CN114248148B - 多路阀v型阀口过流面积的优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其包括以下步骤；步骤一：确定刀具运动与多路阀阀芯之间的关系；步骤二：确定实际过流面与径向方向的夹角；步骤三：确定关键线段的长度；步骤四：确定V型阀阀口关键弧长；步骤五：确定最小过流面积关键角度；步骤六：确定最小过流面积。本发明根据V型阀口的流量特性，确定了V型阀口实际的过流面所在位置，实现了对多路阀V型阀口实际过流面积的计算；能够实现更加精准的计算控制阀的控制特性，使设计出的多路阀拥有更高的精度和更稳定的性能；本方法的应用为多路阀设计提供了更可靠、更加准确的设计依据。

Description

多路阀V型阀口过流面积的优化方法

技术领域

本申请涉及液压元件技术领域，具体涉及一种多路阀V型阀口过流面积的优化方法。

背景技术

工程机械是装备工业的重要组成部分，与国民经济的发展息息相关。它主要用于国防建设工程、交通运输建设，能源工业建设和生产、矿山等原材料工业建设和生产、农林水利建设、工业与民用建筑、城市建设、环境保护等领域。而在工程机械液压系统中，多路阀依靠阀芯节流窗口的变化控制系统油液的流量，从而实现对执行机构运动速度控制。阀芯结构形式多，控制性能良好，使得多路阀的应用十分广泛。要实现对阀口流量的高精度控制，过流面积计算是重要的一环。而在该多路阀中，主阀阀芯为V型阀口，所以要推导出准确的过流面积公式，实现高精度控制。

对于V型阀口过流面积公式，目前主要是通过轴向方向的面积公式和径向方向的面积公式进行过流面积的计算，但是实际的过流面积并不在阀口的水平和轴向方向上，而是以一定角度夹在二者当中。因此如何确定实际最小过流面积，如何提高V型阀的性能，一直困扰着液压元件技术领域的工作人员。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明根据V型阀口的流量特性，确定了V型阀口实际的过流面所在位置，实现了对多路阀V型阀口实际过流面积的优化；本发明的目的在于实现更加精确的计算多路阀V型阀口的流量特性，使设计出的多路阀拥有更高的控制精度，提高整个液压系统的稳定性。本发明的应用为多路阀的设计工作提供了更可靠，更精准的计算理论依据。

为实现上述目的，本发明所采用的解决方案为：

一种多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：确定刀具运动与多路阀阀芯之间的关系：

步骤11：确定刀具在竖直方向坐标轴表达式：

阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z之间的关系式如下式所示；

式中：x表示阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移，x∈[0,d]；d表示阀槽的总长度；a表示刀具的加工中心在水平纵向坐标轴上的坐标；r表示刀具沿刀具加工中心的回转半径；z表示刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移，

c表示阀槽在阀芯横截面上的最大宽度；α表示径向平面内阀槽夹角；R表示阀芯半径；b表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的坐标；

步骤12：确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

获取阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x，带入下式，即可确定刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂；

式中：y₂表示刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

步骤2：确定实际过流面与径向方向的夹角：

获取步骤11中阀芯位移x和步骤12确定的刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移y₂；进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，如下式所示：

式中：β表示实际过流面与径向方向的夹角；

进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，计算关系如下式所示；

步骤3：确定关键线段的长度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，首先需确定关键线段GH的长度；获取步骤12计算得到的刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y2和步骤2计算得到的实际过流面与径向方向的夹角β，代入下式即可计算确定关键线段GH的长度；

式中：L_GH表示关键线段GH之间的长度；

步骤4：确定V型阀阀口关键弧长：

在计算V型阀阀口的过流面积时，其次需确定的关键弧长AB是一个变化的量；可由步骤11反向推导计算得到的刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z，进一步计算来确定，具体计算公式如下式所示；

