高频大流量旋转换向阀设计研究

　　工程应用中有大量零件在多次冲击载荷下工作,例如发动机气缸排气阀、模具凹凸模、各类控制阀、泵、凿岩机活塞、钎杆、风动工具、刀具剪口等。这些零件在多次冲击载荷之下很容易出现各种疲劳失效现象,甚至出现宏观的塑性变形^[1],由此而导致的停产维修会造成巨大经济损失。为此,本课题组研制了一台多次冲击试验机,通过对这些零件的工作条件加以模拟,在试验的基础上,对这一疲劳失效现象的规律、机理进行研究。

　　1 多冲试验机的工作原理

　　通过对工作在多次冲击载荷下零构件的受载条件进行分析,可以抽象出冲击试验机的运动规律曲线如图1所示,在此基础上完成了旋转换向阀控制液压式多次冲击试验机的原理图,如图2所示。

　　旋转换向阀控制液压式冲击机采用弹簧压缩-释放能量来实现冲击碰撞试件。弹簧压缩-释放能量的过程由液压系统控制。工作时,变量泵17向系统供油,当手动换向阀与油箱导通时,液压油会推开插装阀14进入旋转换向阀11;当手动换向阀15处在另一工作位置时,插装阀14两端同时通入液压油,由于压力面积不同,插装阀保持闭合。液压油通过节流阀10进入旋转换向阀11;旋转换向阀阀芯在电机的带动下旋转,当阀芯的开口Pc与阀座P口接通时,液压油从进油口由A口进入液压缸,冲头7随液压缸一起上升,同时弹簧2被压缩储存能量;当阀芯的开口Pc通过O口与油箱接通时,液压缸5中的液压油在弹簧2的作用下回流入油箱,同时冲头7高速下降冲击试件表面。接着,阀芯的开口Pc与阀座P口再次接通,实现冲头7的上升蓄能,如此往复,从而实现对试件的多次冲击。

　　2 旋转换向阀的设计实现及响应分析

　　现有的换向阀种类繁多,按换向阀阀芯形状分类,有滑阀式、转阀式和球阀式3种;按操纵控制方式不同分为手动、机动、电磁、液动、电液动和气动等。在各种换向阀中电磁换向阀的换向频率相对较高,最高可达250~300次/分^[2]。但稳态液动力是电磁阀换向过程中不可忽视的换向阻力,且液动力随着流量的增大而增大,由于电磁铁力大小所限,所以电磁换向阀的最大过流能力受到限制,其流量一般较小。而多次冲击试验机要求频率是0~600次/分,同时要求很高的过流能力。因此,有必要设计一种新型的能够满足冲击试验机工作要求的高换向频率、大流量的旋转换向阀。

　　在整个试验系统中,旋转换向阀是实现活塞杆上下动作从而实现周期性冲击碰撞的关键。通过对调速电机转速的调节可以改变旋转换向阀的换向频率,从而达到调节冲击碰撞频率的目的。另外还可以通过改变进油流量来调节活塞杆的行程即系统冲击行程;通过改变弹簧预压缩量来实现不同冲击力。