（机械设计及理论专业论文）电磁先导阀的动态特性仿真与流场分析.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 电磁先导阀的动态特性仿真与流场分析 摘要 液压支架电液控制系统是实现煤矿安全高效生产的关键设备之一。在 该系统中，电磁先导阀是核心元件之一，但是电磁先导阀存在尺寸小，结 构复杂，流体流过复杂流道时常常会产生回流、漩涡、脱壁和重新附壁等 现象。 针对此问题，本文对电磁先导阀进行了尺寸计算，性能计算以及详尽 的受力分析，在此基础上建立电磁先导阀的开启与关闭模型。并且在 a m e s i m 软件：平台上，建立电液控制系统，对电磁先导阀的性能进行仿真 研究，研究表明：电磁先导阀的开启位移具有振荡性，流量具有波动性， 主控阀活塞直径的选择要综合考虑先导阀的结构和各种阻力变化。 对电磁先导阀的整体性能进行研究后，又应用f l u e n t 软件对电磁先导 阀内部流场进行了分析，结果表明：流体在流经节流口处，由于过流断面 的面积突然减少，流速增加，压力减少，压力损失也较大，并且在贴近阀 壁面处明显出现了漩涡区，同时在节流口处也形成了漩涡区。当压差相差 不大时，出现的漩涡区基本相同。在设计电磁先导阀时，要合理的设计电 磁先导阀的行程，以减轻气蚀，损耗等现象。并且对气穴问题进行了分析， 确定出现气穴现象的条件，提出了减少气穴现象的措施。 本文所做的研究对于电磁先导阀的结构设计与优化有一定的参考价值， 同时对保证液压支架电液控制系统可靠的工作，煤矿的安全都有一定的现 太原理工大学硕士研究生学位论文 实意义。 关键词：电磁先导阀，动态特性，a m e s i m ，流场分析 i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 d y n a m i cs i _ 【i ，a t l 0 na n da n a i ，y s i s0 ff l o wf i e l do f e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a i e a bs t r a c t e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cs u p p o r tp l a y sa ni m p o r t a n t p a r te n s u r i n gas a f ep r o d u c t i o n i nt h i ss y s t e m ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ei s o n eo ft h ec o r ee l e m e n t s ，b u te l e c t r o m a g n e t i c p i l o tv a l v ee x i s t e n c eo f s m a l ls i z e ， s t r u c t u r ei s c o m p l e x ，f l u i df l o wt h r o u g hc o m p l e xp o r to f t e nw o u l dh a v e b a c k f l o w ，e d d y ，t ot a k eo f ft h ew a l la n dt oa t t a c ht h ep h e n o m e n o ns u c ha sw a l l t os o l v et h i sp r o b l e m ，t h i sp a p e ro nt h ee l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v es i z e c a l c u l a t i o n ，p e r f o r m a n c ec o m p u t i n ga n dd e t a i l e ds t r e s sa n a l y s i s ，t h e nb u i l dt h e o p e n i n ga n dc l o s i n gm o d e lo fe l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e a n di nt h ea m e s i m s o f t w a r ep l a t f o r m ，f r o mt h es y s t e mp o i n to fv i e w ，e s t a b l i s he l e c t r o h y d r a u l i c c o n t r o ls y s t e m ，t h ee l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ep e r f o r m a n c es i m u l a t i o ns t u d y ， r e s e a r c hs h o w st h a t ：t h e e l e c t r o m a g n e t i cp i l o t v a l v e d i s p l a c e m e n t w i t h o s c i l l a t i o