CN108302080B - 喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法。现有气穴抑制方法在油压较大时作用明显减弱。本发明将力矩马达输出的电信号转换成阀芯的压力信号，并通过调节挡板在两个喷嘴的相对位置来改变两个喷嘴之间压力差，进而推动阀芯精确运动；在喷嘴主流道外沿开设辅流道形成辅流道射流的入射，改善喷嘴与挡板间的压力分布，从而抑制喷嘴边缘的气穴，同时通过辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来降低径向射流离开挡板边缘时的流速，从而抑制挡板边缘及挡板和挡板安置腔内壁之间区域的气穴；当喷嘴进口压力进一步升高时，辅流道射流的出口流量也会增加，从而加强辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来进一步抑制气穴现象。

Description

喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法

技术领域

本发明涉及一种伺服阀性能改善方法，具体涉及一种喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法。

背景技术

作为电液伺服系统的关键核心部件，电液伺服阀的性能直接制约着整个系统的工作可靠性、控制精度及响应特性等。通常，伺服阀由前置级功率放大和功率级液压放大两部分组成，前者是将信号进行电液转换和信号放大，后者输出液压动力控制负载运动，起到功率级液压放大器的作用。伺服阀的前置级有多种形式，主要有喷嘴挡板阀、射流管阀和偏转板射流阀等，其中，前者应用最为广泛。

喷嘴挡板伺服阀前置级流场通常具有流道结构复杂、进出口压差大、流速快、高剪切性等特性，容易诱发局部低压而导致气穴现象的产生。气穴气泡从初生、发展到溃灭的过程往往会诱发流场中的压力脉动以及噪声等，不仅会使伺服阀发生高频啸叫现象，还会使零件表面发生气蚀以及使挡板产生振动。这会影响喷嘴挡板装置的工作稳定性，降低伺服阀动静态性能，严重时会使衔铁挡板组件振动过大,造成弹簧管开裂,导致伺服阀损坏。因此，伺服阀前置级气穴特性的改善是保证伺服阀正常工作和性能提升的关键。

现有的气穴抑制方法，如增加出口背压或采用矩形挡板，在供油压力较小时可以有效削弱气穴现象，包括喷嘴挡板边缘的附着气穴以及流场中的云气穴。但是，液压管路中常存在压力波动，由此而导致喷嘴供油压力增大时，这些方法对气穴现象特别是云气穴的抑制作用会有所减弱。而大量研究表明，相比于附着气穴，云气穴特别是在其溃灭过程中所诱发的噪声以及压力脉动要更为严重。因此，为提高喷嘴挡板伺服阀的性能并保证其工作的可靠性，需要设计新的气穴抑制方法。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

本发明喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法，具体如下：

供流源流体由两端的进流口分别经对应的节流口和节流通道流向喷嘴；两喷嘴射出的流体射向挡板两侧；当线圈中有电流信号输入时，衔铁被磁化产生的磁场与永久磁铁和导磁体形成的磁场合成电磁力矩，使衔铁连同挡板偏转，挡板的偏转使两喷嘴与挡板之间的缝隙发生相反的变化，阀芯两端进流口的压力也发生相反的变化，缝隙变小的一端压力上升，另一端压力下降，从而推动阀芯移动。阀芯移动的同时使反馈杆产生弹性变形，对反馈杆产生反力矩。当作用在挡板上的电磁力矩与弹簧管反力矩及反馈杆反力矩达到平衡时，阀芯停止移动，此时有如下两种工况：1)当阀芯中心朝向第一控制流口移动然后停止时，第一控制流口与卸流口连通，靠近第二控制流口那端的进流口与第二控制流口连通；外部负载的流体由第一控制流口进入，并由卸流口流出；而部分供流源流体由靠近第二控制流口那端的进流口进入，并由第二控制流口流至外部负载。2)当阀芯中心朝向第二控制流口移动然后停止时，靠近第一控制流口那端的进流口与第一控制流口连通，第二控制流口与卸流口连通；外部负载的流体由第二控制流口进入，并由卸流口流出；而部分供流源流体由靠近第一控制流口那端的进流口进入，并由第一控制流口流至外部负载。由于衔铁、挡板的转角以及阀芯的位移都与电流信号成比例变化，在负载压差一定时，该喷嘴挡板伺服阀的输出流量也与输入电流成比例；当输入电流信号反向时，输出流体的方向也发生改变。而流体从喷嘴射出后，由于存在从喷嘴射向挡板的冲击射流和从喷嘴与挡板的间隙射向挡板安置腔的内壁的径向射流，局部压力降低之处会产生气穴；在喷嘴主流道外沿开设周向均布的2～8个辅流道形成辅流道射流的入射，改善喷嘴与挡板间的压力分布，从而抑制喷嘴边缘的气穴，同时通过辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来降低径向射流离开挡板边缘时的流速，从而抑制挡板边缘及挡板和挡板安置腔内壁之间区域的气穴；当喷嘴进口压力进一步升高时，辅流道射流的出口流量也会增加，从而加强辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来进一步抑制气穴现象。