式中：l_AB表示V型阀阀口关键弧长；c表示阀槽在阀芯横截面上的最大宽度；

在最小过流面积所处平面内作一个半径r₁＝R的辅助圆，辅助圆经过G,E,F三点，得到最小过流面积S；将弧长EF的长度等效成弧长AB的长度，所以得到弧长EF的长度l_EF如下式所示；

l_EF＝l_AB

式中：l_EF表示点E和点F之间的弧长；

步骤5：确定最小过流面积关键角度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，还需确定最小过流面积关键角度γ，即由EDF组成的关键角度γ；获取步骤4计算得到的弧长l_EF，则关键角度的计算公式如下式所示：

式中：γ表示EDF组成的关键角度；

步骤6：确定最小过流面积：

获取步骤3计算得到的关键线段的长度L_GH，步骤4计算得到的关键弧长l_EF，步骤5计算得到的关键角度γ；确定最小过流面积计算公式如下式所示；

式中：S表示V型阀阀口最小过流面积；n表示V型阀口的数量。

可优选的是，所述步骤11中刀具与阀芯相贯线上竖直方向z与x的表达式，其推导过程如下；

联立刀具的运动轨迹与阀芯表面的相贯线方程组，具体方程组如下式所示；

式中：y₁表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

由上式可知，消去y₁即可得到阀芯位移与刀具在阀芯相贯线上竖直方向位移z的关系。

可优选的是，所述步骤12中刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂与阀芯位移x计算表达式，其推倒过程如下；

通过刀具刀尖的运动轨迹方程组，确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

由上式可知，刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移y₂即可确定。

可优选的是，所述步骤3中的关键线段，其确定原理如下所示：由于实际的最小过流面积为三个边都是曲线的曲边三角形，导致计算难度很大，所以将两个侧边等效为直线进行计算，因此可以得出线段GH与刀尖轨迹圆共半径，并且随着阀芯移动和开启是变化的，g刀尖轨迹圆半径与阀口水平线交点，h与圆心连线的反向长线与虚线圆的交点与刀尖轨迹圆垂直，则线段GH的长度为L_GH，并经过圆心，通过阀芯的位移得到关键线段GH的长度与夹角β的关系如下式所示，进一步推倒即可确定关键线段GH的长度；

可优选的是，所述步骤4中提到的可由步骤11反向推导计算具体为通过所述步骤11明确阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z的对应关系，可以求出以x为自变量，z为因变量的表达式，但是由于其反函数求解过程的复杂性，其实际求解过程需借助matlab软件，使用曲线拟合的方法确定。首先定义刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z和阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x的取值范围和数据类型：进行曲线绘制和重新拟合得到关于以x为自变量，z为因变量的函数计算关系。

z＝f(x)

式中：f表示以x为自变量，z为因变量的函数计算关系

可优选的是，所述步骤6中的最小过流面积由扇形面积S_EDF和扇形面积S_EDFH两部分组成，其具体计算过程如下式所示；

S＝n(S_EDF-S_EDFH)

式中：S_EDF表示由EDF组成的扇形面积；S_EDFH表示由EDFH组成的四边形的面积；

其中扇形面积S_EDF的计算公式如下式所示；

其中四边形面积S_EDFH的计算公式如下式所示；

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过对V型阀整体空间结构的分析，依次确定了实际过流面与径向方向的夹角、关键线段的长度、V型阀阀口关键弧长和确定最小过流面积关键角，对多路阀V型阀口实际过流面进行了准确定位和分析，为实现多路阀V型阀口实际过流面的计算奠定了基础；

(2)本发明能够实现更加精确的计算多路阀V型阀口的流量特性，使设计出的多路阀拥有更高的控制精度，提高整个液压系统的稳定性。本发明的应用为多路阀的设计工作提供了更可靠，更精准的计算理论依据。

附图说明

图1为本发明实施例V型阀口实际的过流面积优化方法的流程简图；

图2为本发明实施例V型阀口轴向方向的过流面积和径向方向的过流面积计算简图；

图3为本发明实施例V型阀口的实际过流面积公式的计算简图；

图4为发明本实施例V型阀口三种过流面积随着阀芯位移变化的曲线。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

