液壓閥芯上的作用力

1、液壓閥芯上的作用力1液壓力在液壓元件中，由于液體重力弓I起的液體壓力差相對(duì)于液壓力而言是極小的，可以忽略不計(jì)，因此，在計(jì)算時(shí)認(rèn)為在同一容腔中液體的壓力相同。例：錐閥閥芯受到的液壓作用力(閥座有倒角的)當(dāng)x=0時(shí)，閥芯受到的液壓力為F = 4 d 2 - p當(dāng)x0時(shí)，閥芯受到的液壓力有兩部分組成F=F1+F2受pl作用的液壓力F1:r = 0.5d 一 x sin a cos a = 0.5(d - x sin 2a)兀F = nr2 p = (d 一 x sin 2a) 2 p受閥座倒角處壓力p的液壓力F2 :r = 0.5d - x sin以 cos以=0.5(d - x sin 2以),d

2、 d d,/ 2兀r - x sin以-v = 2兀r - x sin以-v = q流量連續(xù)方程一 一.D、一 一一 一，、一q = C nd x sin a(p - p )閥口流量壓力方程d + d.dd - x sin 2以丫 2.dd - x sin 2以丫 2(Pi - P2)iV =Cm、：(p -p ),d - x sin 2以 212PV 2PV 2衰-伯努利方程.二 + 衰-伯努利方程Dg2gDgD (P = P + V 2 - V2=P1 =P1 + (P1- P2 )(DCd 2 (、2F = jr 2p2nrdr =上述計(jì)算比較復(fù)雜，如果閥座上的倒角尺寸較小，則工程上可以

3、簡(jiǎn)化計(jì)算：即用中 經(jīng)來(lái)簡(jiǎn)化計(jì)算液壓力：F = 4d 2 p，其中d =2閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力以滑閥為例1穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分析將牛頓第二定律改寫(xiě)為動(dòng)量定理:& = d&v)dt ,式中的F，v為向量。在定常不可壓縮情況下，dt時(shí)間內(nèi)，控制體內(nèi)部液體的動(dòng)量變化為0，流入和流出控制體的質(zhì)量為m=p qdt，動(dòng)量為別為：P q vi, P q v2所以動(dòng)量定理表示為： F = P q（ V2 - V1），注意，式中的F, V1, V2是向量。2.1直進(jìn)斜出式圖（a）所示狀況，控制體在X方向受到的夕卜力為：F - p q(v cos a - v cos90 0)= p qv cos a 工、，-X22122，

4、方向?yàn)閄正方向。環(huán)形閥口的平均流速%=q,偵，閥口流量壓力方程q = Cd DX/ P , 所以流速V2 = Cd腴燦/P，式中K = 2CdCd D C0S a2，稱K為液動(dòng)力系數(shù)。根據(jù)牛頓第三定律，控制體對(duì)閥芯的作用力Fs的方向與Fx的相反，即Fs=-Fx , Fs是穩(wěn)態(tài)流動(dòng)的液體對(duì)閥芯的作用力，稱為穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力。由圖（a）知，該穩(wěn)志液動(dòng) 力的方向使閥口趨于關(guān)閉。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小Fs K AP X (液動(dòng)力系數(shù)K = 2CdCd D C0S a )正比于閥口開(kāi) 度x,穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力相當(dāng)于剛度為K詢的液壓彈簧。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小1穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力分析2.2斜進(jìn)直出式圖（b）所示狀況，控制體在X方向受到的夕

5、卜力為：，方向?yàn)閄負(fù)方向。F = pq(v cos90 0 - v cos a ) = -pqv cos a x21111，方向?yàn)閄負(fù)方向。則控制體對(duì)閥芯的作用力Fs的方向?yàn)閄正方向，圖（b）所示，同樣，該穩(wěn)志液動(dòng)力 的方向使閥口趨于關(guān)閉。2.3不完整閥腔式圖（c）所示為不完整閥腔結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力大小及方向與圖（b）所示的相同，F(xiàn)s = _Fx = P qv1 cos a1 ,該穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的方向仍然使閥口趨于關(guān)閉。但閥芯還受到向左的靜壓力作用，液體對(duì)閥芯的合力為：=pqv cos a - p =pqv cos a - p D 2，該合力的方向取決于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力與靜壓作用力之差，所以閥口可能趨于

6、閉合，也可能趨于開(kāi)啟。由上述分析可知穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的特性如下: 無(wú)論閥腔是否完整，穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的方向總是使閥口趨于關(guān)閉。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小為Fs = K Z x , K為液動(dòng)力系數(shù)，K = 2CR D cos a2.4錐閥閥芯的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力F = p q(v cos a 一 v cos90o) = p qv cos a又 q = C 兀 Dx sin a.J2Ap / p, v = q / (兀 Dx sin a) = C /2Ap / pF = C2K D sin 2a p - x = K p - xx d所以 K = C2 兀 D sin 2aF =- F =- K Ap xsx錐閥芯受到的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)

