滑阀阀套阀芯摩擦副泄漏量影响因素分析.pdf

第44卷第3期2023年9月D0I:10.13340/j.jsmu.2023.03.017上海海事大学学报Journal of Shanghai Maritime UniversityVol.44No.3Sept.2023文章编号：16 7 2-9 49 8(2 0 2 3)0 3-0 113-0 6滑阀阀套阀芯摩擦副泄漏量影响因素分析安骥，刘子琦，高文婷，刘树恒，高瑞，李根，陈磊（上海海事大学商船学院，上海2 0 130 6）摘要：针对增大滑阀动态响应频率的同时满足最低密封要求的问题，推导出圆套柱塞摩擦副中摩擦力和滑阀间隙的数学模型。建立阀芯凸肩面上的黏性力和泄漏量的计算公式。该公式在保证泄漏率并满足密封要求的同时，通过缩短阀芯肩宽和降低流体阻力来提高响应频率。通过这些公式，设计者可以根据不同的泄漏要求选择摩擦副的面积，从而降低黏性力,提高响应频率。关键词：均压润滑槽；阀芯凸肩；响应频率；黏性力中图分类号：TH137.52Influencing factor analysis on leakage of friction pairs of文献标志码：Aslide valve sleeve and spoolAN Ji,LIU Ziqi,GAO Wenting,LIU Shuheng,GAO Rui,LI Gen,CHEN Lei(Merchant Marine College,Shanghai Maritime University,Shanghai 201306,China)Abstract:In order to solve the problem of increasing the dynamic response frequency of the slide valvewhile meeting the minimum sealing requirement,the mathematical model of the friction force and theslide valve clearance in a friction pair of the circular sleeve plunger is deduced.The formulae for theviscous force on the spool shoulder surface and the leakage are established.The formulae guarantee theleakage rate and meet the sealing requirement,while the response frequency is improved by shorteningthe shoulder width of the valve spool and reducing the fluid resistance.Through the formulae,thedesigners can choose the area of the friction pair according to different leakage requirements,so as toreduce the viscous force and improve the response frequency.Key words:equalizing lubrication groove;shoulder of spool;response frequency;viscous force这一矛盾。柴油机转速越高,其对电喷控制阀的频0 引言率响应要求越高。为提高该类阀的响应频率,大伺服阀的响应频率高，但其可靠性和工作环境多数研究人员和制造商试图通过增大电磁力来改进适应性不能满足船舶的要求，传统电液比例阀（简机电转换器2，或使用线圈驱动技术来驱动线称比例阀）的频响特性不能满足船用电喷柴油机的轴3。