2D数字阀阀芯受力分析及研究

　　引 言

　　随着计算机技术在流体控制系统的大量应用，流体控制元件数字化成为一种必然趋势。数字阀就是其中一种数字化流体元件，它通过利用数字执行元件步进电机加以适当的旋转—直线的转换机构驱动阀芯实现直接数字控制^[1]。数字阀在液压伺服系统中具有重要作用，尽管阀芯与阀体之间存在间隙且在充满油液条件下，其滑动副间摩擦很小，但还是会出现液压卡紧现象。阀芯受到卡紧力作用时，会使阀芯运动时摩擦力变化，造成动作快慢，动作错乱等现象;而严重的液压卡紧，会使阀芯完全卡住，不能运动。这会严重影响电液伺服或比例阀的分辨率^[2]。

　　1 2D 数字阀结构及工作原理

　　图1所示，该数字阀阀芯采用滑阀式结构，由两台步进电机分别控制阀芯轴向直动及径向转动两个自由度，实现该数字阀阀口过流面积可调控制，从而可以精确地控制系统流量，达到液压系统调速控制的目的。

　　工作原理如下：步进电机1控制偏心轮径向变化推阀芯作轴向滑动;步进电机2与2D阀阀芯连接，控制其周向转动。图2所示，该数字阀为三位四通阀，阀芯结构采用圆柱式滑阀，阀芯上两个突肩处分别开两两对称的弓形槽，且弓形槽对应圆心角为90°。如图3(a)，此时阀芯位置为零位位置，阀口完全闭合;如图3(b)，当阀芯轴向直动，弓形槽与阀套窗口完全重合，这时阀口全开，此时面积梯度最大，流量最大;如图3(c)，通过电机控制阀芯两个自由度运动时，即控制公式(1)中W 和x_v的大小，可实现阀口流量的线性控制;如图3(d)，当阀芯转动90°角，此时面积梯度变为零，阀口完全关闭。式(1)为阀口流量公式：

　　式中，x_v为阀芯轴向位移，W 为面积梯度，θ 为步进电机转动角度。分别控制x_v以及W 的大小，即可控制阀口过流面积，实现二维流量的线性控制。

　　2 2D 阀受力分析

　　2.1 阀芯摩擦力分析

　　液压阀阀芯在液压系统中正常工作时都会受到液动力、电机驱动力、摩擦力以及惯性力等作用，其中是否会产生卡紧，直接取决于阀芯摩擦力大小，而摩擦力的大小由阀芯与阀套间的相对位置与受力有关。当阀芯受到的径向力很小时，阀芯在油的油膜作用下悬浮于阀套中，阀芯运行只克服液体介质的剪切力，此动摩擦系数很小，约为0.001至0.008。当阀芯径向力变大时，阀芯与阀套间油膜的厚度则越来越薄，当摩擦副界面上的润滑油膜膜厚小于0.1 μm 时油膜会破裂，阀芯与阀套间的摩擦变为边界摩擦。此时阀芯受到静到动摩擦力要比流动摩擦时受到的力大的多，其摩擦系数一般在0.1的数量级以上^[3]。