為適應(yīng)重大裝備雙級(jí)溢流閥的壓力穩(wěn)定性要求，采用帶平衡活塞結(jié)構(gòu)的溢流閥作為先導(dǎo)閥，實(shí)現(xiàn)減振穩(wěn)壓的效果，其先導(dǎo)閥必須通過斜長(zhǎng)孔從閥芯側(cè)面供油，這種側(cè)向通油流道極易導(dǎo)致偏心、阻塞或卡死現(xiàn)象，加大了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的難度。為此，該文采用CFD 流體計(jì)算仿真方法，分析不同的流道布局對(duì)閥性能的影響，取得了先導(dǎo)閥供油流道的孔數(shù)、孔徑和位置等優(yōu)化參數(shù)。

引言

　　重大裝備工作過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)、沖擊、加速度，對(duì)用于壓力控制的溢流閥穩(wěn)定性要求很高。為提高穩(wěn)定性，液壓系統(tǒng)采用帶平衡活塞結(jié)構(gòu)的雙級(jí)溢流閥進(jìn)行穩(wěn)定壓力控制， 雙級(jí)溢流閥的平衡活塞式先導(dǎo)閥芯與閥體形成固定節(jié)流器， 將先導(dǎo)閥腔分成壓力感受腔和控制腔兩腔， 通過節(jié)流反饋來控制輸出壓力，具有減振、消聲、穩(wěn)壓三合一綜合功能。

　　為分析先導(dǎo)閥供油流道的不同布局對(duì)閥性能的影響， 本文采用計(jì)算流體力學(xué)方法研究主閥與先導(dǎo)閥內(nèi)部流道的三維流場(chǎng)， 準(zhǔn)確地得到流道參數(shù)對(duì)閥特性的影響，確保溢流閥具有最佳動(dòng)態(tài)特性。

1、雙級(jí)溢流閥機(jī)理和理論分析

　　1.1、機(jī)理分析

　　如圖1 所示為帶平衡活塞和容腔的雙級(jí)溢流閥原理圖。圖中，Qp為液壓泵流量;QL為負(fù)載流量;ps為供油壓力;V1為主閥前腔體積;V2為主閥彈簧腔體積;V3為先導(dǎo)閥壓力控制腔體積;V4為先導(dǎo)閥壓力感受腔體積;Q1為主閥前腔至彈簧腔的流量;Q2為自主閥流入先導(dǎo)閥流量;Q3為平衡活塞間隙節(jié)流量;Q、Qx為主閥和先導(dǎo)閥的溢流量;p2為主閥彈簧腔壓力;p3為先導(dǎo)閥壓力感受腔壓力;p4為先導(dǎo)閥壓力控制腔壓力。

1-主閥2-主閥與先導(dǎo)閥連通部分3-先導(dǎo)閥4-主閥閥芯5-主閥彈簧座即先導(dǎo)閥閥體6-先導(dǎo)閥閥芯

圖1 雙級(jí)溢流閥原理圖

　　該雙級(jí)溢流閥通過細(xì)長(zhǎng)孔節(jié)流供油給先導(dǎo)閥，并通過平衡活塞結(jié)構(gòu)將先導(dǎo)閥腔分為壓力控制腔V3和壓力感受腔V4的兩個(gè)獨(dú)立容腔(如圖1b)，通過先導(dǎo)閥供油孔液阻以及活塞間隙液阻來減弱壓力感受腔V4的壓力p4隨供油壓力波動(dòng)的趨勢(shì)，從而達(dá)到減振、消聲、穩(wěn)壓的效果。為此，先導(dǎo)閥供油流道無法軸向供油，而必須通過在主閥彈簧座5(即先導(dǎo)閥供油流道)上打細(xì)長(zhǎng)斜孔從側(cè)向供油。這種側(cè)向流道極易導(dǎo)致產(chǎn)生不平衡液動(dòng)力，造成偏心甚至閥芯卡死，而且為起到一定的液阻作用，對(duì)細(xì)長(zhǎng)斜孔的通流面積也有限制，因而，其孔數(shù)目、分布及尺寸將直接影響溢流閥的工作性能。

　　1.2、理論分析

　　如圖1b 所示，當(dāng)雙級(jí)溢流閥采用單一孔結(jié)構(gòu)為先導(dǎo)閥供油時(shí)， 油液流過該細(xì)長(zhǎng)斜孔時(shí)將產(chǎn)生軸向和橫截面方向的液動(dòng)力，且直接作用在先導(dǎo)閥芯上，其橫向液動(dòng)力為

　　式中νh———先導(dǎo)閥供油孔中油液流速的水平分量，h表示水平;

　　Q2———自主閥流入先導(dǎo)閥的流量，2 指先導(dǎo)閥，1為主閥;

　　θ2 ，d02———先導(dǎo)閥供油孔的傾斜角和內(nèi)徑;

　　ρ———油液密度，840kg/m3。

　　同理可得軸向液動(dòng)力：

　　式中νz———連通孔中油液流速的垂直分量，z 表示垂直;

　　圖1 所示雙級(jí)溢流閥先導(dǎo)閥供油采用單孔流道，孔的傾斜角為30°，內(nèi)徑1.2mm。當(dāng)溢流閥開啟溢流時(shí)(溢流壓力24MPa)， 自主閥流入先導(dǎo)閥的流量約為6.3L/min，由此可以計(jì)算單孔流道油液對(duì)先導(dǎo)閥閥芯的軸向作用力約為4.1N， 可能導(dǎo)致先導(dǎo)閥的開啟特性不穩(wěn)定。而橫向作用力約為7.1N，可能導(dǎo)致閥芯卡死。若通過多個(gè)均勻分布的孔供油， 則可消除橫向液動(dòng)力并減小軸向液動(dòng)力。

3、實(shí)驗(yàn)與分析

　　在某伺服機(jī)構(gòu)樣機(jī)試驗(yàn)中，當(dāng)采用圖2a 所示單孔流道的雙級(jí)溢流閥時(shí)， 壓力工作點(diǎn)無法穩(wěn)定在規(guī)定的24MPa，而是隨著通油壓力的升高而持續(xù)上升，與第2節(jié)計(jì)算結(jié)果一致。采用圖2b 所示六孔流道結(jié)構(gòu)雙級(jí)溢流閥進(jìn)行樣機(jī)試驗(yàn)時(shí)，壓力工作點(diǎn)可以穩(wěn)定在24.5MPa處，但是噪聲劇烈，噪聲儀讀數(shù)超過60dB。圖2c 所示三孔流道結(jié)構(gòu)孔徑過小， 在實(shí)際應(yīng)用中極易阻塞且難于加工。