通过优化阀芯结构来提高响应频率,也是一要求。业界采用提高比例阀响应频率的方法来应对个重要的技术手段。其主要技术路线是：在泄漏量收稿日期：2 0 2 2-0 1-0 9修回日期：2 0 2 2-12-18基金项目：国家自然科学基金（52 2 7 2 353）；2 0 2 2 年上海高校市级重点课程船舶辅机项目作者简介：安骥（197 4一），男，山东济宁人，副教授，轮机长，博士，研究方向为船舶液压传动技术、反气泡、机舱资源管理等，(E-mail)anji http:/hyxb 114满足需求的前提下减小摩擦面，从而使摩擦力减小，阀芯响应加快。比例阀为滑阀，在其阀芯运动的过程中会出现液压滑动夹紧的现象4。滑动夹紧可分为液压夹紧5和机械夹紧。液压夹紧的主要原因是：在阀芯与阀套的间隙存在压力不均匀的情况，这会引起不均匀的液压侧向力，增加滑动摩擦力5-7。显然,这种侧向力会降低阀的响应频率8。设计均压润滑槽的最初目的是平衡液压侧向力，而现在可以通过它减小摩擦力从而提高阀芯的响应频率。文献9未能得到其他情况下泄漏量与摩擦力的关系。要提高滑阀响应频率，必须得到摩擦面积与泄漏量、摩擦力的关系，进而对滑阀结构进行优化。一般对滑阀的优化是以提高阀的效率为目标的优化10：滑阀阀芯摩擦力随着密封间隙的减小而增加,随着密封面积的增加而增加；泄漏量随着密封间隙的减小而减小，随着密封面积的增加而减小；滑阀损失功率是摩擦功率与泄漏功率之和。因此，必定存在一个最优化的密封间隙和密封面积。对于高响应频率的滑阀而言，设计者最关心是提高其动态响应频率，传统的滑阀优化条件不再适合。高速阀优化的目标是在满足最低密封要求的情况下，使滑阀的动态响应频率最高。本文研究滑阀的密封性与动态响应频率的优化关系，提出减小滑阀的均压润滑槽面积以减少滑阀的摩擦力,进而提高滑阀响应频率。目前国产高响应频率的比例阀在国际上竞争力较弱，船用电喷柴油机喷油和换气的比例阀都采用进口阀。因此,本文试图推导出这种进口阀的设计计算方案，并通过进口阀频响特性实验验证这种计算的准确性,为国产比例阀的设计提供参考。1阀套与阀芯间配合间隙为探究进口比例阀P的设计方案，建立比例阀阀体的剖面模型，见图1。图1中外圆为阀套内壁，内圆为阀芯外壁。外圆的中心为0，半径为R。内圆的中心为0 ,半径为r。端面圆心距OO为e,P为外圆上的点,OP与内圆相交于点P。连接OP形成OPO,LOOP=。根据余弦定理可以得到阀芯半径与两个圆的圆心距之间的关系。http:/上海海事大学学报0p=0p+00-20P 00 cos 式中：0 P为阀芯半径；0 0 为阀套与阀芯的圆心距。OP=e(cosV(r/e)?-sin由于r/e1,所以上式可简化为OP=r+ecos 由于阀芯的偏差，图1中不同的角度对应于不同的配合间隙。PP表示阀芯与阀套的配合间隙。PP=OP-OP=R-r-ecos =-ecos 式中:壁面间隙8=R-r。2摩擦副泄漏量计算狭缝中油液产生运动的原因有二：一是存在压差（这种流动称为压差流或伯肃叶流）；二是组成缝隙的壁面之间有相对运动（这种流动称为剪切流或库爱特流）。上述两种流动的叠加则称为库爱特-伯肃叶流10。滑阀的阀芯与阀套的摩擦面尺度远大于其间隙尺度，两者间的摩擦可视为两平行平板之间的摩擦。分析滑阀的泄漏应当考虑滑阀在静止时的泄漏量，这时滑阀的泄漏流动应当为压差流。而在分析滑阀内的摩擦力时，考虑到高速滑阀的运动速度快、开闭环节时间短，可以忽略其开闭时的泄漏量。在对滑阀进行受力分析时，可以将其内部油液的流动视为剪切流。2.1阀套与阀芯同心时的泄漏量比例阀在工作过程中的夹紧故障由两种情况引起：一种是阀芯的偏移,另一种是阀芯的偏转。本文分析两种不同工况下阀芯的黏性力和泄漏情况，计算出阀套阀芯摩擦面面积与所受黏性力和泄漏量之间的关系。首先计算阀套与阀芯同心时的泄漏量。图2 为滑阀的阀套阀芯配合示意图，假定间隙中的流动状态为层流，且阀RO室中的瑞流对间隙R中的层流没有影响10。