所述喷嘴的主流道直径为0.3～0.6mm，长度为0.5～1mm，辅流道的直径为0.1～0.2mm，长度与主流道相等；辅流道与主流道的中心距为0.3～0.6mm。

所述的辅流道由激光打孔加工而成。

本发明具有以下优点：

1、喷嘴挡板装置将力矩马达输出的电信号转换成阀芯的压力信号，起到电液转换和信号放大的作用，并通过调节挡板在两个喷嘴之间的相对位置来改变两个喷嘴之间压力差，进而推动阀芯精确运动，最终实现控制滑阀出口流量的目的。

2、本发明在伺服阀喷嘴主射流周围增加了微射流，可以有效抑制伺服阀前置级气穴现象，特别是云气穴。

3、本发明微射流与主射流同时受供油压力的影响，当供油压力增大时微射流的作用也被强化，从而可以削弱由供油压力增大而导致更加严重的气穴现象，因此有效削弱了液压管路中供油压力变化对伺服阀前置级流场中气穴现象的影响。

附图说明

图1是本发明采用的喷嘴挡板伺服阀结构原理图。

图2-1是本发明采用的喷嘴挡板伺服阀的喷嘴与挡板位置关系示意图。

图2-2是实施例中喷嘴的辅流道分布示意图。

图3是实施例中分析的四分之一流场位置示意图。

图4-1是喷嘴进口压力为6MPa且喷嘴只开设主流道未开设辅流道时，伺服阀前置级流场的速度云图。

图4-2是喷嘴进口压力为6MPa且喷嘴既开设主流道又开设对称的两个辅流道时，伺服阀前置级流场的速度云图。

图5-1是喷嘴进口压力为6MPa且喷嘴只开设主流道未开设辅流道时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图。

图5-2是喷嘴进口压力为6MPa且喷嘴既开设主流道又开设对称的两个辅流道时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图。

图6-1是喷嘴进口压力为8MPa且喷嘴只开设主流道未开设辅流道时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图。

图6-2是喷嘴进口压力为8MPa且喷嘴既开设主流道又开设对称的两个辅流道时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本实施例采用的喷嘴挡板伺服阀，包括阀体、力矩马达11、前置级喷嘴挡板装置12和阀芯13；阀体13开设有对称设置的两个进流口P、对称设置的两个控制流口(第一控制流口A和第二控制流口B)、对称设置的两个进流通道、对称设置的两个节流通道、对称设置的两个节流口6，以及阀芯安置腔、挡板安置腔和卸流口O；阀芯设有一体成型的第一环形凸肩、第二环形凸肩、第三环形凸肩和第四环形凸肩；第一环形凸肩和第四环形凸肩对称设置在阀芯两端，第二环形凸肩和第三环形凸肩对称设置在阀芯中部；阀芯13设置在阀芯安置腔内，第一环形凸肩、第二环形凸肩、第三环形凸肩和第四环形凸肩均与阀芯安置腔的壁面构成滑动副；其中一个进流通道连通对应端的进流口与第一环形凸肩和第二环形凸肩之间的空腔，第二环形凸肩和第三环形凸肩之间的空腔连通挡板安置腔内端与卸流口，另一个进流通道连通对应端的进流口与第三环形凸肩和第四环形凸肩之间的空腔，第二环形凸肩和第三环形凸肩分别设置在两个控制流口处；两个节流口6分别连通对应端进流口与对应端节流通道的一端以及阀芯安置腔的对应端端口；前置级喷嘴挡板装置12包括挡板3、喷嘴4和反馈杆5；两个喷嘴4分别连通对应端节流通道的另一端与挡板安置腔侧壁；挡板3内端设置在挡板安置腔内；反馈杆5尾部固定在挡板3内端端面，头部的球体嵌入阀芯侧壁开设的凹槽内；挡板安置腔外端与挡板3之间密封设置；挡板3整体呈圆柱形，但挡板3内端为与双圆头平键形状一致的柱体，两个喷嘴4对称设置在挡板3内端柱体两侧，且柱体的平面侧面与喷嘴4的射流流向垂直；力矩马达11包括壳体、衔铁1和线圈2；壳体固定在阀体上；壳体内固定有永磁铁8和两块导磁体10；衔铁1设置在两块导磁体10相对端的空间内，并与挡板支撑块7固定；挡板支撑块与挡板3外端固定，且挡板3外端套置在弹簧管9内；弹簧管固定在壳体上；衔铁1套置在线圈2内。