n ，f l o wh a saf l u c t u a t i o n ，m a i nc o n t r o lv a l v ep i s t o nd i a m e t e rs h o u l db e s e l e c t e dc o n s i d e r i n gt h ep i l o tv a l v es t r u c t u r ea n dv a r i o u sr e s i s t a n c ec h a n g e s e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e t h ee l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ef o ro v e r a l lp e r f o r m a n c es t u d y ，a n dt h e a p p l i c a t i o no ff l u e n ts o f t w a r ef o re l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ef l o wf i e l dw e r e a n a l y z e d ，t h 6d i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s i m u l a t i o n ，t h er e s u l t ss h o wt h a t ： i i i f l u i df l o w st h r o u g ht h eo r i f i c ei nt h eo f f i c e ，b e c a u s et h ef l o ws e c t i o na r e a s u d d e n l yr e d u c e d ，f l o wv e l o c i t yi si n c r e a s e d ，p r e s s u r er e d u c t i o n ，p r e s s u r el o s si s l a r g e r ，a n dc l o s et ot h ev a l v ew a l lm a r k e dt h ee m e r g e n c eo faw h i r l p o o la r e a ，a t t h es a m et i m ei nt h et h r o t t l e o p e n i n gf o r m e dv o r t e x w h e nt h ep r e s s u r e d i f f e r e n c e ，t h ew h i r l p o o l a r e a b a s i c a l l y t h es a m e i nt h e d e s i g n o f e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e ，t ot h er a t i o n a ld e s i g no fe l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e s t r o k e ，i no r d e rt or e d u c ec a v i t a t i o n ，l o s sp h e n o m e n o n a n dt h ec a v i t a t i o n p r o b l e mu n d e r t o o ka na n a l y s i s ，i d e n t i f yc a v i t a t i o nc o n d i t i o n s ，a n dp u tf o r w a r d t or e d u c ec a v i t a t i o nr e s u l t i n gm e a s u r e t h i sp a p e rh a sd o n er e s e a r c hf o re l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v ed e s i g na n d o p t i m i z a t i o nh a sg r e a tr e f e r e n c ev a l u e ，a tt h es a m et i m et oe n s u r et h a th y d r a u l i c s u p p o r tt h ee l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mr e l i a b l ew o r k ，c o a lm i n es a f e t yh a s c e r t a i np r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e k e y w o r d s ：e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e ，d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s ，a m e s i m ， a n a l y s i so f f l o wf i e l d i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 研究背景和意e 3 义 第一章绪论 液压支架电液控制技术是近1 0 年来世界煤炭开采机械化领域的一项引人注目的重 大技术突破，是现代高新技术发展的重要成果。