， 一个流回油箱) ，夹心节上主要设计是六个螺旋叶片。通过对阀芯自旋转动力进 行分析，在夹心节上设计阀芯螺旋叶片的轨道。为了提高开关响应速度，本文提 出优化旋转高速开关阀提高阀芯旋转速度的两种方法，利用导向节开槽和减小喷 嘴面积，结合a n s y s w o r k b e n c h 提供的f l u i df l o w ( f l u e n t ) 模型对阀内部 流场进行仿真。仿真结果表明，可以利用在输出导向节的设计来增加阀芯的自旋 转动力，利用流体自身动能提高阀芯自旋转速度，从而提高了阀的开关频率。优 化后，在喷嘴上的压力损失为0 3 6 m p a ，输出导向节的压力损失为o 2 m p a ，增 加了导向节的压力损失的同时，阀芯旋转速度由51h z 提升到81h z ，开关响应 速度由5 4 毫秒提升为3 4 毫秒。根据仿真结果设计出新型旋转高速开关阀的虚 拟变量泵系统，研究该系统的能量损失，结果表明，基于新型旋转高速开关阀的 虚拟变量泵系统比比例阀节流控制系统更优越。 关键字：液压控制系统；高速开关阀；压力损失；虚拟变量泵；能量损失 i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h eh y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e m ，h i g h - s p e e do n o f fv a l v ei san e wt y p eo f d i g i t a le l e c t r o - h y d r a u l i cc o n t r o lc o m p o n e n t sd e v e l o p e di n t h e19 8 0 s i to n l y w o r k si nt w os t a t e s ，h i g hc o n t r o lp r e c i s i o n ，f a s tr e s p o n s e ，l e s se n e r g yl o s sa n d e a s yf o rc o m p u t e rc o n n e c t i o nb yp r o v i d i n gd i g i t a li n t e r f a c ea n di t h a v eaw i d e r a n g eo fa p p l i c a t i o n s h o w e v e r ，d u et o t h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh i g h - s p e e d o n o f fv a l v ei t s e l f , t h ec o n f l i c tb e t w e e nh i g hf l o wa n df a s tr e s p o n s ea r eu n a b l e t om e e tt h ed e m a n df o rh i g h - p o w e rh y d r a u l i cs y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo fr o t a r ys p e e dv a l v eo n o f fw i t h o u te x t e r n a l d r i v e ，a c c e l e r a t i o n a n dd e c e l e r a t i o n o p e r a t i o nc o m m u t a t i o n ，s p o o lg a i n e d m o m e n t u mr o t a t i o nb yu s i n gt h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ef l u i di t s e l ft oi m p a c tt h e h e l i c a lb l a d e o ft h e s p o o l s a n d w i c hs e c t i o n w i t ht h e s p o o lr o t a t i n g ，t h e i n t e r w o v e ns t r u c t u r em a d eo fh e l i c a lb l a d es e l e c t i v e l yc h a n n e lt h ef l o wi nf o r a p p l i c a t i o no rb a c ki n t ot h et a n k t h ep w mo u t p u ti sa d ju s t e db yc h a n g i n gt h e a x i a lp o s i t i o no ft h es p 0 0 1 p w mi sa d ju s t a b l ef r o m0t o10 0 t h ef l o wr a t ei s u pt o4 0 l ma n dt h eo n o f fs p e e di s 3 4m s a x i a lc o n t r o ls y s t e mi sc o m p o s e d o fc y c l o i dp u m pa n dt h eh - b r i d g ec i r c u i t i no r d e rt oc o n t r o lt h ef l o wr a t e o u t p u t ，t h ep w m i sc o n t r o l l e db yp u m p i n gt h eh y d r a u l i co i lf r o mo n es i d et ot h e o t h e rs i d et oc h a n g et h ea x i a lp o s i t i o no ft h es p 0 0 1 b ya n a l y z i n gt h ep r i n c i p l e a n dt h eg e o m e t r i cr e l a t i o n s h i po ft h ev a l v e ，t h et w op a r t s ( s p o o la n ds l e e v e ) a r e u s e dt od e s i g nn e wr o t a r yh i g hs p e e dv a l v eo n o f