如图2-1和2-2所示，喷嘴4的中心处开设主流道15，主流道15外沿开设周向均布的2～8个(本实施例为两个)辅流道14，来实现微射流的入射；主流道的直径为0.3～0.6mm，长度为0.5～1mm，辅流道的直径为0.1～0.2mm，长度与主流道相等；辅流道与主流道的中心距为0.3～0.6mm。辅流道由激光打孔加工而成。

该喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法，具体如下：

供流源流体由两端的进流口P分别经对应的节流口和节流通道流向喷嘴；两喷嘴4射出的流体射向挡板两侧；当线圈中有电流信号输入时，衔铁被磁化产生的磁场，与永久磁铁和导磁体形成的磁场合成电磁力矩，使衔铁连同挡板偏转，挡板的偏转使两喷嘴与挡板之间的缝隙发生相反的变化，阀芯两端进流口的压力也发生相反的变化，缝隙变小的一端压力上升，另一端压力下降，从而推动阀芯移动。阀芯移动的同时使反馈杆产生弹性变形，对反馈杆产生反力矩。当作用在挡板上的电磁力矩与弹簧管反力矩及反馈杆反力矩达到平衡时，阀芯停止移动，此时有如下两种工况：1)当阀芯中心朝向第一控制流口A移动然后停止时，第一控制流口A与卸流口O连通，靠近第二控制流口B那端的进流口P与第二控制流口B连通；外部负载的流体由第一控制流口A进入，并由卸流口O流出；而部分供流源流体由靠近第二控制流口B那端的进流口P进入，并由第二控制流口B流至外部负载。2)当阀芯中心朝向第二控制流口B移动然后停止时，靠近第一控制流口A那端的进流口P与第一控制流口A连通，第二控制流口B与卸流口O连通；外部负载的流体由第二控制流口B进入，并由卸流口O流出；而部分供流源流体由靠近第一控制流口A那端的进流口P进入，并由第一控制流口A流至外部负载。由于衔铁、挡板的转角以及阀芯的位移都与电流信号成比例变化，在负载压差一定时，该喷嘴挡板伺服阀的输出流量也与输入电流成比例；当输入电流信号反向时，输出流体的方向也发生改变。而流体从喷嘴4射出后，如图4-1和4-2所示，由于存在从喷嘴4射向挡板3的冲击射流18和从喷嘴与挡板的间隙射向挡板安置腔的内壁16的径向射流17，局部压力降低之处会产生气穴；在喷嘴主流道外沿开设周向均布的2～8个辅流道14形成辅流道射流(微射流)的入射，能够改善喷嘴与挡板间的压力分布，从而抑制喷嘴边缘的气穴，同时通过辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来降低径向射流离开挡板边缘时的流速，从而抑制挡板边缘及挡板和挡板安置腔内壁之间区域的气穴；当喷嘴进口压力进一步升高时，辅流道射流的出口流量也会增加，从而加强辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来进一步抑制气穴现象，故本发明方法受喷嘴进口压力变化的影响相对较小。

如图3、4-1和4-2所示，基于计算流体动力学(CFD)对伺服阀前置级流场进行数值模拟计算，由于流场结构的对称性，只计算四分之一流场(如图3所示的虚线框)即可。喷嘴挡板伺服阀前置级流场分为从喷嘴4射向挡板3的冲击射流18和从喷嘴与挡板的间隙射向挡板安置腔的内壁16的径向射流17。进流口P压力为21MPa(此时本实施例中喷嘴进口压力为6MPa)，且喷嘴只开设主流道15未开设辅流道14时，伺服阀前置级流场的速度(单位为m/s的数值代表流速)云图如图4-1所示，流体经喷嘴冲向挡板后沿径向流出，形成径向射流17；而进流口P压力为21MPa(此时本实施例中喷嘴进口压力为6MPa)，且喷嘴即开设主流道15又开设对称的两个辅流道14时，伺服阀前置级流场的速度云图如图4-2所示，可见，由于辅流道射流19的作用，流场中径向射流17的速度被明显削弱。