支架电液控制系统使煤矿综采工作面 自动化程度达到一个新水平，极大改善综采工作面的工作环境和安全性，在减少液压支 架操作人员的同时，能很好协调综采设备之间的运行，充分发挥综采设备的生产能力，提 高综采工作面的产量，给煤矿带来明显的社会和经济效益。液压支架电液控制系统是今 后新建高产高效矿：井必须配备的控制系统，具有良好的市场前景瞳1 。液压支架电液控制 系统的原理如图1 1 所示。 篁一= 一! 器鐾蠡蒿裴蠹肇蠢蒿爨嚣攀鲞蒿璧 鲁警蠢翥蠹襄攀囊蒿璺 蠹警鑫蒿霸 和主控阀缀和主控阀鳃和 三控阀细 和皇挣阁缎和末拄i 砖l l f i 和： 三羟刚篓l 图1 - 1 电液控制系统 f i g 1 - 1e l e c t r o h y d r a u l i cc o n t r o ls y s t e mf o rh y d r a u l i cs u p p o r t 电液控制阀组是液压支架电液控制系统的核心，其控制着液压支架的动作，如升柱， 降柱等一系列动作，而电磁先导阀又是其核心元件，电磁先导阀的性能好坏直接制约着 整个电液控制系统的工作性能，对煤矿安全起着重要作用。电液控制阀的主要作用是通 过控制油液方向、压力等参数，从而控制系统的工作压力，完成支架的升柱，降柱等动 太原理工大学硕士研究生学位论文 作，本质安全型电磁先导阀由于其良好的特点，被液压支架所选用口1 。 电磁先导阀具有尺寸小、结构复杂的特点，其流道对电磁先导阀的性能影响较大， 当电磁先导阀的流道比较复杂时，会产生漩涡，回流等现象，并且由于漩涡等原因，会 产生热变形以及能量损失，从而降低电磁先导阀的寿命。因而确定出电磁先导阀产生漩 涡的区域对电磁先导阀的性能研究起着至关重要的作用n 1 。图1 2 是某种本质安全型电 磁阀的实物图。 1 | | 图1 2 某本质安全型电磁阀实物图( 螺管式) f i g 1 - 2a ni n t r i n s i c a l l ys a f et y p ee l e c t r o m a g n e t i cv a l v ed i a g r a m ( s c r e w e dp i p et y p e ) 1 2 国内外研究动态 1 2 1 本质安全型电磁先导阀的国内外研究动态 张宏，廉自生，熊晓燕等人发表的文章，将c f d 应用于液压阀中，建立了电磁先 导阀的湍流以及气蚀的数学模型，并且对电磁先导阀的结构进行了改进，将正顶杆改为 外侧顶杆，通过此结构优化减少气蚀磨损，为液压阀的设计提供了一个新思路瞄3 。 袁红兵，张宏，廉自生，赵国栋等人主要从液压阀的泄漏量进行深入分析，从影响 泄漏量的因素入手，找出了泄漏量与密封接触比压、表面粗糙度以及分形参数的关系， 并且建立了泄漏量的分形模型，进行了数值仿真，找到了其中的关系：1 液压阀的泄漏 量是与多种因素有关的，而提高液压阀的加工精度可以达到较小泄漏量的效果；2 泄漏 量的大小还与液压阀的端面形貌有很大关系，会随着端面形貌的变化而变化，通过合理 的改变端面形貌而减少泄漏量3 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 王芳，廉自生，李昆鹏等人应用专业仿真软件f l u e n t 对液压阀的内部流场进行了深 入分析，主要对电磁先导阀的阀芯所受的轴向阻力进行了一个详细的分析，为电磁先导 阀的结构优化提供了一定的依据订1 。 刘远波，廉自生等人以a m e s i m 软件为平台，从系统的角度出发，建立了电液控制 系统的模型，对电液控制阀进行了一个系统的研究，得到了电磁先导阀的流量，压力与 主阀位移的定性关系，并且讨论电液控制阀的改进，为电液控制阀的结构优化提供了一 定的依据随1 。 贤惠，廉自生等人应用专业仿真软件f l u e n t 对电磁先导阀阀芯的内部流场进行了深 入分析，发现了阀芯中出现了严重的回流现象，并针对此种现象提出了减少回流的方法， 一是出口压力增大，二是减小出口速度阳1 。 汪晓波，高峥等从机械和电气两方面分析了液压阀出现故障的原因，在机械故障中 主要有：液压阀装配过程中出现弹簧装配不良，阀杆由于杂质过多出现卡紧，流体介质 由于污染，粘度过大而使液压阀中的液压力变大，阀杆阻力变大，影响换向，泄漏量过 大使系统达不到额定的压力。电气故障主要有：电源的变化范围比较大，从而影响液压 阀的稳定动作，液压阀的线圈由于使用年限出现的老化，漏磁现象严重，同时还有匝间 短路的问题，这些电器问题都会使液压阀的外表温度升高，从而引起安全问题。在分析 完以上机械与电器故障后，针对这些故障，提出了一些措施，为液压阀的改进提高了一 定的价值n 伽。 m a t t h ej s t e v e n s o n 等人应用专业仿真软件f l u e n t 对液压阀的内部流场进行了可视化 分析，并且与试验结果和理论研究进行对比的分析，验证了f l u e n t 软件仿真能够比真实 的物理试验更加快捷的得出流场的流速，压力，涡量等一些列参数1 。 