双级溢流阀先导阀供油流道布局分析

　　为适应重大装备双级溢流阀的压力稳定性要求，采用带平衡活塞结构的溢流阀作为先导阀，实现减振稳压的效果，其先导阀必须通过斜长孔从阀芯侧面供油，这种侧向通油流道极易导致偏心、阻塞或卡死现象，加大了结构设计的难度。为此，该文采用CFD 流体计算仿真方法，分析不同的流道布局对阀性能的影响，取得了先导阀供油流道的孔数、孔径和位置等优化参数。

引言

　　重大装备工作过程中不可避免地会产生振动、冲击、加速度，对用于压力控制的溢流阀稳定性要求很高。为提高稳定性，液压系统采用带平衡活塞结构的双级溢流阀进行稳定压力控制， 双级溢流阀的平衡活塞式先导阀芯与阀体形成固定节流器， 将先导阀腔分成压力感受腔和控制腔两腔， 通过节流反馈来控制输出压力，具有减振、消声、稳压三合一综合功能。

　　为分析先导阀供油流道的不同布局对阀性能的影响， 本文采用计算流体力学方法研究主阀与先导阀内部流道的三维流场， 准确地得到流道参数对阀特性的影响，确保溢流阀具有最佳动态特性。

1、双级溢流阀机理和理论分析

　　1.1、机理分析

　　如图1 所示为带平衡活塞和容腔的双级溢流阀原理图。图中，Qp为液压泵流量;QL为负载流量;ps为供油压力;V1为主阀前腔体积;V2为主阀弹簧腔体积;V3为先导阀压力控制腔体积;V4为先导阀压力感受腔体积;Q1为主阀前腔至弹簧腔的流量;Q2为自主阀流入先导阀流量;Q3为平衡活塞间隙节流量;Q、Qx为主阀和先导阀的溢流量;p2为主阀弹簧腔压力;p3为先导阀压力感受腔压力;p4为先导阀压力控制腔压力。

1-主阀2-主阀与先导阀连通部分3-先导阀4-主阀阀芯5-主阀弹簧座即先导阀阀体6-先导阀阀芯

图1 双级溢流阀原理图

　　该双级溢流阀通过细长孔节流供油给先导阀，并通过平衡活塞结构将先导阀腔分为压力控制腔V3和压力感受腔V4的两个独立容腔(如图1b)，通过先导阀供油孔液阻以及活塞间隙液阻来减弱压力感受腔V4的压力p4随供油压力波动的趋势，从而达到减振、消声、稳压的效果。为此，先导阀供油流道无法轴向供油，而必须通过在主阀弹簧座5(即先导阀供油流道)上打细长斜孔从侧向供油。这种侧向流道极易导致产生不平衡液动力，造成偏心甚至阀芯卡死，而且为起到一定的液阻作用，对细长斜孔的通流面积也有限制，因而，其孔数目、分布及尺寸将直接影响溢流阀的工作性能。

　　1.2、理论分析

　　如图1b 所示，当双级溢流阀采用单一孔结构为先导阀供油时， 油液流过该细长斜孔时将产生轴向和横截面方向的液动力，且直接作用在先导阀芯上，其横向液动力为

　　式中νh———先导阀供油孔中油液流速的水平分量，h表示水平;

　　Q2———自主阀流入先导阀的流量，2 指先导阀，1为主阀;

　　θ2 ，d02———先导阀供油孔的倾斜角和内径;

　　ρ———油液密度，840kg/m3。

　　同理可得轴向液动力：

　　式中νz———连通孔中油液流速的垂直分量，z 表示垂直;

　　图1 所示双级溢流阀先导阀供油采用单孔流道，孔的倾斜角为30°，内径1.2mm。当溢流阀开启溢流时(溢流压力24MPa)， 自主阀流入先导阀的流量约为6.3L/min，由此可以计算单孔流道油液对先导阀阀芯的轴向作用力约为4.1N， 可能导致先导阀的开启特性不稳定。而横向作用力约为7.1N，可能导致阀芯卡死。若通过多个均匀分布的孔供油， 则可消除横向液动力并减小轴向液动力。

3、实验与分析

　　在某伺服机构样机试验中，当采用图2a 所示单孔流道的双级溢流阀时， 压力工作点无法稳定在规定的24MPa，而是随着通油压力的升高而持续上升，与第2节计算结果一致。采用图2b 所示六孔流道结构双级溢流阀进行样机试验时，压力工作点可以稳定在24.5MPa处，但是噪声剧烈，噪声仪读数超过60dB。图2c 所示三孔流道结构孔径过小， 在实际应用中极易阻塞且难于加工。