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概述微小流量节流阀研究

0 引言

节流阀在液压回路中的功能是控制符合流量-压差特性的可调流量。例如在蓄能器回路中可以控制液压缸的速度,在控制回路中限制回路中的最大流量等。对节流阀的特性要求主要是:流量特性、最小稳定流量、流量调节范围及调节特性。目前我国节流阀一般采用薄刃式节流口、轴向三角槽式节流口和轴向斜面式节流口[1],流量特性一般都足以满足液压系统的工作要求,但是对于要求微流量以及在很小的流量调节范围内具有较好的调节性能时,则难以取得良好的工作性能。长期实验证明,普通节流阀在微小流量要求下很难保证稳定的流量,甚至容易断流。

微流量螺纹式节流阀,是将螺纹安装在阀体元件的油路控制通道中,以配合间隙作为节流口的一种新型节流阀(以下称螺纹节流式节流阀)。其流量调节范围较小(0.005~0.2L/min),在微流量调节范围内具有较好的调节性能。

1 流量-压差特性

螺纹节流式节流阀简图见图1。

图1 节流阀结构

图1所示螺纹之间的环形配合间隙,简化分析可以认为是节流阀的节流口(间隙的配合精度(H9)确定2△r=35×10-3mm),由于通过阀体的液压油的流速w很小,在间隙中的流动接近层流,假定:

(1)流体流动为Z向轴对称等截面的一元流

(2)流体为定长流

(3)单位体积质量力忽略不计,Z=0

根据流体力学中的流体流动的纳维尔-斯托克斯(Navier-stokes)方程式,经过化简(推导过程略):

进一步化简,可以得到一个近似泄漏公式:

式中:

Q———阀通过流量,ml/min;
Δr———阀通流口间隙,mm;
P1———阀进口压力,MPa;
P2———阀出口压力,MPa;
l———螺纹配合长度,mm;
ΔP———阀进出口压差,MPa;
d1———阀进口内径(配合螺纹公称直径),mm;
w———流体流速,mm/s;
μ———液压油粘度,Pa•s。

式(1)反映出流量Q与压差ΔP的关系,流量的修正引入系数k,即:

2 试验及结果分析

2.1 实验参数

d=8mm;△r=15×10-3 mm;μ=0.2265Pa•s(上稠30-1号液压油在油温50℃;油压力为32MPa);螺纹螺距为1.4mm。

2.2 实验系统

实验系统原理见图2。

图2 实验系统

1—油箱 2,3,4—滤油器 5—电机 6—油泵 7,13—溢流阀 8—方向阀 
9,15,17—压力表 10,12—节流阀 11—单向阀 14—泄荷阀 16—油缸

2.3 实验结果及分析

(1)实验流量Q(ml)随压差ΔP和螺纹旋转圈数a的变化(a=0时螺纹配合长度最大为lmax,圈数a旋出1圈配合长度减小一个螺距)见表1。

表1 实验流量Q随压差ΔP和螺纹旋转圈数a的变化

(2)理论流量Q(ml)随压差ΔP和螺纹旋转数a的变化见表2。

表2 理论流量Q随压差ΔP和螺纹旋转圈数a的变化

(3)流动状态系数k在0.5~1.0之间(见表3),Q∝ΔP/l(l以旋出圈数a计算)。不难发现,Q并不是绝对的正比ΔP/l,原因在于系数k是变化的,且压差ΔP与l的变化所影响的系数k的变化率是不同的,压差ΔP对系数k的影响明显大于l对k的影响。因此,在一定的工作压差条件下,调节a(l的配合长度)时系数k的变化不大,所以对流量Q的调节将保持很好的线性关系,从而表明调节性能良好。流量-压差特性曲线(ΔP-a-Q曲线)见图3。

表3 系数k变化

图3 ΔP-a-Q特性曲线

3 节流阀刚度及调节性能分析

为了评价节流阀在节流口开口度A(在此是配合长度l,即a)不变时,随外界负载变化(压差ΔP变化)维持流量Q稳定的能力,引入节流阀刚度概念。从流量特性曲线可以发现:a不变时,压差ΔP的变化将引起Q的变化。因此,在液压系统中由节流阀调定执行元件的速度,只是在一种特定的负载下是理想的,当负载变化时速度将随负载变化。其实对于所有的节流阀都存在这种现象,对于节流阀的设计刚度往往都是不能满足要求的,正因为这样,在一般情况下对节流阀和单向节流阀是不提刚度指数的。

一般节流阀是通过调节节流口的大小从而对流量进行调节的,调节节流阀的节流口(开度)大小时,当节流口通流面积很小时会出现节流阻塞现象,因此每个节流阀都有一个最小的稳定流量限制。节流口发生阻塞的主要原因是由于油液中含有杂质或油液因高温氧化后析出的胶质等,显然发生阻塞的内因还在于节流口本身,节流口大将会大大减轻阻塞现象,但这恰和要求低流量矛盾。对于要求流量很低的普通节流阀,节流口最小开度必然要小,因此很容易阻塞。螺纹节流式节流阀是通过调节配合a(即l)来调节流量Q的,节流口断面是环状,节流阀通路的配合间隙△r=15×10-3 mm~25×10-3 mm,这显然对液压油的纯净度提出了较高要求,但是对于任何节流阀,在极小流量要求下油液的要求都很高。事实证明,普通节流阀在微小流量要求下很难保证稳定的流量,甚至容易断流。而该节流阀在正常工作条件下,杂质等不可能完全将阀体堵塞,可以确保很小的稳定流量(5ml/min)。即使非正常堵塞,检修时清洗也方便简单。

节流阀的调节应该轻便、准确,在小流量调节时,调节量与流量的变化率越小,则调节性能好精确性较高。螺纹节流式节流阀是微流量阀,正常工作的最大流量为Qmax=0.2L/min,最小流量为Qmin=0.005L/min,在这样一个微小调节范围内,调节精确性高,这一点在实验中也已得到证实。

4 结论

普通节流阀在以往液压设备的使用过程中,很难满足微小流量控制的液压系统要求,难以实现稳定的微小流量,螺纹节流式节流阀克服了普通的节流阀难以实现稳定的微小流量的问题。流量特性近似满足

且压差ΔP与l的变化对系数k的影响是不同的,压差ΔP对系数k的影响明显大于l对k的影响,l的大小对流动状态系数k的影响很小(在相同的压差下,系数k可看作不变化),由

可知,调节l对流量Q的调节将保持很好的线性关系,调节精确性高。

参考文献:

[1] 雷天觉.新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,1998.
[2] 李建于.微流量电液比例控制技术及应用[J].机械设计与研究,2005,(2)12~14.
[3] 章梓雄.粘性流体力学[M].北京:清华大学出版社,1998.
[4] 张永呆.液压阀设计理论[M].北京:机械工业出版社,1985.
[5] 李力平.计算流体力学[M].北京:高等教育出版社,2002.