当阀芯凸肩遮蔽阀口时，定图1比例阀横截面示意图图2 滑阀的阀套阀芯配合示意图义泄漏量为Q。在滑阀阀套与阀芯、套筒与柱塞类型的摩擦副中，摩擦面尺度远大于其间隙尺度，可视为两平行平板之间的摩擦。两个平行壁面之间液体的流速10 1为hyxb 第44卷(1)第3期u=-(1/(2)(8-z)zdP/dx式中：u为流体的动力黏度;P为流体压强；x为流体运动方向坐标；z为壁面间隙方向坐标。在压差流工况下，根据式（2）可以得到偏心圆环缝隙的泄漏量10 为dQ=(rP/(12 l.C)(S-ecos)d式中：P为流体两端的压强差；l.为阀芯凸肩宽度；C为层流修正系数。当阀套与阀芯完全同心时，e=0；当阀芯完全偏心时,e=8。2.2阀芯偏移工况下泄漏量计算图3为阀芯偏向阀套一边的示意图。由式(1)可知,图1中阀套与阀芯配合间隙PP=R-r-ecos。由于阀芯偏向阀套一边,取PP微元分析。在宽度为dl的阀芯上，泄漏量为Q=J dQ=(rP/(12 u l.C)/(d/(12Cdl)Ps(1+1.5)式中：偏心率8=e(x)/S;阀芯直径d=2r。由于阀芯偏向一边时，沿阀芯轴向的截面形状不变，所以dl可以无须积分，直接用l.代替。定义Qmax为最大允许泄漏量，可以计算如下：(rP/(6 u l.C)(1+1.5)Qmx(5)可以得到阀芯凸肩宽度的范围：lo TrP(1+1.5s)/(6Qmax)为实现按需控制主阀的开闭，先导阀的流量和内部流场以及阀芯的主要尺寸被固定，在不影响伺服油的流量和流场的情况下尽可能减小摩擦。不能将均压润滑槽开设到支撑阀芯左右端的凸肩区域,否则将影响整个阀芯结构的稳定性。因此，将一定宽度和深度的均压润滑槽开设在控制阀口的凸肩上为最佳选择。2.3阀芯偏转工况下泄漏量计算阀芯偏转指阀芯的一端偏向阀套的一侧,另一端偏向阀套的另一侧。当阀芯偏转时,在沿阀套轴向方向上，阀芯的偏心率是不断变化的，阀芯与阀套配合间隙PP=R-r-e(x)。如图4所示,阀套轴线中点0 为原点,e为端面偏心距,在阀套轴线上的任何位置取点A,OA=x。阀芯的偏心距，即轴向力作用点至截面形心的距离为e()=8x/(L/2)=28x/L,偏心率为 8=e(x)/8。安骥，等：滑阀阀套阀芯摩擦副泄漏量影响因素分析(2)(3)图3阀芯偏移示意图(-ecos)d=(4)115Xdxe(x)L/2图4阀芯偏转示意图压强差所引起的泄漏量的计算公式为dQ=（P/(12 l.C)(R-r-ecos)rddQ=2TQ=0(rP/(12 u l.C)(8 -e(x)c o s )d=(d/(12ul.C)Ps(1+1.5）=(d/(12ul.C)Ps 3.1+1.53阀芯凸肩黏性力计算当分析阀芯运动时所受的黏性力时，阀芯运动速度远远大于油液流动速度，可以忽略阀内油液流动速度,阀套与阀芯之间的液流为剪切流10。阀内流动的为液压油，视为牛顿流体。3.1阀芯偏移工况下的黏性力根据牛顿内摩擦定律，流体微元的黏性力为dF=(Rdadx)(uz(R-r-ecos)-I)式中：uz为阀芯移动速度;Rddx为流体间接触面积;uz/(R-r=ecos)为速度梯度。在牛顿流体中,速度梯度呈线性分布，阀芯所受的黏性力2元l0F=uuz(R-ecos)-Rdxd=2TRu2lol(R-r-ecos)-Id当阀芯完全偏向一侧（e=R-r)时,阀芯凸肩平台上的黏性力达到最大值Fmax。移动滑阀时应克服的黏性力F,为F,Fmax=uRuz2lo3.2阀阀芯偏转工况下的黏性力模型当阀芯偏转时,应用牛顿内摩擦定理计算黏性力,用e(x)替换式(7)中的e,得到山i+loF=uRuzlo2Thttp:/L1+o(e(x)/)d(R-r-ecos)-ldR-r-cos e(x)dxJLhyxb (6)(7)(8)d(9）1164比例阀动静态特性实验研究测试比例阀BOSCHRexroth 4WRPEH（见图5）的频响特性，目的是验证前述比例阀设计计算方案的正确性，以及为第2 节模型图 5 BOSCH Rexroth 4WRPEH的计算结果提供参考。