液压滑阀卡紧力

燕山大学机械工程学院

液压流体力学课程三级项目液压滑阀中液压卡紧力的计算与分析

组员：苏国青

孙景龙

王志辰

王娟

张志壮

指导教师：高殿荣

2012/4/2

前言

在实际生产设备中安装的滑阀式换向阀, 在使用中经常出现动作失灵的现象, 经检查是滑阀阀芯“卡死”。这是由于阀芯和阀套的滑动副之间有一定的间隙, 在正常充满油液的条件下, 摩擦力应该是很小的, 但是由于加工锥度的原因, 在圆柱滑动副的密封长度内, 各个截面上的环形缝隙中的流体压强分布不均, 对柱体产生侧向力, 这个侧向力使得阀芯和阀套之间产生摩擦力导致了滑阀卡紧现象。本文详细推导了滑阀卡紧现象的相关公式, 并借助这些公式说明了阀芯“卡死”产生的原因, 并提出了相关解决方案。

第一章 液压阀上的作用力

液压阀的阀芯在工作过程中所受的作用力是所中多样的，掌握各种作用力的特点及计算方法是分析液压阀的基础。下面将介绍液压阀设计中常见的集中作用力。

1-1 液压力

液压元件中，由于液体重力引起的液体压力相差对于液压力而言是极小的，可以忽略不计。因此，在计算时认为同一容腔中液体的压力相同。

作用在容腔周围固体壁上的液压力p F 的大小为

p A

A

F Pd

=

⎰⎰ 式1-1

当壁面为平面时，液压力p F 为压强p 与作用面积A 的乘积，即p F pA =

1-2 液动力

立体经过阀口时，由于流动方向和流速的变化造成液体动量的改变，使阀芯受到附加的作用力，这就是液动力。

在阀口开度一定的稳定流动情况下，流动力为稳态液动力；当阀口开度发生变化时，还有瞬态液动力的作用。

1. 稳态液动力

如图1-1所示，取进出口之间的阀芯与阀体孔所构成的环形通道为控制体积。对于某一固定的阀口开度x 而言，根据动量定理，控制体积

对阀芯轴线方向的稳态液动力s F 的计算公式为

2cos 2cos s d V F qv C C W x p ραα==∆ 式1-2

式中 ρ——油液密度

q ——流经阀口的流量 α——阀口的射流角 d C ——阀口的流量系数 V C ——阀口的流速系数 W ——阀口梯度

图 1-1

2. 瞬态液动力

所谓瞬态作用力，是指由于阀口开度变化引起流经法力的液流速度变化，导致流道中液体动量变化而产生的液动力。瞬态液动力的作用方向始终与阀腔内液体加速度方向相反。

1-3 液压侧向力与摩擦力

如果杂质径向间隙处处相等，则配合间隙中压力沿圆周是均布的，阀芯上没有不平衡的径向液压力。但由于制造误差及阀口在实际工作中不可能精确的保持同心位置，因此，阀芯将由于径向力分布不均匀而被推向一侧，形成数值相当可观的液压侧向力与摩擦力。

液压侧向力的近似表达式为

r F Ld p α=∆ 式1-3

式中 α——系数，当按最大估算时，可取α=0.27； L ——滑阀阀芯配合长度； d ——阀芯直径

p ∆——阀芯与阀套配合间隙两端的压差。

液压侧向力使阀芯紧贴阀孔内壁，使阀芯运动时受到摩擦力的作用。摩擦力的计算公式为

f F fLd p α=∆ 式1-4

1-4 弹簧力

在液压阀中，弹簧的应用极为普遍。与弹簧相接处的阀芯及其他构件所受的弹簧力为

0()t F k x x =±

式中k ——弹簧刚度

0x ——弹簧顶压缩量

x ——弹簧变形量

第二章 液压卡紧力的计算与分析

2-1液压滑阀中液压卡紧力的产生原因

一· 径向力不平衡引起的液压卡紧

产生液压卡紧的主要原因是滑阀副几何形状误差和同心度变化引起的径向不平衡的

液压力, 此液压力引起液压卡紧。

如图2-1 ( a) 为阀芯因加工误差而带有倒锥(锥部大端朝向高压腔) , 阀芯与阀孔轴线平行但不重合, 即有偏心。阀芯受到径向不平衡力的作用(图中曲线A1 和A2 间的阴影部分) , 使偏心距越来越大,直到阀芯与阀孔接触为止, 这时径向不平衡力达到最大值, 甚至产生干摩擦。

如图2-1 ( b) , 所示几何形状无误差, 但由于安装等原因, 阀芯在阀孔中倾斜, 径向不平衡力和转矩都比较大。

如图2-1 ( c) , 为阀芯高压端有局部突起(磕碰、毛刺或杂质附于阀芯上) , 这时突起部分背后的液流造成较大的压降, 使阀芯受到不平衡液压力, 这种力作用结果是把阀芯突起部分推向孔壁。

图2-1

二·阀芯、阀孔加工质量差

径向不平衡力与滑阀副几何形状误差和同心度有关, 而这些误差与加工质量有密切关系, 各种几何形状误差的形成原因如下:

(1) 由于机床主轴回转卡盘与尾顶夹不同心,或刀架、砂轮架切削行走轨迹与工件回转

中心线不平行, 加工的阀芯有锥度, 当锥度大端在高压腔, 便形成液压卡紧。

(2) 阀芯热处理后, 没有时效处理, 时间一长,内应力释放而变形, 产生阻力。

(3) 阀芯(阀孔) 轴向拉毛而产生径向不平衡液压力。

(4) 阀芯锐边因盖碰形成突起, 而产生液压力矩, 便突起部分压向阀孔。

(5) 阀芯台肩环形槽是在热处理前加工的, 阀芯热处理后再精加工, 有可能使环形槽

深浅不一致,而产生径向不平衡液压力。

(6) 阀芯台肩的环形端面与轴线垂直度误差大,易产生阀芯转动力矩, 若阀芯与阀孔间

隙较小, 阀芯容易卡住。

三·油液中积极分子吸附作用

不平衡径向力使阀芯向阀孔一边靠近, 因而产生阻碍阀芯运动的摩擦力。间隔一段时间后, 轴向卡紧力突然增加, 甚至在卸压后仍紧密地粘附在孔壁上,这是由于油液中的极性分子(如油性的酸类物质)堵塞所致。在高压下, 轴向卡紧力总是迅速产生 (高压下停留8～60 s) , 然后趋向一最大值。卸压后,轴向卡紧自然消失的时间比形成的时间稍长。