fb yu s i n gp r o es o f t w a r e t h e s l e e v eh a v ef l u i di n l e t ，t h r e en o z z l e sa n df o u rh o l e sf e a t u r e s p o o l sh a v e s a n d w i c hs e c t i o na n dt w oo u t p u t o r i e n t e ds e c t i o n s ( f o ra p p l i c a t i o n so rb a c kt o t h et a n k ) t h em a i nd e s i g n si nt h es a n d w i c hs e c t i o na r es i xh e l i c a lb l a d e s t h e t r a c k so fb l a d e sa r ed e s i g n e db ya n a l y s i n gt h es p o o lr o t a r yp o w e r i no r d e rt o i m p r o v et h eo n o f fs p e e d ，t h i sp a p e rp r o p o s e st w ow a y st oo p t i m i z et h er o t a r y v a l v et oi m p r o v et h es p e e do fs p o o lr o t a t i o n ，r e d u c et h en o z z l ea r e aa n ds l o t si n t h e g u i d es e c t i o n ，c o m b i n e d w i t ht h ef l u i d f l o w ( f l u e n t ) m o d e l i n i i i 广东工业大学硕士学位论文 a n s y s w o r k b e n c ht os i m u l a t et h ei n t e r n a lf l o wf i e l do ft h ev a l v e t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w st h a ts l o t si nt h eg u i d es e c t i o no ft h es p o o li n c r e a s e s r o t a r yp o w e rb yu s i n gt h ek i n e t i ce n e r g yo ft h ef l u i di t s e l ft oi m p r o v et h es p o o l r o t a t i o ns p e e d ，t h e r e b yi n c r e a s i n gt h eo n o f ff r e q u e n c yo ft h ev a l v e a f t e ri ti s o p t i m i z e d ，t h el o s so fp r e s s u r eo nt h en o z z l ei so 3 6 m p a ，t h ep r e s s u r el o s so ft h e o u t p u t - o r i e n t e di s0 2 m p a ，a n dt h es p o o lr o t a t i o ns p e e di su p g r a d e df r o m51h z t o81h za n dr e s p o n s es p e e dd e c r e a s e sf r o m5 4 m st o3 4 m s t h e v i r t u a l l y v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ss y s t e m ( v v d p ) h a v eb e e nd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa n ds t u d yt h ee n e r g yl o s so ft h es y s t e m r e s u l t ss h o wt h a t v v d pb a s e do nt h en e wr o t a r yh i g hs p e e do n o f fv a l v ei sb e t t e rt h a nt h e p r o p o r t i o n a lv a l v et h r o t t l ec o n t r o ls y s t e m k e y w o r d s ：h y d r a u l i cs y s t e m ；h i g hs p e e dv a l v e ( o n o f 0 ；p r e s s u r el o s s ；v i r t u a l l y v a r i a b l ed i s p l a c e m e n tp u m p ；e n e r g yl o s s i v c o n t e n t s c o n t e n t s c h i n e s ea b s t r a c t i a b s t r a c t i i i c h i n e s ec o n t e n t s 1 l i r c o n t e n t s v i i c h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 1 1 1r e s e a r c hb a c k g r o u n do ft h es u b j e c t 1 1 ：! r e s e a r c ha th o m ea n da b r o a d 1 1 2 1m a j o rd o m e s t i ca n df o r e i g nr e s e a r c h 2 1 2 2d o m e s t i cr e s e a r c hr e s u l t so ft h eb i gf l o wh i g h s p e e do n - o f fv a l v e 2 1 3t h em a i np r o b l e m s 4 1 4t h es i g n i f i c a n c