7、力為：式中液動(dòng)力系數(shù)爪=守Dsin2a可見(jiàn)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力使錐閥芯趨于關(guān)閉。2.4穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力總結(jié)總結(jié)：1）閥口處流速若不與閥芯軸線垂直，則閥芯軸向受到穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力作用，穩(wěn)態(tài)液 動(dòng)力的方向總是使閥口趨于關(guān)閉；2）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小為F K AP *，式中x為閥口的軸向開(kāi)口量，Ap為 閥口的前后壓差，K為液動(dòng)力系數(shù)，圓柱滑閥的K為K = 2C3 D COs a，其中a是 閥口流速與閥芯軸線的夾角；錐閥的K為K =勺D sin 2a，其中2a是錐閥芯的錐 角。3滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的補(bǔ)償措施3.1特殊閥腔形狀，補(bǔ)償（減?。B(tài)液動(dòng)力3滑閥穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的補(bǔ)償措施3.1特殊閥腔形狀，補(bǔ)償（減?。B(tài)液圖（a）所示，壓力腔的穩(wěn)

8、態(tài)液動(dòng)力=1為：Fsi P q2 |V2,方向?yàn)閄負(fù)，指向左;回油腔的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力F s 2為：F =p q （v - v ），方向?yàn)閄正，指向右，抵消壓力腔的液動(dòng)力。若閥芯兩端頸部的 ，方向?yàn)閄正，指3.2閥套上開(kāi)多個(gè)徑向小孔，補(bǔ)償（減小）穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力當(dāng)液流進(jìn)出控制體的射流角為90度時(shí)，則不會(huì)產(chǎn)生軸向液動(dòng)力。圖（b）所示，將 閥套上的通油孔用多個(gè)徑向小孔來(lái)代替，只有那個(gè)未完全開(kāi)啟的小孔產(chǎn)生液動(dòng)力，已開(kāi) 啟的那些小孔不會(huì)產(chǎn)生液動(dòng)力，所以穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力就大為減小。4瞬態(tài)液動(dòng)力閥口開(kāi)度變化時(shí)流量也變化，閥腔內(nèi)的流速 隨之改變，閥腔內(nèi)的液體質(zhì)量由于慣性將對(duì)閥 芯產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)作用力一瞬態(tài)液動(dòng)力。其作用 方向始

9、終與閥腔內(nèi)液體的加速度方向相反。若閥口增大，液流向外流動(dòng)，圖（a）所示， 閥腔內(nèi)液體的加速度向右，作用在閥芯上的瞬 態(tài)液動(dòng)力向左，使閥口趨于關(guān)閉；若閥口增大，液流向內(nèi)流動(dòng)，圖（b）所示， 閥腔內(nèi)液體的加速度向左，作用在閥芯上的瞬 態(tài)液動(dòng)力向右，使閥口趨于開(kāi)啟，此時(shí)瞬態(tài)液 動(dòng)力對(duì)閥芯的運(yùn)動(dòng)是個(gè)不穩(wěn)定的因素。瞬態(tài)液動(dòng)力Fi可根據(jù)動(dòng)量定理計(jì)算。F = dt ，其中m =P AL 當(dāng)壓差M為常數(shù)時(shí)，將q = CJ Dx*p / P代入動(dòng)量定理表達(dá)式，得 廠 d （mv）* d （Av）* dq 八 ,_；dx 打 dxF = _ = pL d 7 = pL尋=Cd兀DLIpp司=K 云上式表明，瞬態(tài)液

10、動(dòng)力與滑閥的位移速度成正比，因此它取到粘性阻尼的作用。在閥芯受到的各種作用力中，瞬態(tài)液動(dòng)力所占的比例不大，只在分析高響應(yīng)閥（伺服閥 或比例閥）時(shí)才予以考慮。5滑閥閥芯受到的液壓側(cè)向力滑閥閥芯臺(tái)肩的理論表面是圓柱，因制造誤差而實(shí)際表面可能是圓錐，順錐時(shí)（小頭高壓大頭低壓）閥芯會(huì)自動(dòng)與孔軸線同軸。當(dāng)圓錐大頭高壓、小頭低壓（倒錐）時(shí)，閥芯受到不平衡徑向力使閥芯偏離到孔軸線一側(cè)，加大閥芯與孔表面摩擦，閥芯可能會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。倒錐時(shí)的側(cè)向力為頭高壓大頭低壓）閥芯會(huì)自動(dòng)與孔軸線同軸。當(dāng)圓錐大頭高壓、小頭低壓（倒錐）時(shí)，閥芯受到不平衡徑向力使閥芯偏離到孔軸線一側(cè)，加大閥芯與孔表面摩擦，閥芯可能會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象。倒錐時(shí)的側(cè)向力為F =* （乙乙）5-1r4e*A +1）2 - 4e2式中，e-閥芯對(duì)閥體孔的偏心距；-偏心距為0時(shí)臺(tái)肩大端的徑向間隙。t一閥 芯臺(tái)肩大小頭半徑之差；L-臺(tái)肩長(zhǎng)度；D一閥芯臺(tái)肩名義直徑。在閥芯臺(tái)肩上開(kāi)周向均壓槽，均壓槽的深度和寬度一般為0.3-1mm。槽內(nèi)液體壓力處 處相等，起徑向平衡作用，基本消除液壓側(cè)向力，因此閥設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際上均不計(jì)算液壓 側(cè)向力。6彈性力在液壓閥中，彈簧的應(yīng)用極為普遍。與彈簧相接觸的閥芯或其它構(gòu)件上所受到的彈 性力為 （x - x）式中，k -彈簧剛度；x 0