液动力对换向阀作用的ANSYS有限元分析

    液压换向阀是液压系统的主要元件,当液压换向阀进行换向操作时,管内产生急剧交替的压力升降的阻尼波动现象,液动力在一瞬间会突然升高,形成瞬时压力峰值,产生液压冲击。液压冲击的压力峰值往往比正常工作压力高好几倍,且常伴有巨大的振动和噪声,并使某些液压元件产生误动作,严重影响系统的稳定性和可靠性,甚至造成液压元件、管路破裂,降低设备的使用寿命。

    ANSYS软件是融结构、流体、电磁场、声场和耦合场分析于一体的大型通用有限元分析软件。利用ANSYS研究液压阀的受力情况、可靠性和受冲击时的振动特性,不仅可以得到换向阀的薄弱环节及可靠性,有助于指导换向阀和液压系统的设计和改造工作,同时对采取控振对策、预防和减少液压冲击的发生具有指导意义。

    1　液动力分析

    图1为研究的滑阀示意图。当液体流过滑阀时,取阀进出口之间的液体为控制体积。设液流作恒定流动,则作用在此控制体内液体上的力按式∑F=计算应为

    F=ρq(v₂cosθ₂-v₁cosθ₁)

式中:θ₁、θ₂为液流流经滑阀时进、出口流束与滑阀轴线之间的夹角,称之为液流速度方向角。显然,无论是流入还是流出, v₂与滑阀轴线之间的夹角θ₂=90°,而v1与滑阀轴线之间的夹角θ₁均等于69°。由此可得F=-ρqv1cosθ1,方向向左,而液体对阀芯的轴向作用力为F′=-F=ρqv₁cosθ₁,方向向右,即这时液体有一个力图使阀口关闭的液动力。

    2　换向阀的有限元分析

    2·1　稳态液动力有限元分析

    根据换向阀的液动力分析以及实际的工作状态,构建阀芯受力的有限元模型,如图2所示。图中显示了液压油对阀芯不同部位作用的压强,其中设p₁=15MPa,p₂=12MPa,p₃=10MPa,大圆柱面施加除了轴向的所有自由度约束。

    经过ANSYS有限元分析(如图3所示),等效应力在小圆柱面与大圆柱面的交界处达到最大,其值为26·1MPa。因为20CrMo (渗碳淬火58-62HRC)的抗拉、抗剪和抗压的强度都大于200MPa,因此,换向阀满足强度要求。

    2·2　可靠性分析

    由换向阀的强度理论,假设换向阀使用过程中,安全系数取为2,应力不允许超过屈服强度的1/2倍,如果应力超过此值则认为换向阀失效,换向阀的失效准则为

式中:σ_max为换向阀在使用过程中的最大节点等效应力;σs为材料的屈服强度。

    极限状态函数为:为失效状态,求换向阀的可靠性就是求Z(X)>0的概率。