液压阀口二级节流特性

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Two-step throttle properties of hydraulic valve portsYuan Shihao，Yin Chenbo ，Liu Shihao(1.Institute of Automobile and Construction Machinery，Nanjing University ofTechnology，Nanjing，Jiarlgsu 210009，China；2.Instituteot Electrical and Mechanical Enginering，Hainan University，Haikou，Hainan 570228，China)Abstract：The geometrical features of the U and V pogs as well as their combinations(U-U，U-Vand V-V)were analyzed，and then the throtle areas of those D0ns were calculated in a simplifedmanner SO as to investigate two-step throttle properties of hydraulic valve ports.The ratio of throttlingareas in terms of valve opening was obtained，and it was observed that the location of the minimumthrottle area of U port varies；however，this is not true for V port.The cavitation functions of U and Vports against opening were obtained and the cavitation curves also were plotted by using cavitation Hum-ber(.According to the cavitation functions，it was observed that the severe cavitation zone in U portvaries with opening，but that in V port is fixed.When the inlet and outlet of throttling port are re-versed，there is an obvious change in cavitation number at the same opening.The stiffness analyticalformulas for U and V orifices were derived and the stiffness curves were calculated under various pres-sure differentials across a port and openings.For a lower pressure diferential and a smaller opening，astif r stiffness can be achieved。

Key words：throttle characteristics；throttling orifce；flow area；cavitation；stifness多路阀是农业工程机械液压控制系统中的关键控制部件，它可以实现液压执行机构的复杂动作 ，对工程机械的性能产生较大影响.多路阀处于恶劣工况时，其换向阀芯的阀口往往有较严重的空收稿日期：2012-03-05基金项目：国家自然科学基金资助项目(50875122)；江苏势技支撑计划项目(BE2011187)作者简介：袁士豪(1983-)，男，浙汀宁波人，博士(yuanshihao1983###163.corn)，主要从事液压设备基础性研究。

殷晨波(1963-)，男，江苏无锡人，教授，博士生导帅(Chbyin###163.eom)，主要从事化丁设备设计开发研究化腐蚀现象，这对换向阀寿命产生较大影响.实际应用中常常采用多级节流形式来实现阀口分压，降低空化剧烈程度 .目前应用有限元软件对液压阀内部的流厨行有限元分析 的研究 已经有很多 .有-部分学者针对液压阀、液压泵等液压元件进行了仿真试验的研究 .冀宏等 对滑阀上矩形节流槽阀口的流量系数进了研究，获得了滑阀矩形节流槽阀口流量系数及其变化规律.冀宏等提出以节流槽 内节流面的串并联效应确定二矩形节流槽阀口面积的原则，推导出阀口面积的计算公式并编制了阀口面积的计算程序，在此基础上对二节矩形节流槽的流量特性进行了试验.同全周阀口节流相比，多级节流槽其水力半径较大，抗阻塞性较好，且容易获得较小的稳定流量.对于多级节流，阀芯在移动过程中，节流槽始终存在着多个过流截面，液流流动形态十分复杂，这给高性能液压阀的设计和性能分析带来很大困难.文中研究几种具有不同几何结构的节流槽 ，计算 u型、V型、u-u型、V-V型以及 u-V型节流槽阀口过流截面面积，绘制过流截面节流面积及节流截面面积曲线，并在此基础上得出u型和 V型节流槽气蚀特性曲线；同时推导 u型、V型节流槽的节流刚度，讨论流量恒定和流量变化这 2种情况下的节流刚度特性变化。

1 节流阀口过流截面面积计算1.1 典型节流面积特性阀芯对液流的调节主要通过改变阀口开度进而改变节流面积来实现，对于非全周多级节流阀口，其过流截面面积是阀口开度 的函数，其函数数学表达往往比较繁杂，很难获得具体的解析值.u型和 V型槽是常见的节流几何形式.文中为了研究竹流槽的节流特性，将节流槽的几何结构做了合理的简化，降低了节流槽节流面积的计算难度，并在计算节流槽节流截面面积的基础上深入研究了非全周节流阀口的节流特性。

