CN103591325A - 非全周开口滑阀u型阀口设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非全周开口滑阀U型阀口设计方法，所述方法步骤包括：计算U型节流槽的阀口过流面积、计算阀口开度与等效过流面积的关系、计算节流槽加工特征半径、计算节流槽特征深度。通过计算过流面积曲线与实测曲线对比图进行参数修正，得到理想的结构参数和流量特性曲线。根据本发明的优化设计方法，在设计非全周开口U型滑阀时，提出所需的滑阀流量特性曲线，即可求解出所设计滑阀的主要结构参数，对滑阀的生产实践具有直接指导作用。

Description

非全周开口滑阀U型阀口设计方法

技术领域

本发明涉及一种滑阀的阀口设计方法，特别涉及一种非全周开口滑阀U型阀口设计方法。

背景技术

已知，根据滑阀的开口形式，滑阀可分为全周开口滑阀和非全周开口滑阀。其中，非全周开口滑阀就是在阀芯上均布有不同形状的节流槽及其组合。非全周开口滑阀阀口的水力半径大，抗阻塞性能好，容易获得较小的稳定流量，相对于全周开口滑阀而言，它的面积梯度容易控制、流量调节范围宽，流量微调性能优良，可使液压执行机构获得良好的运动性能。由于非全周开口滑阀具有上述优点，因此被广泛应用于工程机械液压主控制阀。工程机械液压系统的操作舒适性、可靠性、安全性及节能等特性在很大程度上取决于液压主控制阀的性能。而优良的操作性、抗振性及低噪声是液压主控制阀应该具有的性能，因此在对液压主控制阀的设计时，计算主控制阀阀口流量是最基本的环节。液压控制阀对流量的控制特性本质上取决于其阀口面积和流量系数，通过合理配置节流槽，可以获得所需的阀口面积曲线。确定主控制阀阀口流量，计算非全周开口滑阀阀口面积，掌握滑阀节流槽尺寸的计算方法，对于工程机械液压主控阀、液压比例阀及伺服阀的设计及性能预测具有重要意义，是液压控制元件设计的关键环节。

目前，对于非全周开口U型滑阀阀口的设计领域仅利用节流面串联和最小过流面分别计算等截面和渐扩形节流槽阀口面积的确定原则，推导出U型节流槽阀口面积的计算公式，再利用叠加原理获得U型非全周开口滑阀的阀口面积，建立U型非全周开口滑阀的阀口面积的计算程序，但并未对滑阀节流槽端部半径和深度这两个参数的求解问题进行研究，亦未将阀口开度与过流面积公式相结合对节流槽端部半径和深度的求解进行公式分析，故而无法对U型非全周开口滑阀的设计和生产实践做出直接指导。

发明内容

本发明的目的是提供一种根据所需的流量特性曲线求解出阀口的关键结构参数近似值、通过绘图分析来优化参数的非全周开口滑阀U型阀口设计方法。

本发明所述方法的步骤如下，

1）根据面积公式

$A=\frac{A_1{A}_2}{\sqrt{A_1^2+A_2^2}}$

计算U型节流槽的阀口过流面积；

式中，A—阀口过流面积、A₁—由阀口圆弧所围面积、A₂—矩形面积；

2）根据公式

$Q=C_{q}A\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$

得到阀口开度与等效过流面积之间关系；

式中，Q—滑阀出流流量、C_q—流量系数、A—阀口过流面积、△P—阀口前后压差、ρ—油液密度

3）计算节流槽加工特征半径R_n；

选取若干个R_n值及节流口个数，其中R₁＞R₂＞R₃...，分别代入公式

$A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x,$

绘制不同R_n下计算所得开口度与过流面积曲线，由于公式A(x)在小开口处忽略了面积A₂的影响，如若图中R_m-1对应的曲线与测试曲线最为吻合，但R_n的真实值应比R_m-1略大，因此此处取R_n=R_m，确定了R_n值；

式中，式中A(x)—阀口过流面积、x—阀口开度、R_n—节流槽加工特征半径

4）计算节流槽特征深度D_n；

由实测曲线中选取一点x₁处总过流面积A₁，已知节流口个数，代入公式

$D_n=\frac{\mathrm{\π}{R}_{n}A}{2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{R}_n^4-{4A}^2}},$

通过计算得出过流面积与实测曲线对比图，根据过流面积A随着D_n、R_s、R_n增大而增大的变化规律，适当增大D_n1，通过对比图适当调整D_n，最终确定D_n值；

式中，D_n—节流槽特征深度、A—过流面积、R_n—节流槽加工特征半径、D_n1—x₁点的节流槽特征深度、x₁—实测曲线中某一开口度、A₁—x₁点对应的过流面积、R_s—阀芯半径。

与已有方法相比，本发明方法的有益效果为：在设计U型非全周开口滑阀时，已知滑阀的流量特性曲线，根据本发明的优化设计方法，即可求解出所设计滑阀的主要结构参数，设计过程简单、快速、准确，对滑阀的生产实践具有直接指导作用。

附图说明

图1为非全周开口U型滑阀结构图；

图2为U型节流槽阀口面积计算示意简图；

图3为理论开口度与过流面积曲线图；

图4为不同R_n下计算所得开口度与过流面积曲线图；

图5为D_n1=2mm时计算过流面积与实测曲线对比图；

图6为本发明的流程框图。

附图标号：1—阀体、2—U型节流槽。

具体实施方式

如图1所示，图1为本发明设计的非全周开口U型滑阀结构图，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

如图2所示，U型节流槽的阀口过流面积A与节流槽加工特征半径R_n、节流槽特征深度D_n、阀芯半径R_s和节流槽个数n有关。由于圆弧所对应的柱面面积近似于圆弧所围面积A₁，故用A₁代替；图中阴影部分面积近似于矩形面积A₂，故用A₂代替。

