锥阀式液压单向阀结构分析与设计

锥阀式液压单向阀结构分析与设计

0单向阀的应用单向阀是方向控制单元，用于控制液流沿方向流动，而不转动。单向阀结构是液压元件中的一种基本结构,许多复杂的液压部件最终都能分解为多个的单向阀结构,因此单向阀在液压产品中应用广泛。液压单向阀在正常工作过程中发出的称之为“啸叫”的刺耳噪声,多是由于产品中的某个部件发生了高频振动而产生的,这种振动将大大降低产品的使用寿命,同时还对产品的功能、性能产生一定影响。本文在综合分析锥阀式单向阀结构参数对阀芯振动影响的基础上,提出解决单向阀“啸叫”的措施。1弹簧振动的原因锥阀式单向阀主要由阀体、阀芯和弹簧组成,如图1所示。阀芯有一定质量,与弹簧组成一个“质量—弹簧”振动系统,引起这个振动系统发生振动的原因有两种,一是外部因素(共振),另一种由自身特性引起(自振)。当外加在振动系统上的能量源的频率与该系统的固有频率成整数倍关系时,即会发生共振。1.1运动微分方程的增量锥阀式单向阀的固有频率推导如下。锥阀式单向阀的开口截面积近似为:式中,f为开口截面积,d'=(d1+d2)/2为开口中径,x为阀芯开度,α为锥阀角度。另外,根据薄壁小孔节流原理可知:式中,Q是通过开口的流量,C是流量系数,ρ是液体密度,Δp是阀芯前后压差。由式(2)可得,其中,,当Q一定时A为常数。在忽略液动力和摩擦力的情况下,在开度为x0的工作点上,依据力平衡方程得到阀芯运动微分方程的增量式为:式中,m为阀芯质量与1/3弹簧质量之和,F为阀芯承受压力差的有效面积,K为弹簧刚度。式(5)中,左边第一项为惯性力,第二项为液压力,第三项为弹簧力。将式(4)代入式(5)得到:式(6)即为“质量—弹簧”振动系统的无阻尼振荡的运动微分方程,其振荡频率ω可表示为:将式(3)代入式(7)得,为避免出现共振,在工程设计时,必须使固有频率与泵或其他振动源的频率错开。1.2单向阀的自振单向阀另一种可能出现的振动是自振,即由阀本身特性带来的自激振动。由式(3)可知,液体通过单向阀时受到局部阻力,产生的节流损失为:式中,ζ(x)为阻力系数,p1、p2为阀芯节流前后压力。阻力系数ζ(x)是阀芯开度x的函数。从式(9)可见,如果进口压力p1为常数,Q不变,则p2完全决定于ζ(x)值。根据研究结果,ζ(x)与开度x的关系曲线如图2所示,可以看出,ζ(x)为非单调函数。图中实线为阀芯沿打开方向运动时的ζ(x)值,虚线为阀芯沿关闭方向运动时的ζ(x)值。当x处于x1~x2范围内,ζ(x)具有上升特性,即当x增大,ζ(x)也增大。这是一种不稳定状态,在此开度范围内工作时,阀芯会产生自激振动。自振的产生过程如下:设阀芯的开度为x1~x2范围内某一点。当有一扰动作用使p2上升时,阀芯开始关闭。但由于x变小时ζ(x)下降,在p1和Q不变时,按式(9),p2却会继续上升。即阀芯向下运动时有向下的附加力,相当于负阻尼力;而当阀芯向上运动时,同理有向上作用的附加力,也相当于有负阻尼力。等于在阀芯的“质量—弹簧”振动系统中附加了能量,使阀芯的开度在x1~x2范围内无法稳定,不论是沿打开方向还是沿关闭方向运动都要冲出这个范围,直至附加的能量和耗散的能量相等,振幅不再扩大而保持等幅振动。这就是单向阀的自振。