本发明实施例提供了一种多路阀V型阀口实际过流面积的优化方法，如图1所示为实施例V型阀口实际的过流面积优化方法的流程简图，根据V型阀口的流量特性，准确确定了V型阀口实际的过流面所在位置，实现了对多路阀V型阀口实际过流面积的准确计算；为了证明本发明的适用性，将其应用于某多路阀V型阀口实际设计的过程，如图2和图3所示为计算简图，其具体计算过程包含如下步骤：一种多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其包括以下步骤：

S1：确定刀具运动与多路阀阀芯之间的关系：

S11：确定刀具在竖直方向坐标轴表达式：

联立刀具的运动轨迹与阀芯表面的相贯线方程组，具体方程组如下式所示；

式中：x表示阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移，x∈[0,d]；d表示阀槽的总长度；a表示刀具的加工中心在水平纵向坐标轴上的坐标；r表示刀具沿刀具加工中心的回转半径；z表示刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移，

c表示阀槽在阀芯横截面上的最大宽度；α表示径向平面内阀槽夹角；R表示阀芯半径；b表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的坐标；y₁表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

表1过流面积计算的基本数据

名称	符号	数量
			多路阀阀芯半径	R	9mm
刀具的加工中心在水平纵向坐标轴上位置	a	6.44mm
			刀具的加工中心在水平横向坐标轴上位置	b	13.75mm
阀槽在阀芯横截面上的最大宽度	c	3.55mm
			阀槽的总长度	d	7.20mm
V型槽的个数	n	6
			径向平面内阀槽夹角	α	60°

由上式可知，消去y₁即可得到阀芯位移与刀具在阀芯相贯线上竖直方向位移z的关系；阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z之间的关系式如下式所示；

S12：确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂与阀芯位移x计算表达式，其推倒过程如下；通过刀具刀尖的运动轨迹方程组，确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

由上式可知，获取阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x，带入下式，即可确定刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂；

式中：y₂表示刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

S2：确定实际过流面与径向方向的夹角：

获取S11中阀芯位移x和S12确定的刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移y₂；进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，如下式所示：

式中：β表示实际过流面与径向方向的夹角；

进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，计算关系如下式所示；

S3：确定关键线段的长度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，首先需确定关键线段GH的长度；由于实际的最小过流面积为三个边都是曲线的曲边三角形，导致计算难度很大，所以将两个侧边等效为直线进行计算，因此可以得出线段GH与刀尖轨迹圆共半径，并且随着阀芯移动和开启是变化的，g刀尖轨迹圆半径与阀口水平线交点，h与圆心连线的反向延长线与虚线圆的交点与刀尖轨迹圆垂直，则线段GH的长度为L_GH，并经过圆心，通过阀芯的位移得到关键线段GH的长度与夹角β的关系如下式所示，进一步推倒即可确定关键线段GH的长度；

式中：L_GH表示关键线段GH之间的长度；

获取S12计算得到的刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y2和S2计算得到的实际过流面与径向方向的夹角β，代入下式即可计算确定关键线段GH的长度；

S4：确定V型阀阀口关键弧长：

在计算V型阀阀口的过流面积时，其次需确定的关键弧长AB是一个变化的量；可由步骤11的结果反向推导计算得到的刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z；反向推导计算具体为通过所述步骤11明确阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z的对应关系，可以求出以x为自变量，z为因变量的表达式，但是由于其反函数求解过程的复杂性，其实际求解过程需借助matlab软件，使用曲线拟合的方法确定，具体matlab程序代码如下所示；