U型节流槽的阀口过流面积可描述为

$A=\frac{A_1{A}_2}{\sqrt{A_1^2+A_2^2}}$

经过计算解得，当0≤x＜R_n时，

$A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x$

式中A(x)—阀口过流面积、x—阀口开度、R_n—节流槽加工特征半径当x≥R_n时，

$A=\frac{A_1{A}_2}{\sqrt{A_1^2+A_2^2}}$

$D_n=\frac{\mathrm{\π}{R}_{n}A}{2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{R}_n^4-{4A}^2}}$

式中：D_n—节流槽特征深度、A—过流面积、R_n—节流槽加工特征半径

计算过程中做了如下假设：

1、在小开口处忽略了圆柱面弧度的影响；

2、在小开口处认为

忽略了面积A₂的影响。

通过上述计算得出的阀口结构参数还不够准确，应根据阀口过流面积随结构参数D_n—节流槽特征深度、R_s—阀芯半径、R_n—节流槽加工特征半径的变化规律加以修正。根据分析得知R_n对过流面积A的影响权重大于D_n，D_n对过流面积A的影响权重远大于R_s；且面积A随着D_n、R_s、R_n的增大而增大。节流口的个数与过流面积成正线性相关，是对A影响最大的因素。

根据对某比例方向阀的阀芯开口度与流量关系的测量及公式

$Q=C_{q}A\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$

得到阀口开度与等效过流面积之间的关系图，如图3所示。

式中，Q—滑阀出流流量、C_q—流量系数、A—阀口过流面积、△P—阀口前后压差、ρ—油液密度

计算R_n值：

适当选取若干个R_n值及节流口个数，其中R₁＞R₂＞R₃...，分别代入公式

$A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x$

绘制不同R_n下计算所得开口度与过流面积曲线图。

假如图中R_m-1所对应的曲线与测试曲线最为吻合。但由于公式“ $A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x$ ”在小开口处忽略了面积A₂的影响，故R_n的真实值应比R_m-1略大，因此在此处取R_n=R_m。

计算D_n值：

由实测曲线中选取一点x₁处总过流面积A₁，已知节流口个数，代入公式

$D_n=\frac{\mathrm{\π}{R}_{n}A}{2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{R}_n^4-{4A}^2}},$

得出D_n。并得出计算过流面积与实测曲线对比图。根据过流面积A随着D_n、Rs、Rn增大而增大的变化规律，适当增大D_n1，最终确定D_n值。

实施例1：计算R_n值，选取节流口个数为2，将R_n=0.8，R_n=0.9，R_n=1分别代入公式 $A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x,$ 绘制曲线如图4所示。由图中可知当R_n=0.9时，曲线与测试曲线最为吻合，但由于公式 $A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x$ 在小开口处忽略了面积A₂的影响，故R_n的真实值应比R_n=0.9略大，在此处取R_n=1。

实施例2：计算D_n值，由曲线知在x=R_n=1mm处总过流面积A_u=3mm²，因节流口个数为2，代入公式

得D_n=2mm。经计算得出D_n1=2mm时计算过流面积与实测曲线对比图，如图5所示。根据过流面积A随着D_n、R_s、R_n增大而增大的变化规律，增大D_n，最终确定D_n=2.3mm。

Claims (1)

1.一种非全周开口滑阀U型阀口设计方法，其特征在于：

所述方法的步骤如下，

1）根据面积公式

$A=\frac{A_1{A}_2}{\sqrt{A_1^2+A_2^2}}$

计算U型节流槽的阀口过流面积；

式中，A—阀口过流面积、A₁—由阀口圆弧所围面积、A₂—矩形面积；

2）根据公式

$Q=C_{q}A\sqrt{\frac{2\mathrm{\ΔP}}{\mathrm{\ρ}}}$

得到阀口开度与等效过流面积之间关系；

式中，Q—滑阀出流流量、C_q—流量系数、A—阀口过流面积、△P—阀口前后压差、ρ—油液密度

3）计算节流槽加工特征半径R_n；

选取若干个R_n值及节流口个数，其中R₁＞R₂＞R₃...，分别代入公式

$A\left(x\right)=-\frac{1}{{{20R}_n}^3}{x}^5+\frac{1}{{{4R}_n}^2}{x}^4-\frac{5}{{6R}_n}{x}^3+\frac{3}{2}{x}^2+\frac{3}{4}{R}_{n}x,$

绘制不同R_n下计算所得开口度与过流面积曲线，由于公式A(x)在小开口处忽略了面积A₂的影响，如若图中R_m-1对应的曲线与测试曲线最为吻合，但由于R_n的真实值应比R_m-1略大，因此此处取R_n=R_m，确定了R_n值；

式中A(x)—阀口过流面积、x—阀口开度、R_n—节流槽加工特征半径

4）计算节流槽特征深度D_n；

由实测曲线中选取一点x₁处总过流面积A₁，已知节流口个数，代入公式

$D_n=\frac{\mathrm{\π}{R}_{n}A}{2\sqrt{{\mathrm{\π}}^2{R}_n^4-{4A}^2}},$

通过计算得出过流面积与实测曲线对比图，根据过流面积A随着D_n、R_s、R_n增大而增大的变化规律，适当增大D_n1，通过对比图适当调整D_n，最终确定D_n值；

式中，D_n—节流槽特征深度、A—过流面积、R_n—节流槽加工特征半径、D_n1—x₁点的节流槽特征深度、x₁—实测曲线中某一开口度、A₁—x₁点对应的过流面积、R_s—阀芯半径。

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