U型节流槽由2个圆柱面相贯而成，其过流截面 3个特征结构参数决定阀口几何形状，分别为节流槽长度 ，J、深度 日以及半圆端面半径 尺.V型节流槽由圆锥面与阀芯台肩相贯而成，其节流阀口几何形状可由节流槽长度 ，深度 H和节流面夹角 0确定.为了推导 U型和V型节流槽及其组合形式的过流截面面积，并充分考虑 了实际节流截面的几何特性，对节流口几何计算参数 ，J，H，R，0做了简化.在实际节流槽中，节流阀芯节流槽几何尺寸相对于阀芯本身往往要小得多，因此可以将节流边界曲线近似看作直线段，过流截面 A 和A。亦可认为处于平面上.利用 Matlab结合实际几何参数推导出节流面积公式，绘制出不同节流形式的节流面积曲线，可以清楚直观的比较不同形式的节流槽节流面积随着阀口开度的变化，如图 1所示。

(a)U型节流槽fb1V型节流槽图 1 节流槽几何特征参数Fig.1 Geometric feature of orifices对于 U型节流槽 ，其过流截面面积计算如 F。

当 X

对于 u型节流槽2个节流面A 和A 的面积大嗅发生转换，相应的其节流压降在2个节流面A，和4，上的分配也会随之变化，从而很难对气蚀的确切发l 717幔-生做出判断图 2 U型节流槽过流面积及过流面积比Fig.2 Areas and their ratio for U orifce由图3可知，V型节流槽节流面积比 / 始终是常数，且 V型节流槽中节流面积 A 始终大于4：，即 面上的节流压降始终要大于 。

图3 V型节流槽过流面积及过流面积比Fig.3 Areas and their ratio for V orifice1.2 组合式节流槽面积特性图4为 U-U，u-V，V-V组合槽几何结构。

V(c)V-V型节流槽图 4 组合式节流槽几何特征Fig.4 Geometric feature of combined orifice其过流截面面积计算如下当

图5为 u-u型组合式节流槽节流面面积比4 ， 和其面积比4。 曲线，从图中可以看出对于最汹流面积随着阀口开度 的变化经历了4次改变。

5 u-u型节流槽 节流回积及节流 面积 比Fig.5 Areas and their ratio for U-U orifice同理，对于 U-V，V-V组合式节流槽，与u-u型-样，可以得到其在不同阀口开度 时的过流截面面积4 ，4 文中限于篇幅。对 u～V，V-V组合槽的过流截面面积不做推导。

(R -X)x/-X(2-R1--X)， 2 过流截面气蚀特性分析f 4 1节流气蚀指数是衡量节流气蚀发生概率的重要参圜- 槽 -噼数，它反应了节流性能的好坏.节流气蚀指数定义为0"I (pl-P2)/(pl～Pg)， f91r，2(P2-P3)/(p2～P )。

将节流过程视为 2个节流截面4，，4 串联，其流量系数取 C C 若将出口背压视为大气压，则可知气蚀指数为f土 1 -l ·-( 会 )鲁/[ -1/2(10)式中：P 为入口压力，MPa；p 为节流中问区域压力，MPa；p 为出口压力，MPa；Jp 为气液分离压，MPa；叼为 Cq2/C由式(10)得知减小P.或增大P 均可减轻气蚀的发生.对于 u型节流，A 可看作薄壁汹，取流量系数 c 为0.63，A 有-定厚度取 为0.67；V型节流A 可视作锐边薄壁孔口，取 C 。为0.64，A 视作圆边孔 口，取 c 为 0.69；p 取 5 MPa，P3取 0.1MPa，P 取 1.5×10 Pa，不同节流形式的气蚀特性如图6所示。