Z＝double(c/2)；

Z＝double(0:Z/29:Z)；

x1＝0:l/800:l；

X＝double(a-sqrt((r-Z*cot(alpha)).^2-(sqrt(R^2-Z.^2)-b).^2))；

Zp＝polyfit(X,Z,3)；

Z＝@(x)(asin((Zp(1)*x.^3+Zp(2)*x.^2+Zp(3).*x+Zp(4))/R))；

该程序首先定义刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z和芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x的取值范围和数据类型：进行曲线绘制和重新拟合得到关于以x为自变量，z为因变量的函数计算关系。

z＝f(x)

式中：f表示以x为自变量，z为因变量的函数计算关系；

进一步计算关键弧长，其公式如下式所示；

式中：l_AB表示V型阀阀口关键弧长；

在最小过流面积所处平面内作一个半径r₁＝R的辅助圆，辅助圆经过G,E,F三点，得到最小过流面积S；将弧长EF的长度等效成弧长AB的长度，所以得到弧长EF的长度l_EF如下式所示；

l_EF＝l_AB

式中：l_EF表示点E和点F之间的弧长；

S5：确定最小过流面积关键角度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，还需确定最小过流面积关键角度γ，即由EDF组成的关键角度γ；获取步骤4计算得到的弧长l_EF，则关键角度的计算公式如下式所示：

式中：γ表示EDF组成的关键角度；

S6：确定最小过流面积：

最小过流面积由扇形面积S_EDF和扇形面积S_EDFH两部分组成，其具体计算过程如下式所示；

S＝n(S_EDF-S_EDFH)

式中：式中：S表示V型阀阀口最小过流面积；n表示V型阀口的数量；S_EDF表示由EDF组成的扇形面积；S_EDFH表示由EDFH组成的四边形的面积；

其中扇形面积S_EDF的计算公式如下式所示；

其中四边形面积S_EDFH的计算公式如下式所示；

获取S3计算得到的关键线段的长度L_GH，S4计算得到的关键弧长l_EF，S5计算得到的关键角度γ；确定最小过流面积计算公式如下式所示；

如图4所示为V型阀口2种过流面积随着阀芯位移变化的曲线，在图中实际过流面积A1、轴向过流面积A2和本方法计算的过流面积S，随着阀口的开启，过流面积均逐渐增大。其中本方法计算得到的过流面积S的变化与实际过流面积A1更贴近，可进一步说明本方法计算结果的准确。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)本发明通过对V型阀整体空间结构的分析，依次确定了实际过流面与径向方向的夹角、关键线段的长度、V型阀阀口关键弧长和确定最小过流面积关键角，对多路阀V型阀口实际过流面进行了准确定位和分析，为实现多路阀V型阀口实际过流面的计算奠定了基础；

(2)本发明能够实现更加精确的计算多路阀V型阀口的流量特性，使设计出的多路阀拥有更高的控制精度，提高整个液压系统的稳定性。本发明的应用为多路阀的设计工作提供了更可靠，更精准的计算理论依据。

Claims (6)

1.一种多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，其包括以下步骤：

步骤1：确定刀具运动与多路阀阀芯之间的关系：

步骤11：确定刀具在竖直方向坐标轴表达式：

阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z之间的关系式如下式所示；

式中：x表示阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移，x∈[0,d]；d表示阀槽的总长度；a表示刀具的加工中心在水平纵向坐标轴上的坐标；r表示刀具沿刀具加工中心的回转半径；z表示刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移，

c表示阀槽在阀芯横截面上的最大宽度；α表示径向平面内阀槽夹角；R表示阀芯半径；b表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的坐标；

步骤12：确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

获取阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x，带入下式，即可确定刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂；

式中：y₂表示刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

步骤2：确定实际过流面与径向方向的夹角：

获取步骤11中阀芯位移x和步骤12确定的刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移y₂；进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，如下式所示：

式中：β表示实际过流面与径向方向的夹角；

进一步即可确定实际过流面与径向方向的夹角β，计算关系如下式所示；

步骤3：确定关键线段的长度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，首先需确定关键线段GH的长度；获取步骤12计算得到的刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y2和步骤2计算得到的实际过流面与径向方向的夹角β，代入下式即可计算确定关键线段GH的长度；