b o r ae r y i l m a z a , b r u c eh w i l s o n 等人在深入研究比例阀的基础上，建立了适用于各 种开口的流体运动方程，其方程在非线性控制器的仿真上得到应用n 引。 张守年等人在深入了解先导阀的基础上，提出了一种新的结构，设计出了可以直接 插在主阀上的电磁阀，这样的结构设计可以提高其电液阀的性能，抗污染能力也得到了 加强3 1 。 q c h e n ，b s t o f f e l 等人应用专业仿真软件f l u e n t 对液压阀的内部流场进行了可视化 分析，并且着重对气穴现象进行了分析与研究，其发现在液压阀中，气穴最严重的地方 是在阀座的微小的间隙处，针对此问题提出了一定的解决方案，为液压阀的改进提供了 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 一定的理论基础n 们。 k d a s g u p t a ，r k a r m a k a r 等人在深入研究卸压阀的工作原理的基础上，应用功率键 合图建立了动力学仿真，其仿真的结果对卸压阀的结构优化与设计提供了一定的参考n 5 | 。 p r i y a t o s hb a r m a n 等人在总结了其他工作者在应用专业仿真软件f l u e n t 对液压阀的 内部流场进行了可视化分析的基础上，预测和控制了气穴以及冲蚀的发生，并且得出来 了计算流体动力学在预测气穴产生的区域和减少气穴产生的方法，这些都对液压阀的结 构起到了很好的指导意义“引。 韩向可等人在深入分析电磁先导阀的结构以及动作原理的基础上，建立了准备的数 学模型，运用m a t l a b 软件对其进行了动态仿真，其结果对电磁先导阀的结构设计以及 优化提供了一定的依据n 7 1 。 1 2 2c f d 技术在液压阀中的运用状况 c f d 技术对研究液压阀的内部流场具有强大的分析功能，国内外学者应用c f d 技 术对液压阀的内部流场进行了大量的研究与仿真，为液压阀的结构优化提供了一定的依 据。 s h i g e r uo s h i m a ，t i m ol e i n o 等人在深入分析水用锥阀和油用锥阀的原理以及结 构的基础上，应用c f d 软件对对两种阀的内部流场进行分析，进行了对比试验，得到 了其不同压力差下的流量以及质量流率的曲线，这对液压阀的仿真提供了一种思路n8 | 。 m b o r g h i ，m i l a n i 等人在文章中应用c f d 软件对安全阀的开口量大小对其压力、速 度以及流量的影响进行了分析，得到了压力，速度以及流量的对比图，并且得到了安全 阀的稳态液动力，由公式推导出了瞬态液动力与稳态液动力的比例关系口引。 y o s h i n a r in a k a m u r a 等人应用c f d 软件和试验相结合的手段对锥面密封的阀进 行了静态和动态特性的分析，其结果为锥阀的结构优化提供了参考瞳0 1 ； m k i p p i n g 等人研究了不同介质对液压阀的影响，利用c f d 软件对液压阀的内部流 场进行分析，得到了不同介质对液压阀的影响度妇； m d i e t z e 等人在c f d 中建立了液压阀的二维与三维模型，取锥角为变化量，研究 其变化对液压阀内部流场的影响口引。 p f i y a t o s hb a r m a n 等人在c f d 中建立了滑阀的三维模型，并且对其进行了数值模拟 ： 与分析，当滑阀的压力和流量都很大时，容易引起汽化的现象，汽化对液压阀的影响是 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 很大的，因为汽化时，气泡破裂会对液压阀形成气蚀现象，从而降低液压阀的寿命，更 严重的会使液压阀的工作受阻，无法正常工作，同时研究了滑阀内部流场的压力，速度 等因素，得出了其分布图，这些研究成果对减轻气蚀现象有一定的参考价值乜3 1 。 王国志等人应用c f d 中的三维分析软件f l u e n t 对滑阀的阀芯受力情况以及内部流 场进行了可视化试验，利用数值模拟和可视化试验得到了较为准确的阀芯所受稳态液动 力，仿真结果与理论计算的数值相对比，发现其结果基本一致，因而验证了理论计算的 正确性，其研究成果为滑阀的结构设计与优化提供了一定的依据瞳4 i 。 高殿荣等人首次应用有限元分析于液压阀中的复杂流道，并且结合c f d 技术，对其 阀内流道进行可视化分析，两者技术相结合对液压阀流道进行了详尽的分析，提出了流 道改进的方法，同时从理论上得到了流场内的变形函数，其对液压阀的设计与计算都提 供了一定的参考乜引。 王林翔等人在c f d 软件上应用有限容积法等，对滑阀的内部流场进行了数值仿真， 同时研究了气穴产生的原因乜6 。 沈晶等人在c f d 的平台上对液压阀中的水锤现象进行了深入的分析，找到了其产 生的原因，并且提出了减小水锤现象的措施，通过改变液压阀阀芯的结构从而达到较小 水锤现象心。 冀宏等人利用理论分析与数值模型相结合的方法，对液压阀内流场存在的气穴和噪 声进行了深入分析，并且提出了两种方案来减小这种现象，第一是二级节流，第二是采 取大楔形角心引。 1 3 本文研究内容 1 ) 根据电磁先导阀的结构和工作原理，建立电磁先导阀的数学模型，分析电磁先 导阀受到的各种阻力，从而确定电磁先导阀电磁铁所需克服的阻力值，并且对电磁先导 阀的性能进行计算。 