为避免这种自振,应使阻力系数ζ(x)在工作范围内具有单调下降的特性,即ζ(x)随x加大而单调下降,必须避免单向阀的开度x进入x1~x2范围内。2不同阀芯开度对“选择”的影响为了验证上述分析的正确性,以某型锥阀式单向阀为基础,进行了开度与“啸叫”现象关系的试验验证。根据产品结构,加工了五种不同尺寸的弹簧座,将阀芯的开度限制为1.5、1.0、0.8、0.5和0.4等五种开度。在相同试验条件下进行试验,统计产品50次工作中出现“啸叫”的次数。试验结果见表1。试验中,所用管路和阀芯的开口截面积足以满足流量的要求,保证了试验流量的稳定。从试验结果可以看出,在相同试验条件下,随着阀芯开度的减小,单向阀出现“啸叫”现象的次数逐渐减少,尤其是在阀芯开度小到一定程度后,“啸叫”发生次数骤减,说明阀芯开度对单向阀的“啸叫”有直接影响。但是,在随后的多次试验中,尝试将阀芯开度继续减小,还是会有一两次“啸叫”。这说明只是限制阀芯开度,不能完全消除“啸叫”。根据式(6),经过再次分析单向阀特性可知,阀芯的“质量—弹簧”振动系统是一个无阻尼二阶系统,该系统的单位阶跃响应是一个具有固有频率ωn的等幅振荡,当有外界扰动能量加入该系统时就有可能引发系统的不衰减振动,产生“啸叫”。对阀芯开度进行限位,只是用外力降低“啸叫”发生的概率,系统的结构参数并没有改变,不能从根本上解决问题。因此,要根除“啸叫”现象,必须改变“质量—弹簧”振动系统的结构,将无阻尼二阶系统改变为欠阻尼二阶系统,外界扰动能量会在阻尼的作用下被消耗,从而避免发生振动。3弹簧对自振系统自振特性的分析为了避免“啸叫”现象的发生,必须消除阀芯振动。对于由外部引发的共振,由式(8)可以看出,改变振动系统固有频率的最简单途径就是改变弹簧刚度K。对于没有阀芯开启压力的单向阀,弹簧的刚度可以设计的很小,只需克服阀芯的摩擦力;对于有阀芯开启压力的单向阀,弹簧刚度应设计的大一些。弹簧刚度与弹簧钢丝的材料、直径、有效圈数等参数有关,在满足产品设计空间和性能要求的前提下合理选择弹簧各参数,使得“质量—弹簧”振动系统的固有频率错开液压源的频率。对于由内部因素引发的自振,控制阀芯开度x,使之不在x1~x2范围内,即可有效降低“啸叫”发生的次数。最简便的办法就是利用弹簧座对阀芯限位。参见图1,阀芯最大开度xmax的计算如下。阀开口的最大截面积fmax为:式中,b=xmaxsinα,d1=d-2α,令fmax=f,可得为消除“啸叫”现象,还必须改变“质量—弹簧”振动系统的结构,将无阻尼二阶系统改变成欠阻尼二阶系统,即在系统中增加阻尼,最直接的方法是在阀芯上增加阻尼孔,阻尼孔的大小取决于单向阀的结构参数。增加了阻尼的系统变为欠阻尼二阶系统,系统的阻尼比ξ为:式中,λ为阻尼系数,m为阀芯质量与1/3弹簧质量之和,K为弹簧刚度。通过阻尼比ξ确定阻尼系数λ,从而确定阻尼孔的大小。系统阻尼比ξ应在0~1之间取值,阻尼比ξ越大,响应的振荡倾向越弱,平稳性越好,但系统响应迟钝,快速性差;阻尼比ξ越小,振荡越强,平稳性越差,虽然响应的起始速度较快,但因为振荡强烈,衰减缓慢,调节时间长,快速性不好。因此,最佳阻尼比ξ=0.707。4单向阀动态响应分析对锥阀式单向阀发生“啸叫”现象的原因和影响因素进行了分析,对解决实际工作中的问题具有重要的指导意义。分析过程中