先导式海水液压减压阀静态性能分析

　　定压输出减压阀的功能是将出口压力调节到低于进口压力,并在通过阀的流量或进出口压力发生变化时维持出口压力基本稳定,属于压力控制元件。目前,在水液压溢流阀方面,丹麦的Danfoss公司、德国的Hauhinco公司、日本的Kayaba公司、芬兰的HYTAR OY公司等均有产品供应市场。但关于海水液压减压阀的文献资料仍十分欠缺[1-2]。介绍了一种适用于海水或淡水等低粘度流体作为工作介质的先导式海水液压定值输出减压阀。对其关键技术问题进行了总结,对其静态特性进行建模仿真分析。

　　1 关键技术及结构原理

　　海水介质具有强腐蚀性、低粘度和汽化压力高等特性,这给海水液压减压阀的研制带来了一系列的挑战,其关键技术问题除了腐蚀、泄漏、气蚀和拉丝等水压控制元件普遍面临的问题之外[3-4],还具有以下特殊问题:1)泄漏量的控制 对于先导式减压阀,其先导阀的出口不能直接与主阀的出口相连,而需要单独接回水箱或容器,特别是对氨水等有毒性液体,更希望泄漏流量越小越好,从而更有利于进行控制。2)振动与冲击 液压系统一般都是欠阻尼的,而海水的密度比油大,压缩性和粘度比油小,对于减压阀、调速阀(其实质为定差减压阀和节流阀串联)等带有内部反馈调节的控制阀类,其振动和冲击问题更突出,从控制角度而言,存在较严重的稳定性问题。

　　针对这些问题,设计了一种结构原理如图1所示的海水液压减压阀。该阀的设计指标为额定压力15 MPa,额定流量40 L/min,出口压力10~14 MPa。由于工作介质为海水、淡水甚至氨水等有毒性液体,泄漏流量要求小于0.2 L/min。该阀具有以下结构上的特点:1)主阀采用了滑阀形式,先导阀采用了锥阀形式;2)针对冲击和振动,主阀和先导阀均设置了阻尼器;3)针对先导阀口压差大,气蚀状况严重,采用了二级节流形式等,如图2所示。

　　2 数学模型

　　为了便于数学模型的建立,做以下假设处理:1)忽略内泄漏;2)假设没有气蚀和拉丝等难以确定因素影响;3)假设介质均匀且无杂质;4)工作环境稳定且良好;5)假设先导阀外泄漏口压力为0[5-6]。

　　1)主阀口流量方程

式中,q为主阀入口流量;c_dm为主阀阀口流量系数;d_m为主阀芯直径;A为主阀芯半锥角;p₁、p₂分别为主阀进口和出口压力。

　　2)主阀阀芯受力平衡方程

 （2）

式中,p₃为主阀中间腔压力;k_m为主阀弹簧刚度系数;x_m为主阀阀芯位移;x_mo为主阀弹簧预压缩量;x_mop为主阀芯最大开度。

　　3)主阀阻尼塞流量方程

式中,l_m为阻尼塞长度;q_md为通过阻尼塞流量;L为介质动力粘度; d₁为主阀阻尼塞中间通孔直径。