2 ) 建立液压支架电液控制系统，对电磁先导阀的性能进行仿真，研究电磁先导阀 开启与关闭位移，以及流量的开启与关闭变化，确定电磁先导阀工作口压力，由于主控 阀活塞直径是主控阀动作可靠及快速动作的一个至关重要的因素，研究主控阀活塞直径 对主控阀动作可靠的影响度，并且研究电磁先导阀结构参数对动态特性的影响，包括阻 - 尼对电磁先导阀的影响，复位弹簧刚度对电磁先导阀的影响。 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 在液压阀工作试验台上对电磁先导阀的换向性能，密封性能，压力流量特性以 及强度性能进行试验。 4 ) 运用f l u e n t 软件对电磁先导阀的模型进行仿真。 1 4 本章小结 首先介绍本课题的研究目的与意义，对液压支架电液控制系统的发展概况进行了一 定的阐述，并说明了电磁先导阀设计中存在的问题：尺寸小、结构复杂，流体流过复杂 流道时常常会产生回流、漩涡、脱壁和重新附壁等现象。针对电磁先导阀的存在的问题， 应用a m e s i m 软件，对电磁先导阀的整体性能进行一定的研究，并且在液压支架实验 台上对电磁先导阀进行真实的性能实验，与仿真结果相对比。应用f l u e n t 软件对电磁先 导阀的内部流场进行仿真。 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章电磁先导阀的理论分析与数学建模 2 1 电磁先导阀的工作原理 由于电磁铁外形尺寸和推力的限制，电磁先导阀所能通过的流量较小，而液动阀则 能通过较大的流量。因此，液压支架控制系统中，通常把电磁先导阀和液动阀组合起来， 由电磁先导阀对控制压力油起先导控制作用，这种组合阀就是电液动换向阀，简称为电 液控制阀。电磁先导阀通常称为先导阀，液动阀通常称为主控阀啪1 。 当电磁铁通电时，电磁力通过放大结构放大1 0 倍，顶杆会得到一个速度，给球阀 2 一个向左的动量，致使球阀2 关闭，而球阀2 与顶针，球阀1 是相互连接的，当球阀 2 逐渐关闭时，球阀1 开始打开，高压液体开始进入工作口，进液口与工作口连通，高 压液体通过工作口进入主阀进液阀芯，打开主阀。当电磁铁失电时，液压力与弹簧座给 的弹簧力共同作用，使球阀1 关闭，在这个过程中稳态与瞬态液动力过小，不考虑，球 阀2 开始打开，工作口与回液口连通，这时电磁先导阀处于关闭的状态。其中图2 1 为 电磁先导阀的结构简图，图2 2 为电磁先导阀的应用回路简图。 r 习卤 kij p l 8 n r 盯一 怼圈 陵随 7 心迅 勿 均， 2 “纠习 。篷 基形髟 _ 、 1 戮广 d 纠 甥 l ， 切1 f 明。 _ 、 蔫酽 筏融 瑶：确勰 3 飨肜硼蘩 - 、一 肜 d l j j r - n、一卜、 y ， 一、7yi 8 i i s： i r石氐厅。每剧、h 弋 半八太 每每专弋y 7 、j 乙太i i 、 厂一卜、 ， v 图2 - 1 电磁先导阀的结构简图 f i g 2 1e l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v es t r u c t u r ed i a g r a m 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 主控阀 磁先导阀 图2 - 2 电磁先导阀的应用回路 f i g 2 - 2a p p l i c a t i o nc i r c u i to fe l e c t r o m a g n e t i cp i l o tv a l v e 2 2 电磁先导阀的几何尺寸的确定 1 ) 进出油口亘径d 进出舢计算公式抡叫6 3 詹 弦， 其中：o g 为电磁先导阀的公称流量( l m i n ) ； 名为进出油口d 处得油液流速( m s ) 。 电磁先导阀的公称流量为6 l m i n ，油液流速为2 6 m s ，代入公式得： 圳舶3 乒叫6 3 层- o 7 棚蝴一2 一足徘 2 ) 阀芯台肩大直径d 与小直径d 。 d o 2 2 皱 ( 2 2 ) 啦 式中：a g 为电磁先导阀的公称流量( l m i n ) 。 电磁袁导阀的公称流量为6 纠m i n ，d 0 2 2 、厍= 0 2 2 拓= 0 5 4 m m d 本电磁先导阀台肩大直径为2 3 m m ，满足条件。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 ) 阀口最大开口量仃m a x 阀口最大开口量盯。；o 1 8 5 d ( 2 3 ) 式中：d 为阀芯台肩大直径( m m ) ； 本电磁先导阀台肩大直径为2 3 r a m ，盯一0 1 8 5 d = 0 1 8 5 2 3 = 0 4 2 5 m m 本电磁先导阀的最大开1 2 1 量为0 2 m m ，满足条件。 2 3 电磁先导阀受力计算 1 ) 复位弹簧的刚度和预压缩力 复位弹簧：有效圈数聍= 8 ，总圈数一= 1 0 ，展开长度9 4 m m ，材料6 5 m n ，钢丝直径 d = o 8 r a m ，中径d = 3 o m m ，自由高度h o = 1 0 5 r a m ，工作高度h = 1 0 5 3 5 = 7 m m ， 弹黄的预压缩量为3 r a m ，弹黄刚厦k 尼：7 9 0 0 _ 0 f ( 0 7 ) = 11 1 n r a m ( 2 - 4 ) 8 x ( 3 ) 3x 8 复位弹簧的预压缩力f o = 1 1 1 x3 = 3 3 ，3n ，球阀的最大位移为0 2 1 m m ，则复位弹簧的工 作载荷为c = 1 1 i x ( 3 0 + 0 2 1 ) = 3 5 6 6 n 。 