阀套与阀芯实物受限于实验条件，仅测试了有负载、无负载情况下的位移阶跃响应特性和流量稳态控制特性。因为没有测量阀芯黏性力的条件，所以通过阀芯的响应速度间接验证这种优化结果。实验设备为：BOSCHRexroth4WRPEH比例阀、静态压力表、2 4V直流电源模块、液压源（压强5MPa,流量8 L/min）、BO SC H Re x r o t h D Z30.1N-W 型齿轮流量传感器、BOSCHRexrothDZ37型压力传感器、MS02000A/DS2000A型数字式示波器、多功能便携式50 6 0 PDA、EE16 41B1型函数信号发生器。比例阀结构参数如下：先导阀线圈直径为410-m;阀芯与阀套间距为6 10-m;主阀芯与阀套间距为6 10-m;油液动力黏度为2.6 2 10-2 Pas;线圈匝数为2 6 0;柱塞直径为110-m;主阀芯的最大位移为1.6 10-m;主阀凸肩直径为2 10-m;先导阀阀芯质量为0.153kg;先导阀阀口长度为510-3m;主阀凸肩长度为410-m;电感强度为310-H;先导阀的弹簧弹性系数为40 0 0 N/m;主阀阀芯质量为0.2 7 5kg;液压油密度为90 0 kg/m；主阀阀芯直径为110-m;先导阀凸肩直径为8 10-3m;动圈电阻为5;放大器内阻为310。比例阀动态响应性能测试系统如图6 所示，该系统的负载用背压节流阀代替。背压节流阀位于换向阀后，未在图6 中标出。流量传感器信号发生与控制器ZHX单向阀比例阀溢流阀泵D电机A过滤器油箱(a)结构图6 比例阀动态响应性能测试系统4.1阶跃响应实验图7（a)为在无负载情况下，比例阀的先导阀阀http:/hyxb 上海海事大学学报芯在分别输入+10 V、+8 V、+6 V 电压时的位移阶跃响应曲线，图7（b）为在不同负载下，比例阀的先导阀阀芯在输人信号为0.18 Hz的三角波信号时的位移阶跃响应曲线。616V5-8V410V3210(a)不同电压图7 不不同电压和不同负载下比例阀的先导阀阀芯的位移阶跃响应曲线在图7(a)中,以阀芯响应曲线上升前的波谷点作为阀芯运动起点，以阀芯响应曲线上升后的波峰点为阀芯运动终点，这两点之间的时间为阀芯响应时间。曲线显示，无负载时阀芯的响应时间为0.018s（该值可以在仪器中直接读出）。在船用低速发动机转速为10 0 r/min的情况下，该响应时间可使喷油器针阀启闭过程占用曲轴转角为1左右，是可以满足要求的。图7(b)显示,不同负载下的阀芯位移阶跃响应情况类似，可以认为阀芯的位移与负载无关。驱动力的变化主要与驱动电流放大系数有关。实验发现：当负载较大时，驱动力相应增大（驱动电流放大系数增大）；当负载较小时，驱动力相应减小（驱动电流放大系数减小）。测试结果表明,该阀的响应频率相比于传统的比例阀有明显提高。4.2比例阀的先导阀阀口压差-流量特性检测实验该实验测量先导阀在阀芯位移一定的情况下不同负载对泄漏量的影响，结果见图8。该曲线符合一般狭缝流工况下压差-流量关系的规律12,表明该阀在打开情况下，其阀口的形状设计良好（阀口设计为矩形，以保证图8 中压差-流量曲线的线性度）。该实测曲线证明阀芯在开口状态下的密封效果良好。如图8 所示，阀口泄漏量与负载在较宽范围内有较好的线性度。泄漏量随着负载的增大而增大，但是泄漏量增大的速度逐渐减缓,并趋近于一条直线，这与传统经验公式得出的结果不完全相符。利用现有实验图形进行拟合，得出了适用于本条件下(b)实物的先导阀BOSCHRexroth4WRPEH流量公式：Q=0.569 6ln P-0.0 33 5式中的P仅为压差取标准单位时的数值，反映了该阀泄漏量随负载的变化情况。由拟合公式可知，第44卷543200.15-10.050.10时间/s.2.0MPa-.