式中：L_GH表示关键线段GH之间的长度；

步骤4：确定V型阀阀口关键弧长：

在计算V型阀阀口的过流面积时，其次需确定的关键弧长AB是一个变化的量；可由步骤11反向推导计算得到的刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z，进一步计算来确定，具体计算公式如下式所示；

式中：l_AB表示V型阀阀口关键弧长；c表示阀槽在阀芯横截面上的最大宽度；

在最小过流面积所处平面内作一个半径r₁＝R的辅助圆，辅助圆经过G,E,F三点，得到最小过流面积S；将弧长EF的长度等效成弧长AB的长度，所以得到弧长EF的长度l_EF如下式所示；

l_EF＝l_AB

式中：l_EF表示点E和点F之间的弧长；

步骤5：确定最小过流面积关键角度：

在计算V型阀阀口的过流面积时，还需确定最小过流面积关键角度γ，即由EDF组成的关键角度γ；获取步骤4计算得到的弧长l_EF，则关键角度的计算公式如下式所示：

式中：γ表示EDF组成的关键角度；

步骤6：确定最小过流面积：

获取步骤3计算得到的关键线段的长度L_GH，步骤4计算得到的关键弧长l_EF，步骤5计算得到的关键角度γ；确定最小过流面积计算公式如下式所示；

式中：S表示V型阀阀口最小过流面积；n表示V型阀口的数量。

2.根据权利要求1所述的多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，所述步骤11中刀具与阀芯相贯线上竖直方向z与x的表达式，其推导过程如下；

联立刀具的运动轨迹与阀芯表面的相贯线方程组，具体方程组如下式所示；

式中：y₁表示刀具在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移；

由上式可知，消去y₁即可得到阀芯位移与刀具在阀芯相贯线上竖直方向位移z的关系。

3.根据权利要求1或者2所述的多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，所述步骤12中刀具刀尖在加工中心水平方向横向坐标轴上的位移y₂与阀芯位移x计算表达式，其推倒过程如下；

通过刀具刀尖的运动轨迹方程组，确定刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移：

由上式可知，刀具刀尖在水平方向横向坐标轴上的位移y₂即可确定。

4.根据权利要求1或者2所述的多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，所述步骤3中的关键线段，其确定原理如下所示：由于实际的最小过流面积为三个边都是曲线的曲边三角形，导致计算难度很大，所以将两个侧边等效为直线进行计算，因此可以得出线段GH与刀尖轨迹圆共半径，并且随着阀芯移动和开启是变化的，g刀尖轨迹圆半径与阀口水平线交点，h与圆心连线的反向延长线与虚线圆的交点与刀尖轨迹圆垂直，则线段GH的长度为L_GH，并经过圆心，通过阀芯的位移得到关键线段GH的长度与夹角β的关系如下式所示，进一步推倒即可确定关键线段GH的长度；

5.根据权利要求1或者2所述的多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，所述步骤4中提到的可由步骤11反向推导计算具体为通过所述步骤11明确阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x与刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z的对应关系，求出以x为自变量，z为因变量的表达式，具体包括定义刀具在加工中心竖直方向坐标轴上的位移z和阀芯在加工中心水平纵向坐标轴上的位移x的取值范围和数据类型：进行曲线绘制和重新拟合得到关于以x为自变量，z为因变量的函数计算关系；

z＝f(x)

式中：f表示以x为自变量，z为因变量的函数计算关系。

6.根据权利要求1或者2所述的多路阀V型阀口过流面积的优化方法，其特征在于，所述步骤6中的最小过流面积包括扇形面积S_EDF和扇形面积S_EDFH，其具体计算过程如下式所示；

S＝n(S_EDF-S_EDFH)

式中：S_EDF表示由EDF组成的扇形面积；S_EDFH表示由EDFH组成的四边形的面积；

其中扇形面积S_EDF的计算公式如下式所示；

其中四边形面积S_EDFH的计算公式如下式所示；

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