液压阀是液压系统中最为重要的控制元件,液压阀的可靠性对液压系统整体的可靠性有着非常重要的影响。大型的多路阀是常见的一种液压阀,阀芯在运动过程中非常容易出现因阀体的形变造成的阀芯卡滞。通过采用有限元的分析方法,分析了阀体在不同拧紧力矩的情况下阀体整体的形变和阀体孔的形变,优化了阀芯与阀体的最佳配合间隙。

针对滑阀的静态特性能够影响液压伺服系统性能的问题,主要采用软件模拟仿真的方法分析了在滑阀阀芯台肩处设置改进矩形预开口的情况下,获得随着阀芯位移的变化阀芯内部流场的压力、流速以及流量的分布规律,从而得到阀芯的应变情况,得出不同过流面的压力及流速变化规律,并仿真分析了在无预开口情况下对应的压力,流速,流量等参数的分布情况,分析了在开设圆形预开口与无预开口情况下对液压阀流量增益的影响。仿真结果表明滑阀采用改进矩形槽结构之后,能明显改善其内部的流场分布、有效减小了阀芯变形,从而提高换向阀的动静态性能。

针对K-K型节流槽流量系数复杂时变及结构参数强耦合的特征,采用流量面积参数模型(FAPM),开展了液压圆柱滑阀K-K型节流槽阀口流量压降特性研究。首先,推导出K-K型节流槽阀口面积的数学模型,并将其等效为3个单阶K型节流槽阀口面积的组合形式;其次,基于计算流体动力学(CFD)和响应面模型(RSM),建立了极限饱和流量下K-K型节流槽的FAPM模型;最后,通过对FAPM模型的分析,得到组合型节流槽阀芯结构与流量压降的映射关系。研究结果表明当入口体积流量大于7.31 L/min时,满足极限流量饱和条件,此时流量系数与入口体积流量无关;当入口体积流量分别为20、30、50 L/min时,FAPM模型预测的K-K型节流槽阀口压降与CFD仿真值的平均误差均控制在7%以内。该模型完成了对K-K型节流槽阀芯结构的近似表达,并可应用于其他类型的组合型节流槽。

针对液压滑阀稳态液动力补偿困难的问题,在阀芯上设计了一种导流槽结构来实现对稳态液动力的补偿,液流在流经导流槽时,由于导流槽的反向导流作用,产生了沿反方向的液流分量,该部分液流分量与正向运动的液流相互作用使得出口处射流角变大,液动力随之减弱。分析并推导了稳态液动力模型,通过CFD仿真研究导流槽各结构参数变化对稳态液动力的影响,并揭示了导流槽补偿原理。试验结果表明,有导流槽阀芯稳态液动力相对无导流槽阀芯大幅降低,压差为2.5 MPa时,各开度下液动力的平均减小量为52.7%;压差为3.5 MPa时,各开度下液动力的平均减小量为47.7%;压差为4.5 MPa时,各开度下液动力的平均减小量为33.9%。导流槽结构能够有效补偿稳态液动力,提高阀的控制精度。

针对旋挖钻机主卷扬系统,设计了一种滑阀式卷扬平衡阀。在台架上进行了一般性试验和可靠性试验之后,将样件装在某旋挖钻机上进行带载试验。试验过程中出现了主卷扬启动憋压、下放抖动、失速溜杆现象,分析了引起这些现象的原因,并针对性地制定了解决方案,经过优化的平衡阀达到了优越的使用效果。

二维阀所带来的温升主要来源于圆柱滑阀的阀口,过大的温升不仅会造成能量的耗散,也会对阀口产生变形影响,降低阀的机械性能和安全性能。分别针对不同入口油温下滑阀的4个阀口开度(0.20,0.15,0.10,0.08 mm)和5种流量边界(15,25,35,45,55 L/min)对圆柱滑阀阀口温升的影响情况进行了数值模拟,得到了结果温升随流量的增加而显著增加,流量为55 L/min时比15 L/min的最大阀口温升提高了11.127 K;阀口开度是影响温升的主要因素,随着阀口开度的减小,温升升高。同时通过实验对模拟结果进行了验证,得到实验数据与模拟数据吻合良好,两者之间的相对误差仅为0.14%,证明数值模拟的结果是可靠的。

考虑阀芯与阀套之间的径向间隙,建立具有对称均等负开口量的液压滑阀压力特性数学模型,得到了负开口滑阀的压力特性曲线族及其基本特征,分析了径向间隙和负开口量对滑阀压力特性的影响。结果表明具有负开口量的液压滑阀的压力特性曲线在阀芯位移等于负开口量处存在拐点,在拐点前假设为层流流动,因此负载压力随阀位移变化曲线是线性的,在拐点后为紊流流动,因此负载压力与阀位移成非线性关系;负开口滑阀可弥补阀芯阀套径向间隙的泄漏量,其压力增益随着负开口量的增加而降低;所建立的数学模型,可为电液伺服阀、高端比例阀以及多路滑阀的研制和分析提供技术支撑。

液压滑阀是液压系统中的关键控制部件之一,其结构简单可靠,易于实现流量、压力控制。但是运行过程中由于热负荷产生的微小变形会导致阀芯卡滞现象的出现。当阀芯发生卡滞现象时,可能会严重降低液压阀的精度和灵敏度。基于热-流-固耦合模型,分析了节流槽形状对液压滑阀卡滞力的影响。首先建立了阀内固定开度流道模型,计算获得了不同节流槽形状下阀内流动特性;其次,将流体分析得到的温度场信息作为边界条件加载到热分析中,得到阀芯上的温度分布特性;最后研究了不同节流槽形状下阀芯间隙的变形量,分析阀芯卡滞的变化,为减小阀芯卡滞措施的研究提供参考。

液压滑阀阀芯节流槽结构对阀芯受力变形和内流场分布有着直接影响,以4WE6E型号换向阀为研究对象,为提高换向阀的动静态性能,在传统滑阀阀芯节流槽结构上,提出一种新型组合槽结构。对不同阀芯结构使用Fluent软件及Workbench平台,进行内流场仿真及流固耦合仿真研究;进而对不同结构阀芯工作时的流场和阀芯受力变形作量化分析与研究,具体研究阀内流场的流速和压力以及阀芯表面压力分布等情况。研究结果表明:滑阀阀芯采用新型组合槽结构之后,能明显改善其内部的流场分布、有效减小了阀芯变形,从而提高换向阀的动静态性能。

为研究某型比例阀在换向过程中,最大开口处驱动电流过大的问题,利用CFD对U形槽非全周开口滑阀的流场进行数值模拟,研究了不同阀开口处的液动力及流量,同时对原阀芯结构进行优化,在出口侧台阶上加两个对称分布的节流槽,并对不同节流槽半径和阀口开度时的液动力进行了比较。结果表明:原结构瞬态液动力在2.94 mm处到达峰值,随后迅速减小。节流槽半径为2.5 mm时,液动力补偿效果较好,相较于原结构最大液动力降低了21%,且大开口处液动力变化较为平缓。该研究为滑阀结构的优化设计提供指导。