液压锤中换向滑阀芯液动力的计算

　　1 前言

　　当液流从滑阀阀口流出和流入时,液流和阀芯相互间产生作用力,这个作用力即为液动力。液流作用在滑阀上液动力的大小,主要决定于液流流经阀口前后的压力降以及通过阀口的流量,也就是决定液流经过滑阀所消耗的功率;功率消耗越多,则液动力越大。在滑阀移动过程中,液动力的大小和方向随阀的开口量和位移而变,即阀芯在不同的位置,有不同的液动力。液动力包括瞬态液动力与稳态液动力,在液压系统外负载大、性大、速度变化大以及换向精度要求高的情况下,在选择换向阀时应考虑液动力,主要是瞬态液动力,否则会造成液压冲击,甚至使电磁铁烧毁。在换向阀设计时,必须考虑液动力,液流作用在滑阀上的液动力对于液压系统的工作性能是不利的,它将导致操纵滑阀所需要的作用力的增加。而在用遥控阀控制换向阀位移量的液压回路里,由于液动力随滑阀位移量变化范围大,还大大降低了系统的稳定性,给滑阀的设计带来不少困难。

　　根据刚体的动量定理,如果一块固定控制体积中液流作恒定流动的流体,流体的动量定理

　　式中Q--进出控制体的流量;

　　A01,A02--动量修正系数;

　　v1,v2--流体进出控制体的流速。

　　于是得到公式

　　式(2)中,F,v1和v2均为向量。在应用时可根据具体情况,将式(2)向指定的方向上投影,即列出在该指定方向上的动量方程,从而可求出外力在该方向上的分量。

　　如果液流为非恒定的,但控制体内的流动是均匀的,则动量方程成为

　　式(3)中,是控制体内物质的动量变化率,它是在同一地点(控制体)上因时间变化而产生的,而是由于地点变化而引起的。一般称前者为瞬态力,后者为稳态液动力,下面以液压锤换向阀阀芯液动力为例进行分析。

　　2 液压锤换向阀阀芯稳态液动力计算

　　如图1所示,换向阀阀芯在该位置时,油液从阀口流入,从管道流出。选择阀腔进出口过流断面及阀腔内壁面为控制面的控制体,按恒定流动动量定理,阀芯作用于控制体的液体上的作用力

　　等式右边的负号表示阀芯所受的稳态轴向液动力的方向与v1轴向投影的正方向相反,故稳态轴向液动力的作用将使阀口关闭。图2为液压锤换向阀在工作压力为12MPa,流量为50L/min流场可视化情况,速度向量显示图。

　　从图2可以看出,对稳态液动力产生影响的实际上只有阀腔入口和出口处的轴向流动速度差,如能通过改变阀道的结构尺寸或阀道的布置,使得阀腔进出口处的轴向速度差尽可能小,就可能使得阀芯上的液动力减到最小。这是因为阀腔形状改变,阀腔内部旋涡发生了变化,在阀腔的进口处产生的一些轴向速度分量也发生了变化,阀腔出口处的轴向速度分量也有变化,图3为流体轨迹图,可以看到旋涡情况,这表明液动力确实与阀道的结构尺寸或阀道的位置有关。