2 ) 运动阻力只 在恒定速度和恒定温度的平均条件下，阀芯、顶杆等的运动阻力可用下面近似关系 表达： e = 警u = e 妄 ( 2 - 5 ) 式中：d 为运动件配合面的外径( m m ) ；l 为运动件与阀体( 阀套) 接触长度( m m ) ； u 运动件的运动速度( m s ) ；为液体动力粘度，乳化液为1 0 5 7 1 0 一p a s ；，为运动 件与阀体孔的单边配合间隙( 珈m ) ；b ，为粘滞阻尼系数。 运动阻力包括项杆、顶针等运动阻力，数值为e = 0 0 3 n 。 3 ) 侧压摩擦力疋 从绝对理想状态来讲，径向液压力应该相互平衡，相互抵消，不会产生侧压摩擦力， 太原理工大学硕士研究生学位论文 但是由于加工误差或赃物因素的影响，侧压摩擦力总是存在，并且严重时会影响电磁先 导阀的正常工作。通常可以采取提高电磁先导阀元件的几何精度及表面粗糙度，提高液 体的清洁度等措施来减小侧压摩擦力。 侧压摩擦力的计算公式为： 最= 0 2 7 玛d ( 篡一只) ( 2 - 6 ) 式中，f 为摩擦系数，可取范围为0 0 4 0 0 8 ；三，为导向长度( m m ) ；d 为运动件直径 ( n u n ) ；只、分别为运动件两端压力( n ) 。推杆侧压摩擦力，只= 1 1 5 n 。 4 ) 密封圈处的摩擦阻力 电磁先导阀推杆“o ”形密封圈处的摩擦阻力为： = 0 8 6 3 5 f d d 。( p s p x ) ( 2 7 ) 式中：，摩擦系数，可取z = o 1 ；d 运动件直径( n h n ) ；d 。为o 形密封圈断面直径( m m ) 。 考虑顶杆和电磁铁衔铁等的综合因素，计算得摩擦阻力数值为c = 1 0 5 n 。 推杆密封圈的摩擦力越小，阀的换向可靠性越高。可以此案去提高运动件的表面粗 糙度或选择合适的密封材料等方法来减小摩擦力。 5 ) 液动力 电磁先导阀的液动力是一个必须考虑的因素，因为液动力的大小对电磁先导阀的换 向性能有比较大的影响，液动力是由于液体经过阀腔以及阀口的方向改变而引起的速度 的改变，在本文中计算公式如下： 作用在阀芯上的稳态液动力瓦为： 凡。2 c a c v 万d x a pc o s 口= 尼”- x ( 2 8 ) 式中：k w = 2 g c v 7 r d x pc o s a ，k 。为先导阀的液动力刚度；q 阀1 ：3 流量系数，一般取 0 6 5 ；c 、，为速度系数，取0 9 8 ；口为阀口处液流角，取口= 6 9 。；d 阀座孔径( m m ) ；x 阀口开口量( m m ) ；z x p 阀1 3 入口和出口压差( n ) 。 进液阀n y t ：度x = 0 2 1 m m 时，压差为最大时，最大值f w = 4 0 6 n 。 1 、当电磁铁未得电时，这时电磁铁整体处于平衡状态，对各个部件进行受力分析： 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 a 先取阀座作为研究对象，处于平衡状态，如下图2 3 所示。 n) n n 一 p 球l 二i r 。7n 图2 3 阀座受力图l f i g 2 3t h ed i a g r a m1o f v a l v e c + 岛左= ，森l + 岛右 ( 2 - 9 ) 其中：c 为弹簧对阀座的弹簧力( n ) ；略左为阀座左面的液压力( n ) ； 如，为陶瓷球1 对阀座的力( n ) ；右为阀座右面的液压力( n ) 。 b 取左边陶瓷球1 做受力分析，陶瓷球处于静l e 状态，如下图2 4 所示。 图2 _ 4 陶瓷球l 受力图l f i g 2 - 4t h ed i a g r a m1o fc e r a m i cb a l l1 水平方向： 皈+ 珏= + f i c o s 4 0 。+ 互c o s 4 0 。 ( 2 1 0 ) 竖直方向： f i s i n 4 0 。一f 2 s i n 4 0 。= 0即：e = 最 ( 2 1 1 ) 其中：如。反为阀座对陶瓷球1 的作用力( n ) ；赡为液压力( n ) ； ，顶为顶杆对陶瓷球1 的作用力( n ) ；互是顶杆套对陶瓷球的上支撑力( n ) ； e 是顶杆套对陶瓷球的下支撑力( n ) 。 c 取顶杆为研究对象，做受力分析，如下图2 5 所示。 图2 - 5 顶杆受力图1 f i g 2 5t h ed i a g r a m1o f p o l e l l 太原理工大学硕士研究生学位论文 f 顶反= 2 其中：f 顶反是左边陶瓷球1 对顶杆的作用力( n ) ； 2 是右边陶瓷球2 对顶杆的作用力( n ) 。 d 取右边陶瓷球为研究对象，做受力分析，如下图2 - 6 所示。 f 2 1 2 ) 图2 6 陶瓷球2 受力图1 f i g 2 - 6t h ed i a g r a m1o fc e r a m i cb a l l2 码2 反= 针 ( 2 1 3 ) 1 球2 反一1 顶针 、二一7 其中：，球：反是顶杆对右边陶瓷球2 的作用力( n ) ； 针是顶针对右边陶瓷球2 的作用力( n ) 。 