水基高速开关阀阀芯的设计及密封性能分析

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Design of W ater-based High-speed On-0ff Valve Spool and Its SealingProperty AnalysisGao Xiaoyan Wu Zhangyong Zhang Xiaolong Liu Yunhan Qu Jintao(Faculty of Mechanical and Electrical Engineering，Kunming University of Science and Technology，Kunming Yunnan 650500，China)Abstract：The cone neck of the valve core is easy to be wore in the process of opening and closing of water-based high-speed on-of valve，which reduce the sealing property of valve core.Electromagnetic valve core structure was designed usingengineering ceramics，and the opening characteristics of the ceramic valve core of water-based high-speed on·of valve wereanalyzed using Ansys software.The simulation results show that the designed valve core has excellent sealing property，andthe valve core surface and the cone neck have a small deformation，although the cone neck has stress concentration.Thevalve cone stress distribution is more uniform，it plays a buffer role and can improve the antiwear of friction parts。

Keywords：aqueous medium；water hydraulic high-speed on/of valve；engineering ceramics；piston structure；sealingproperty近年来，由于对液压系统的安全性、环保性、节能性以及可持续发展的要求不断增加，用水基液(含添加剂的水)代替矿物油作为液压系统的工作介质引起了人们的极大关注。在水基液压传动介质中，添加剂是为了克服水介质存在的黏度低、润滑性差、腐蚀性强等缺点而加入的改性物质，这样水基液中不可避免地存在 颗粒性杂质”，增加了水的密度，加大了液体流动的惯性，在高压、高速流动情况下对阀芯所产生的冲刷、冲蚀磨损极为严重，对此，解决阀芯的磨损、泄漏，提高阀的控制性能和系统可靠性显得尤为关键。高速开关阀是液压系统中关键的阀类元件之-，其性能优劣对液压系统的使用起着至关重要的影响。抑制磨损和泄漏成为提高水基高速开关阀性基金项目：国家自然科学基金项目 (51165012)。

收稿 日期：2013-02-25作者简介：高晓艳 (1988-)，女，硕士研究生，主要从事水基液压传动技术及理论的研究.E-mail：gxy68601 18###163.COB。

本文作者针对水基高速开关阀密封性问题，设计出电磁锥阀式阀芯结构的水基高速开关阀，并通过Ansys软件对其开启特性进行了仿真分析♂果表明：该结构能够密封住阀芯与阀座因加工误差带来的微袖隙，同时可以减小阀芯与阀座之间的冲击，降低磨损，延长阀的使用寿命。

1 水基高速开关阀的设计1.1 水基高速开关阀阀芯的结构选型在水基高速开关阀中，与球阀式高速开关阀相比，锥阀式高速开关阀自导向能力强，阀芯两端所受压力平衡，且可以应用在高温环境下；与滑阀式高速开关阀相比，锥阀式高速开关阀工作行程较短，密封性能好，可实现线密封 ，达到零泄漏；与喷嘴挡板式高速开关阀相比，锥阀式高速开关阀响应速度快 、抗污染能力强、密封性好 ，能够满足水基高速开关阀频繁开启和关闭的工况要求，而且锥阀式结构通过高低压平衡设计，可以消除液动力的影响，是高速开2013年第 9期 高晓艳等：水基高速开关阀阀芯的设计及密封性能分析 51关阀-种较理想的阀芯结构形式。因此选择锥阀式结构作为水基高速开关阀的结构。

1.2 水基高速开关阀阀芯材料的选择锥阀式水基高速开关阀在设计时存在以下困难：(1)整个阀的应力最高点 出现在阀芯锥 颈处 ，容易发生断裂失效；(2)阀芯与阀套形成-对重要摩擦副，由于水的润滑性差，摩擦副常常发生严重的黏着磨损，而且阀芯表面流过的高速水流会带来严重的拉丝侵蚀；(3)水基高速开关阀的阀芯开启闭合频繁，由此所产生的磨损也较为严重，而水压阀的润滑性能较差，因此对其耐磨性能的要求也较高。

因此，水压阀类元件中阀芯和阀套的材料选择必须考虑以上几点。另外，水压阀类元件中阀芯和阀套的材料选择除考虑气蚀和腐蚀外，还要从摩擦学的角度出发考虑摩擦副对偶件之间相互的减阻耐磨性等 - 。

由于水基高速开关阀阀芯运动速度较快，其所产生的加速度也较大，使用工程陶瓷可以降低阀芯运动惯性，提高阀芯工作频率和响应速度，此外工程陶瓷的抗腐蚀、耐磨损及其较高的硬度都是水基高速开关阀阀芯设计所要求的。用金属石墨材料作为水基高速开关阀的阀套材料，能够有效提高水基高速开关阀的频率，提高密封性能，缓冲减震，与阀芯材料形成软 -硬材料配对，能有效提高水基高速开关阀的使用寿命。阀芯顶杆采用普通的奥氏体不锈钢0Crl8Ni9Ti，可以获得较高的硬度和抗腐蚀性能。阀芯复位弹簧采用不锈钢材料，其表面经过适当的工艺处理，可以获得较好的防腐蚀能力。采用线密封结构可以解决水基介质低黏度所带来的泄漏大、效率低的问题。

1.3 水基高速开关阀阀芯结构的设计图1为设计的电磁式高速开关阀结构图 。该结构作常闭式阀用时，其右端通道 11为进液口，中间通道 10为控制口，左端通道 9为回液 口。电磁铁通电时，由于电磁力的作用，动铁芯7带动外阀套 2克服复位弹簧6的阻力向左运动，直至左内锥阀芯4与左阀座压紧，由于液压力的作用，右内锥阀芯3与右阀座分离。此时，进液口与控制口连通，回液口与控制口断开，开关阀处于开启状态；断电时，动铁芯7和外阀套2在复位弹簧6的作用下向右运动，直至右内锥阀芯3与右阀座压紧，由于液压力的作用，左内锥阀芯4与左阀座分离。此时，进液口与控制口断开，回液口与控制口连通，开关阀处于关闭状态。做唱式阀用时，其右端通道 11为回液 口，中间通道10为控制口，左端通道9为进液口，动作原理与上述类似。

- /- 。，， v， 、 - ： / / / AI.阀体 2.外阀套 3.右内锥阀芯 4.左内锥阀芯5.静铁芯 6.复位弹簧 7.动铁芯 8.压盖图 1 电磁式高速开关阀结构原理图Fig 1 Structure of electromagnetic high speed on-0圩valve高速开关阀之所以有很高的响应速度，是因为驱动阀芯运动的驱动器响应速度极高。根据所用驱动器的不同，高速开关阀可分为高速电磁阀、电流变液式高速开关阀、压电式高速开关阀、磁致伸缩式高速开关阀。

本文作者设计的水基高速开关阀阀芯为电磁式锥阀对称结构，并采用氮化硅陶瓷材料，其驱动采用电磁驱动器，其结构图如2所示。

图2 水基高速开关阀阀芯结构图Fig 2 Water-based high-speed on-of valve spool structure2 水基高速开关阀阀芯仿真分析2.1 水基高速开关阀阀芯仿真模型高速开关阀内的流动-般是复杂的非定常的三维、不可压、黏性、湍流流动。阀体内流动所引起的不稳定现象是-种综合效应，-般来讲，阀内的流动是非定常的，阀芯锥颈处的磨损断裂是非耦合的。水压调节阀工作时，作为运动部件的阀芯阀杆轴向主要受3种力的作用，分别是阀内流体力、弹簧力、阀芯阀杆上的摩擦力。图3为阀芯力学模型示意图。