存在冲击射流18或径向射流17时，由于局部压力降低会产生了微小气泡，这些气泡聚集会形成气穴。进流口P压力为21MPa(此时本实施例中喷嘴进口压力为6MPa)，且喷嘴只开设主流道15未开设辅流道14时，伺服阀前置级流场的气体体积分数(图5-1、5-2、6-1和6-2中的小数)云图如图5-1所示，流体在喷嘴边缘产生第一附着气穴22，在挡板边缘产生第二附着气穴21，在挡板和挡板安置腔内壁之间的区域内形成云气穴20；进流口P压力为21MPa(此时本实施例中喷嘴进口压力为6MPa)，且喷嘴即开设主流道15又开设对称的两个辅流道14时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图如图5-2所示，可见，第一附着气穴22和第二附着气穴21的总面积有所减小，云气穴20基本消失，这些变化验证了本发明方法可以有效抑制气穴现象。喷嘴进口压力为8MPa，且喷嘴只开设主流道15未开设辅流道14时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图如图6-1所示，可见，在喷嘴进口压力增加2MPa的情况下，云气穴20面积明显增大；喷嘴进口压力为8MPa，且喷嘴即开设主流道15又开设对称的两个辅流道14时，伺服阀前置级流场的气体体积分数云图如图6-2所示，可见，云气穴依然被显著地抑制，这说明了本发明方法对于进口压力增加而引起的严重气穴现象依然有很好的抑制效果，即本发明方法的气穴抑制作用受喷嘴进口压力变化的影响相对较小。

Claims (3)

1.喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法，其特征在于：该方法具体如下：

供流源流体由两端的进流口分别经对应的节流口和节流通道流向喷嘴；两喷嘴射出的流体射向挡板两侧；当线圈中有电流信号输入时，衔铁被磁化产生的磁场与永久磁铁和导磁体形成的磁场合成电磁力矩，使衔铁连同挡板偏转，挡板的偏转使两喷嘴与挡板之间的缝隙发生相反的变化，阀芯两端进流口的压力也发生相反的变化，缝隙变小的一端压力上升，另一端压力下降，从而推动阀芯移动；阀芯移动的同时使反馈杆产生弹性变形，对反馈杆产生反力矩；当作用在挡板上的电磁力矩与弹簧管反力矩及反馈杆反力矩达到平衡时，阀芯停止移动，此时有如下两种工况：1）当阀芯中心朝向第一控制流口移动然后停止时，第一控制流口与卸流口连通，靠近第二控制流口那端的进流口与第二控制流口连通；外部负载的流体由第一控制流口进入，并由卸流口流出；而部分供流源流体由靠近第二控制流口那端的进流口进入，并由第二控制流口流至外部负载；2）当阀芯中心朝向第二控制流口移动然后停止时，靠近第一控制流口那端的进流口与第一控制流口连通，第二控制流口与卸流口连通；外部负载的流体由第二控制流口进入，并由卸流口流出；而部分供流源流体由靠近第一控制流口那端的进流口进入，并由第一控制流口流至外部负载；由于衔铁、挡板的转角以及阀芯的位移都与电流信号成比例变化，在负载压差一定时，该喷嘴挡板伺服阀的输出流量也与输入电流成比例；当输入电流信号反向时，输出流体的方向也发生改变；而流体从喷嘴射出后，由于存在从喷嘴射向挡板的冲击射流和从喷嘴与挡板的间隙射向挡板安置腔的内壁的径向射流，局部压力降低之处会产生气穴；在喷嘴主流道外沿开设有周向均布的2～8个辅流道形成辅流道射流的入射，改善喷嘴与挡板间的压力分布，从而抑制喷嘴边缘的气穴，同时通过辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来降低径向射流离开挡板边缘时的流速，从而抑制挡板边缘及挡板和挡板安置腔内壁之间区域的气穴；当喷嘴进口压力进一步升高时，辅流道射流的出口流量也会增加，从而加强辅流道射流与挡板侧面径向射流的相互作用，来进一步抑制气穴现象。

2.根据权利要求1所述喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法，其特征在于：所述喷嘴的主流道直径为0.3～0.6mm，长度为0.5～1mm，辅流道的直径为0.1～0.2mm，长度与主流道相等；辅流道与主流道的中心距为0.3～0.6mm。

3.根据权利要求1所述喷嘴挡板伺服阀抑制前置级气穴现象的方法，其特征在于：所述的辅流道由激光打孔加工而成。

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