e 取顶针为研究对象，做受力分析。如下图2 7 所示。 图2 7 顶针受力图1 f i g 2 7t h ed i a g r a m1o fl i q u i dr e t u r nr o d 针反= 珞 其中：针反是右面陶瓷球2 对顶针的作用力( n ) ； ( 2 1 4 ) r 是液体对顶针的作用力( n ) 。 2 、当电磁铁得电时，运动组件分两个运动过程，第一过程是运动组件整体加速运动， 当加速到极限行程时，项针和陶瓷球2 停止运动。第二个过程是当顶针与陶瓷球2 停止 运动时，顶杆，陶瓷球1 和阀座进行振荡运动。 首先分析第一个运动过程： a 取顶针为研究对象，做受力分析，如下图2 8 所示。 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 8 顶针受力图2 f i g 2 8t h ed i a g r a m2o fl i q u i dr e t u r nr o d c + 磊一只一嘞针反一五顶针= m 顶针石d 2 x ( 2 - 1 5 ) 其中：t 为电磁铁推力( n ) ；珞液体对顶针的液压力( n ) ： 为顶针的摩擦力( n ) ；针反是右面陶瓷球2 对顶针的作用力( n ) ； 五顶针为顶针的液压卡紧力( n ) ；m 顶针为顶针的质量( n ) 。 b 取右边陶瓷球为研究对象，做受力分析，如下图2 - 9 所示。 图2 - 9 陶瓷球2 受力图2 f i 9 2 9t h ed i a g r a m2o fl i q u i dr e t u mr o d 针一_ m q ：窘 ( 2 - 1 6 ) 其中：针为顶针给右边陶瓷球2 的作用力( n ) ； ：反为顶杆给右边陶瓷球2 的作用力( n ) ； m 。2 为陶瓷球2 的质量( n ) 。 c 取顶杆为研究对象，做受力分析，如下图2 1 0 所示。 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 l 奎i2 一1 0 丁贞秆受力图2 f i g 2 10t h ed i a g r a m2o f p o l e 略：一反一杆= m 腩矿d z x ( 2 1 7 ) 其中：，顶反是左边陶瓷球1 对项杆的作用力( n ) ； ：是右边陶瓷球2 对顶杆的作用力( n ) ； 最顶杆是项杆的液压卡紧力( n ) ；m 顶杆为顶杆的质量( k g ) 。 d 取左边陶瓷球为研究对象，做受力分析，如下图2 1 1 所示。 k a 弋 f 彳 l 奎i2 - 1 1 陶瓷球1 受力图2 f i g 2 1lt h ed i a g r a m2o fc e r a m i cb a l l1 一吒一& 饭一r 一只。= m 球。窘 ( 2 - 1 8 ) 其中：尽。反为阀座对陶瓷球1 的作用力( n ) ；赡为液压力( n ) ； 为顶杆对陶瓷球1 的作用力( n ) ；瓦为稳态液动力( n ) ； 瓦为瞬态液动力( n ) ；m 。为陶瓷球1 的质量( k g ) 。 e 取阀座为研究对象，做受力分析，如下图2 1 2 所示。 1 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 右 图2 1 2 阀座受力图2 f i g 2 1 2t h ed i a g r a m2o f v a l v e f r ：# i - 右一只一f , a - = m 阀座擎 ( 2 - 1 9 ) 其中：t 为弹簧对阀座的弹簧力( n ) ；左为阀座左面的液压力( n ) ； ，为陶瓷球1 对阀座的力( n ) ：右为阀座右面的液压力( n ) ； 最阀座为阀座的液压卡紧力( n ) ；m 阀座为阀座的质量( k g ) 。 第二个过程当顶针与陶瓷球2 停止运动即陶瓷球2 到了极限位置时，顶杆，陶瓷球1 和 阀座进行振荡运动。 a 取顶针为研究对象，这时候顶针处于平衡状态，做受力分析，如下图2 1 3 所示。 图2 1 3 顶针受力图3 f i g 2 - 13t h ed i a g r a m3o fl i q u i dr c t u mr o d 只+ ，液= 岛针反 ( 2 2 0 ) 其中：f o 为电磁铁推力( n ) ；岛为液体对顶针的液压力( n ) ； 针反为右面陶瓷球2 对顶针的作用力( n ) 。 b 取右面陶瓷球2 为研究对象，这时候陶瓷球2 处于平衡状态，做受力分析，如下图 2 1 4 所示。 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 水平方向： 竖直方向： f 3 r 图2 1 4 陶瓷球2 受力图3 f i g 2 - 1 4t h ed i a g r a m3o fl i q u i dr e t u r nr o d 2 液+ e c o s 4 0 。+ f 4 c o s 4 0 。= 针 f 3 s i n 4 0 。= f 4 s i n 4 0 。即e = 只 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) 其中：针为顶针对陶瓷球2 的作用力( n ) ；& 2 液为陶瓷球2 的液压力( n ) ； e 是顶杆套对球2 的上支撑力( n ) ；是顶杆套对陶瓷球2 的下支撑力( n ) 。 