基于ANSYS的大通径滑阀式换向阀配合间隙设计

　　滑阀具有结构简单、开口可控，易于实现流量、压力控制等优点，在各类液压控制阀中应用广泛.图1 是一种使用滑阀式换向阀控制的高速绞车系统原理图.为使绞车启动和制动平稳无冲击且时间可调，并以较高的恒速运行，要求阀1-1、1-2 开启闭合时间可调，公称压力21MPa、公称流量1500L/min时阀口压降不超过0.5MPa.国内现有的滑阀式换向阀产品，通径一般为6mm~32mm，公称流量60L/min~1100L/min，达不到使用要求.国外少数通径50mm 的电液比例阀流量能够达到1500L/min，但其阀口压降较大[1]，而且此类产品需要定制，交货期与维护具有不确定因素，给使用带来较大风险，所以决定自主研制此大通径滑阀式换向阀.

　　阀体阀芯配合间隙是大通径滑阀式换向阀设计的关键点和难点，直接关系到液压阀的工作可靠性和泄漏量的大小[2].间隙过小，阀芯动作不灵活，甚至导致阀芯卡死;间隙过大则泄漏量加大，影响阀的工作性能.换向阀工作过程中油液高压作用、系统温升都会使阀体、阀芯发生机械和热变形，影响阀孔阀芯的配合间隙.

　　本文借助 ANSYS 软件对所设计的大通径二位四通滑阀式换向阀在液压力-热共同作用下进行结构分析，用现代计算机辅助分析手段研究阀孔与阀芯配合间隙的变化及其泄漏量，最后进行了试验.

　　2 换向阀仿真模型

　　2.1 三维模型的建立

　　图2 为在Pro/E 中建立阀体三维模型，通过 IGS图形文件交换标准导入到 ANSYS 中进行网格划分等操作.为了减小计算规模加快计算速度，略去换向阀中对力学性能影响较小的倒角、均压槽及小通径的控制油孔等特征.

　　2.2 有限元模型的建立

　　阀体存在油口、沉割槽等不规则表面，为了保证计算的精度，选择四面体单元中的solid92 单元类型.由于涉及到热-结构耦合，在进行热变形分析时ANSYS 自动将单元类型转变为对应的热实体单元solid87.

　　这里采用自由网格划分中的智能单元尺寸控制功能.智能尺寸设定首先对待划分网格的面或体的所有线估算其上的单元边长大小，然后对几何体中的弯曲近似区域的线进行细化，建立的阀体有限元模型如图3 所示.

　　2.3 边界条件及载荷设置

　　环境温度设为293K，液压系统工作达到稳定状态时液压油的温度设为333K.换向阀内腔与液压油、换向阀外表面与空气分别对流换热，其中阀腔内流体可视为一稳态热源，直接在阀腔内表面施加温度载荷;阀体外表面与空气自然对流换热，对流系数取17W/(m²·K)[3].阀芯与外界没有热交换，在其表面施加温度载荷.