液压控制阀的水击振动耦合模型研究

　　1 引 言

　　在液压系统中,液压阀是基本控制元件,其性能的优劣直接影响系统的品质,因此完善液压阀特性分析和设计理论,不断开发设计新型的液压阀,以满足生产实际中提出的各种工程技术要求,是液压技术中的重要课题之一。

　　目前在液压阀的设计计算中,常根据阀工作时液压力与弹簧力相平衡的原理,分析阀芯的受力平衡方程以及油液流量连续性、流量-压力平衡方程,得出相应液压阀的动力学模型。其中主要考虑的因素是稳态液动力和瞬态液动力。关于液压阀稳态液动力的机理研究和理论计算公式的推导研究报道较多,根据研究结果也对稳态液动力提出了很多有效的补偿措施^[1]。文献^[2~6]虽然对阀的内外流情况瞬态液动力进行了理论和实验研究,也只是给出了计算公式。Backourn[3]认为液压阀的性能主要取决于其阻力控制回路,提出了分析液压阀性能的液压阀阻力控制分析方法。它是一种分解综合分析方法,将液压阀看作由各种不同液阻以一定方式的组合,则其特性就应是每个液阻特性的综合。

　　关于水击诱发振动的液压系统动力学分析、耦合作用及其控制,前人做了大量而细致的理论工作和实践研究^[7~12]。在系统耦合振动特性的研究中,阀常作为耦合边界条件处理,主要研究阀门前管路系统耦合振动特性,建立处于执行机构和控制阀之间的管道的水击产生的机理以及水击模型,对于系统流-固耦合振动的分析仅停留在研究油液与管路的耦合,对阀芯、阀体的水击振动动态特性,实现液压阀在水击作用下的结构优化设计方面没有得到重视。由于液压阀作用时间极短,阀进行启闭动作时压力很快达到压力波动最大值,所以会产生严重的水击。阀在工作过程中,阀芯大多处于颤振运动状态,阀芯与油液的相互耦合作用使液压阀阀腔内的瞬变过程更为复杂,这是由于油液的波动引起阀芯的轴向振动,进而使阀的开口量发生相应的变化,又引起阀腔内油液的脉动,和原有脉动油液共同再次作用于阀芯,也就是说,阀的耦合运动问题是由于其本身产生,又反作用于阀,二者的稳定性和动态特征对系统冲击影响很大,对其后的输油管路和执行元件有直接的影响。因此,本文以某型舵机用三位三通换向阀为例,对阀在开启和闭合工作过程中阀芯所产生水击振动利用阀芯弹性力学理论和阀腔内油液运动的N-S方程建立的耦合模型进行研究,对于深入分析阀的结构参数设计和流道的优化设计具有重要的实际意义和理论指导意义。

　　某型舵机的液压系统结构简图如图1所示,液压控制阀为三位三通滑阀,高压油与液压缸的有杆腔相通。当阀芯向左移动时,高压油通过液压控制阀流向液压缸的无杆腔,此时在活塞两端形成差动回路连接的方式,活塞在其两端的压力差作用下向前伸出,使执行机构动作;当舵机的转向与预期的控制信号一致时,由操舵仪提供循环控制信号,控制阀阀芯向右运动,将活塞无杆腔与液压控制阀的回油腔相通,活塞在有杆腔的高压油作用下向后收缩,使执行机构复位;为执行下一个指令做好准备。在完成一个工作循环过程中,液压控制阀的高压腔内的油液流向无杆腔时,低压腔内仅存在少量的泄漏油液,而低压腔内有回油流动时,高压腔可看作为供油管路,且相对阀体而言,阀芯的动态行为对油液的影响较大,因而对液压控制阀的耦合振动微分方程的建立,只考虑阀芯与油液的耦合关系。