eo ft h er e s e a r c h 4 1 5t h em a i nc o n t e n t s 5 c h a p t e r2t h eb a s i ct h e o r yo ft h en e wr o t a r yh i g h - s p e e do n - o f fv a l v e 7 2 1t h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h en e wr o t a r yh i g h - s p e e do n o f f v a l v e 7 2 2c h a r a c t e r i s t i c so ft h en e wr o t a r yh i g h - s p e e do n o f fv a l v e 9 c h a p t e r3d e s i g no ft h en e wr o t a r yh i g h s p e e do n - o f fv a l v e 11 3 1i n t r o d u c t i o n o fp r o e n g i n e e rw i l d f i r e5 0a n dd e s i g ni n t e n t 11 3 2t h ed e s i g no ft h es l e e v e 11 3 ：! 1n o z z l e 1l 3 2 2h o l ef e a t u r e s 12 3 3t h ed e s i g no ft h ev a l v es p 0 0 1 13 3 4 t h et r a c kd e s i g no fs p o o ls a n d w i c hs e c t i o na n dd y n a m i ca n a l y s i s 13 ：；5p w mc o n t r o lp r i n c i p l ea n dd e s i g n 15 3 5 1hb r i d g e 15 3 ! ；2t h ec y c l o i dm e t e r i n gp u m p 1 6 v i i 广东工业大学硕士学位论文 3 5 3p w m 1 6 c h a p t e r4s i m u l a t i o na n do p t i m i z a t i o no ft h en e wr o t a r yh i g h s p e e do n - 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；o n 驱 动，在流体的冲击下自旋转，通过调节阀芯在阀的轴向位置来调节开关阀的输出， 可调范围0 10 0 ，为计算机提供数字接口，并将其作为主要元件应用到虚拟变 量泵系统中。 1 2 国内外研究现状 目前，虚拟变量泵处于研究阶段，相关报道非常少，普渡大学和明尼苏达大 学对虚拟变量泵都有展开了一定的研究1 7 加l ，并将高速开关阀的研究成果应用到 虚拟变量泵系统中，并用实验验证效率比比例节流系统高。而对于虚拟变量泵主 要元件高速开关阀的研究甚广，早在7 0 年代，就有液压开关阀的影子，如英国， 美国，日本，德国等液压技术研究起步早的国家，主要是对液压开关阀进行基础 研究，并将研究成果应用到液压系统中以提高效率。7 0 年代末8 0 年代初，国外 开始对液压高速开关阀展开大规模研究。在8 0 年代末之后，主要将研究成果的 l 广东工业大学硕士学位论文 应用于汽车，航天，船舶，武器装备，机床，重型机械等领域。在国内，研究起 步于8 0 年代末期，主要是跟踪国外的研究和自主研发快速响应的高速开关阀， 并对研究所得的成果展开应用【一- 卯。 1 2 1 国内外主要研究方向 高速电磁阀是最早的高速开关阀，也是目前使用最多的高速开关阀，市面上 已经有很多相应的产品。这类开关阀的开关需要电磁力克服阻力驱动阀芯快速运 动，电磁力的大小和阀芯的运动位移决定了开关阀的响应速度，所以提高其性能 主要有两种方法，增加电磁力和减小阀芯运动位移。而增加电磁力却导致能量的 浪费或者材料价钱昂贵( 如需要进口强力高速电磁铁等) ，阀芯的运动位移小导 致阀的通流能力减小，使得高速电磁阀难以满足大流量高响应速度的要求 1 6 17 1 。 压电晶体是一种新型材料，体积小，价格低，响应速度快，作为微小位移执 行器件已经成为了高速开关阀研究的一个重要方向。但是压电晶体的位移输出仅 仅为几十微米，远远不能满足高速开关阀的阀芯位移( 一般为毫米级以上) ，所 以国际上所有的研究都针对解决位移放大这个问题展开。但是目前众多研究成果 均未能有效解决把压电晶体微小位移放大以满足大通流能力的需求，因此压电晶 体数字阀普遍通流能力都很小【1 3 】【1 9 】。 同样利用磁致伸缩材料新型材料研制的微位移驱动器，具有极高的响应速度， 带宽大，位移幅度比压电式大，响应速度快。目前在国内柴油机电喷系统中得到 成功的应用。但是由于和压电式一样输出位移小从而需要复杂的放大机构，加上 材料价格昂贵和生产工艺的相对滞后使得磁致伸缩式高速开关阀的研究受到一定 的制约【2 0 j i ：l l 。 综上所述，由于高速开关阀本身的特点，存在大流量与快速响应两个性能之 间存在矛盾，为了适应大功率液压系统的要求，国内外主要研究集中围绕着让廉 价的高速开关阀具备大流量与快速响应特性这个存在矛盾的问题展开。 1 2 2 国内对于大流量高速开关阀的研究成果 周福章 l ：，l 2 l ：+ l o ，其中l z 为阀芯中间节的长度，l o 为输出导向节的长度。第 二，2 l l + d k l ：+ l o ，其中d k 为流向应用或流回油箱的孔的直径。 i l 2 - r i ，i ： lii l o 。r l 1 一 - ii 1 2 第三章新型旋转高速开关阀的设计 3 3 阀芯设计 p r o e n g i n e e r 的一个主要特点是参数化设计，非常适合于建模设计。参数化 建模设计的前提是特征之间参数存在联系，通过修改参数可直接影响其他从属特 征的参数，达到整体模型改变的效果。为此，找出特征之间参数的关系是建模参 数化设计的关键。 表格3 - 1 t a b l e3 1 参数描述 d 阀芯直径 a i n喷嘴面积 d i n轴向通道直径 l l夹心节长度 l i o两边节长度 表格3 1 为阀的主要参数说明。 本设计中阀芯的中间夹心节是关键，沿着阀芯圆周展开如图2 2 ( b ) 所示， 形成的面是形状为三角形的交替，因为本设计中喷嘴个数为3 ，所以形成的三角 形的形状为等边三角形， 3 = 6 0 0 。