-1.5 MPa一0.5MPa00.040.080.12时间/s(b)不同负载第3期该阀泄漏量与负载的关系更趋近于指数关系,这种关系可为研究阀芯控制部分提供依据。1.8r1.6F1.4(uu/)/鲁型1.21.00.80.60.40.200.20.40.60.81.01.21.41.61.82.0图8 固固定阀芯开度下不同负载对泄漏量的影响5黏性力与泄漏量计算验证尝试取BOSCHRexroth4WRPEH型高速比例阀的尺寸,用第2 节和第3节的数学模型计算阀芯凸肩的优化宽度。由于没有测试泄漏量的实验条件，以下仅为仿真计算结果。设P=1,C1,可得u=0.3 m/s,R=3.9mm,r=3.89mm,L,=9mm。设定油液的动力黏度为实验条件下的2.6 2 10-PaS。在阀芯偏移工况下,设定e=8/2=0.005mm，8=e/8=0.005/0.01=0.5,泄漏量和黏性力分别为2元Q=JdQ=(rP/(12 u l.C)J(（-e c o s )d=TdPs(1+1.5e 2)/(12 l.C)F=f(Ruz/(R-r-ecos)dxd=ZTRuzlo/。(1/(R-r -e c o s )d在阀芯偏转工况下，泄漏量和黏性力分别为Q=dPs (1+1.5(Li+lo(e(x)/8)dx)(12 l.C)安骥，等：滑阀阀套阀芯摩擦副泄漏量影响因素分析y=0.569 6 ln x-0.033 5R=0.998 9负载/MPa2T117F=uRuzlo/(1/(R-r-ecos)将已知各参数的取值代入泄漏量和黏性力的计算公式，仿真计算结果见图9。1050(Ne-01x)/4弹86泄漏量00.2,0.4,0.60.81.0阀芯凸肩宽度/cm(a)阀芯偏移图9阀芯偏离轴线时凸肩宽度与黏性力和泄漏量关系由图9可知：虽然阀芯凸肩越宽，密封性能越好，但黏性力会越大，响应频率会下降；反之，凸肩越窄,响应频率越高，但密封性下降。如果固定阀芯凸肩宽度过窄，则可以有效降低黏性力，但会导致泄漏量过高。泄漏会降低先导阀阀芯的精度。根据上述实验和数值计算，在如此小的凸肩宽度下，阀芯的响应频率能够提高到满足船舶主机的响应频率要求，同时阀的密封性得到保证。结果显示，阀芯偏转明显恶劣于阀芯偏移,设计计算应当以偏转为标准。6 结 论在保证泄漏量满足需要的前提下，通过减少阀芯凸肩宽度可提高比例阀的响应频率。对比例阀的实验证明，在满足密封性的前提下这种结构的响应频率相比于传统阀芯有了大幅提高。该设计思路可推广到该类摩擦和密封结构的高响应频率设计计算中,例如对考虑提高液压泵或者液压电机动态响应频率的设计,其措施不能与传统的仅仅优化功率消耗的措施等同，应当以密封性为约束条件进行动态响应频率的优化设计。1+lJLI1612820泄漏量黏性力黏性力100da40(Ne-01x)/4利璞302010000.20.4,0.60.81.0阀芯凸肩宽度/cm(b)阀芯偏转参考文献：1 LIU Y F,DAI Z K,XU X Y,et al.Multi-domain modeling and simulation of proportional solenoid valveJ.Journal of Central South Universityof Technology,2011,18(5):1589-1594.D0I:10.1007/s11771-011-0876-2.【2】范立云，高明春，马修真，等电控单体泵高速电磁阀电磁力关键影响因素J.内燃机学报，2 0 12，30（4）：359-36 4.D0I：10.16 2 36/ki.nrjxb.2012.04.012.【3李国锋，刘永松，吴一兵，等一种用于异形线圈的线圈绕线驱动机构：CN109448987AP.2019-03-08.4 MILANI M.Designing 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