c 取顶杆、陶瓷球1 以及阀座运动组件为研究对象，做受力分析，如下图2 1 5 所示。 图2 1 5 阀座组件受力图 f i g 2 15t h ed i a g r a mo ft h es e a ta s s e m b l y 一只一瓦顶杆一瓦一l 一五阀座= m 窘 ( 2 2 3 ) 顶杆、陶瓷球1 以及阀座运动组件的加速度为负数，进行减速运动，速度减到0 后 再向右运动。 其中：m 为顶杆、球1 以及阀座的质量之和( k g ) ；只为弹簧对阀座的弹簧力( n ) ； 民阀座为阀座的液压卡紧力( n ) ；杆是项杆的液压卡紧力( n ) ； 凡为陶瓷球l 的稳态液动力( n ) ；瓦为陶瓷球1 的瞬态液动力( n ) 。 1 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 、当电磁铁失电时，先导阀阀芯主要靠弹簧力复位： a 取阀座作为研究对象，做受力分析，如下图2 1 6 所示。 图2 1 6 阀座受力图4 f i g 2 - 1 6t h ed i a g r a m4o f v a l v e 只+ 左一。一右一氕阀座= m 阀座矿d 2 x ( 2 - 2 4 ) 其中：只为弹簧对阀座的弹簧力( n ) ；略左为阀座左面的液压力( n ) ； 凡。为陶瓷球1 对阀座的力( n ) ；凡右为阀座右面的液压力( n ) ； r 阀座为阀座的液压卡紧力( n ) ；m 阀鹰为阀座的质量( k g ) 。 b 取左边陶瓷球1 为研究对象，做受力分析，如下图2 1 7 所示。 f i 图2 1 7 陶瓷球1 受力图4 f i g 2 17t h ed i a g r a m4o fc e r a m i cb a l l1 f 球。反+ 凡+ 只。一= m 。矿d 2 x ( 2 - 2 5 ) 其中：i 反为阀座对陶瓷球1 的作用力( n ) ；为顶杆对陶瓷球1 的作用力( n ) ； 凡为稳态液动力( n ) ；只。为瞬态液动力( n ) ；m 。为陶瓷球1 的质量( k g ) 。 6 取顶杆为研究对象，做受力分析，如下图2 - 1 8 所示。 1 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 抒 图2 1 8 顶杆受力图4 f i g 2 - 1 8t h ed i a g r a m4o f p o l e 嘞反一杆一略：= m 珊矿d 2 x ( 2 2 6 ) 其中：反是左陶瓷球1 对顶杆的作用力( n ) ；：是右陶瓷球2 对顶杆的作用力( n ) ； 五项杆是顶杆的液压卡紧力( n ) ：m 顶杆n n * r t n n - j _ ( k g ) 。 d 取右边陶瓷球2 为研究对象，做受力分析，如下图2 1 9 所示。 针 图2 1 9 陶瓷球2 受力图4 f i g 2 - 19t h ed i a g r a m4o fc e r a m i cb a l l2 ：液+ ：反一 t = m q 2 矿d 2 x ( 2 2 7 ) 其中：针为顶针给右陶瓷球2 的作用力( n ) ；& ：反为顶杆给右陶瓷球2 的作用力( n ) ； & 2 液为陶瓷球2 的液压力( n ) ；m q 2 为陶瓷球2 的质量( k g ) 。 e 取顶针为研究对象，做受力分析，如下图2 - 2 0 所示。 图2 - 2 0 顶针受力图4 f i g 2 2 0t h ed i a g r a m4o fl i q u i dr e t u r nr o d j 针反一只顶针一一瓦= m 顶针丽d 2 x ( 2 2 8 ) 1 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 其中：液体对顶针的液压力( n ) ；r 为顶针的摩擦力( n ) ； 针反是右面陶瓷球2 对顶针的作用力( n ) ； 五顶针为顶针的液压卡紧力( n ) ；m 顶针为顶针的质量( k g ) 。 2 4 性能计算 1 ) 通过公称流量时的压力损失a p o 油液流过阀的压力损失为： 肾勺y 等等+ 身等 协2 9 ， 式中：兄。为沿程摩擦阻力系数； y 为油液重度( n m 3 ) ； ，。为计算沿程压力损失的流道长度( r a m ) ； d 。为流道直径( m m ) ； 为沿程压力损失时流道流体的平均流动速度( i l l s ) ； g 为重力加速度( m s 2 ) ； 孝为根据油液在阀内的流动情况而确定的局部损失系数： y ，为计算局部压力损失时候的油液平均速度( m s ) 。 计算得卸。【卸。 ，满足压力损失允许值。 2 ) 公称压力下的内泄漏量 电磁先导阀的内泄漏量是阀芯在某一位置时各泄漏量面泄漏量的总和。内泄漏量的计算 公式为： ：o 6 5 4 里鱼每 ( 2 3 0 ) p l f 式中：d 为阀芯的大直径( m m ) ； y 为阀芯与阀体孔的单边配合间隙( n 珊) ； p 。为公称压力( n ) ； 1 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 为油液动力粘度( p a s ) ； 0 为有效封油长度( n 瑚) 。 3 ) 电磁先导阀换向时间。 阀