1 OO 6O 2- O 2/ ～ - d - d l2- - - 2 - d- 2 l- 1 6图 6 节流气蚀特性Fig.6 Cavitation number of typical throttling orifice对 U型节流槽，在小阀口开度下，流人流出气蚀集中区均为4.，且 。人和 出相差小大，则其流人流出体积流量基本相等.随着阀口开度的增大 O- 和r， 入增大， 赐 相应减小，即液流流出节流槽时截面A 气蚀现象加剧.在阀芯开度较大时，气蚀发生集中区是4 ，图6中 l出小于r， ，液流流人时气蚀要比流出时剧烈，宏观现象表现为流出体积流量要大于流人体积流量.当阀芯接近全开时， 与大杏近于相等，则流人流出体积流量基本相等.同样对于 V型节流槽，4 和4 的气蚀指数基本恒定，且不管是流入节流槽还是流出节流槽，气蚀始终发生在 A 截面，且 r， 出大于 ，使实际过流截面流入节流槽时小于流出节流槽时，即流出节流槽的体积流量小于流人节流槽的体积流量。

为了验证关于空化气蚀的理论分析，设计了液压流量试验系统.由图7试验原理可知，左侧为试验节流槽进口压力调定部分.从变量泵打出的液压油经过高压软管，滤波和过滤器进入节流入口.变量泵出口处的高压软管和滤波装置可以最大限度地衰减液压油的压力波动，从而获得更加稳定的压力流量.流量计采用 LC椭圆齿轮流量计，其测量介质的黏度通常在0.3～2 000 mPa·S，测量介质压力-般不大于 6.3 MPa，液 流体积流量测 量范 围在0.08～340 m /h(精度等级0.2)。

图 7 试验原理Fig.7 Sketch of prineiple of experiment调定 u型和 V型节流槽进 口压力与出口压力分别为5，0.1 MPa和3，0.1 MPa，并设置不同的阀口开度 ，记录在不同阀口开度下的液流体积流量，如图 8和图 9所示。

- O 5 MPain 0 1 MPa out) ～ Q t MPain 01MPa out)- - Q 3MPain 01 MPa out)- - Q (3 MPain 0 1 MPa out)图 8 U型节流槽节流流量试验曲线Fig.8 Experimental throtle flow eurve of U portQ (5MPain 01 MPa out)Q m(5 MPa in 0 1 MPa out)Q (3 MPain 0 1 MPa out)Qu，'ilf3 MPa in 0 1 MPa out)图 9 V型节流槽节流流量试验曲线Fig.9 Experimental throtle flow curve of V portI 719瞳 图8为不同进出口压力以及进出口翻转情况下的U型节流流量，从图中可以看出，当进出口翻转时，由于在节流面上的气蚀剧烈程度不同，导致宏观上表现出统-压力差下的流量变化.图 9为 V型节流槽在不同压力差及同-压力差下进出口翻转时的流量，由于流出节流面时的气蚀剧烈程度要高于流入节流面时的，宏观上表现出其流量的差异。

从试验结果看，对于 U型节流槽，在阀口开度 处于较小时和接近阀口全开时流人流出过流截面的体积流量 Q 与 Q 出基本相等；阀口开度处于中间阶段时流人过流截面的体积流量 Q 要大于流出过流截面的体积流量 Q ，当节流槽处于小阀口开度和接近全开这 2种状态时，过流截面气蚀指数相差很小，即气蚀剧烈程度相差不大，实际过流面积亦基本相同，所以在宏观上表现出流人流出过流截面的体积流量基本相同.当处于中间阀口开度时，液流流入过流截面时的气蚀指数要大于流出过流截面时的气蚀指数，宏观表现为流出过流截面的体积流量 Q 出要大于流人体积流量 Q .对于 型节流槽，流入过流截面的体积流量 Q 始终大于流出过流截面的体积流量 Q ，这是由于 V型节流槽随着阀口开度 的变化，流出节流槽时的气蚀指数始终要大于流人节流槽时的气蚀指数 ，即流人节流槽时实际节流面积要大于流出节流槽时的实际节流面积。

3 节流刚度特性分析刚度是衡量节流过程中流量随压差变化的稳定性 ，反映了在负载压力变动时保持流量稳定的能力，其表达式为： ： . (1 1)dQ Cj A 则节流刚度为 。

d9 dQ 。dQ cj。 。cz，/4：、-由式 (12)及图 10可知在流量 Q恒定的情况下，当阀口开度很小时，刚度较大.并且随着阀口开度的增大节流槽刚度迅速变小.在小阀口开度时，V型节流槽节流刚度要远大于 u型节流槽，即表明 V型节流槽在相同的几何量级下比 u型节流槽更易获得较小的稳定流量.随着阀口开度的增加，U型节流槽节流刚度 71u的衰减梯度大于 V型节流槽节流刚度 。

10 节流槽节流刚度Fig.10 Stifness under constant flow当流量 Q变化时：卸 ，lap1.d卸2 J2papdQ Q-。 Q ( )。

由图 11和图 12可知 ，在流量 Q变化的情况下 ，u型节流槽和 V型节流槽的节流刚度与阀口开度成反比，即随着阀口开度的增大，u型和 V型节流槽的节流刚度减小；在保持阀口开度不变的情形下，u型和 V型节流槽的节流刚度与节流压差成正比，即节流刚度随着节流槽压差的增大而增加；- - X-O 7mm- - 2 0m m X-l 1 into- - 5 0mm--- - X-4 0m m图 11 U型节流槽压差刚度曲线Fig.1 1 Stifness of U orifce under variable flow- X-0 7 m-. ， Om n X-1 l m m- - X 5 OITlnl- X-4 0 nJ"图 12 V型节流槽压差刚度曲线Fig.1 2 Stifness of V orifce under variable flow依据图 11和图 12可以看出对于u型节流槽和V型节流槽，当节流压差较小时，节流刚度对节流压差变化的敏感性要高于节流压差较大时；且随着阀口开度的增大，u型和 V型节流槽对节流压差变化的敏感性降低 ，即节流作用减弱。

4 结 论1)多路换向滑阀其节流槽节流面积是阀口开度的复杂函数，对其进行具体的解析计算很困难，也没有必要.文中简化了几种典型节流槽几何特征，在此基础上分析并计算了二级节流槽节流面积与阀口开度之间的数学关系；同时得出了二级节流槽 2个最汹流截面之问的面积比。

2)在计算 u型节流槽和 V型节流槽节流截面面积和节流截面面积 比的基础上推导并计算了 U型和V型节流槽的气蚀特性，得出减小人 口压力P或增大出口背压P 均可减轻气蚀程度.通过 Matlab绘制了 u型和 V型节流槽气蚀指数随阀口开度的变化曲线，并分析了液流流入和流出节流截面这2种情况下节流槽气蚀特性的变化，指出对于 u型槽在小阀口开度或节流槽接近全开时，流人流出节流截面的液流气蚀指数大小比较接近，即发生在节流截面上的气蚀程度基本相同；当节流槽处于中间阀口开度时，流入节流槽时液流空化气蚀指数要大于液流流出节流槽时的空化气蚀指数，即流人时气蚀程度大于流出时，也就是实际节流面积流出时要大于流人时，宏观表现为流出体积流量要大于流人体积流量。

3)推导了u型和 V型节流槽在恒流量和变流量2种情况下的刚度计算公式，并绘制了流量变动时，在不同阀口开度下的节流槽刚度特性曲线.分析并发现在流量恒定的情况下，节流槽刚度随着阀口开度的增大而减小，且 V型节流槽的刚度要远大于 u型节流槽.在变流量的情况下，随着阀口开度的增加节流槽的节流刚度减小；在阀口开度不变的情况下，节流刚度随着节流压差 的增大而变大。