液压滑阀阀芯卡紧力研究

张俊俊，刘罡，王江勇

(西南科技大学制造学院，四川绵阳 621010)

液压滑阀在使用过程中经常出现阀芯卡紧故障，卡紧故障一般分为液压卡紧与机械卡紧两种［1］。液压滑阀发生液压卡紧现象非常普遍［2－3］，其主要原因是阀芯与阀套间隙内液体压强分布不均，导致液体对阀芯产生径向不平衡作用力，这个径向不平衡力即为液压卡紧力［3－4］。倒锥是产生液压卡紧故障的主要形式之一［5］。滑阀在工作时，高压腔与低压腔反复交替，因此出现倒锥是不可避免的。为了防止液压卡紧，只能进一步分析影响径向不平衡作用力的因素，并采取合理的减小措施，实际应用时一般采用开设均压槽来减小卡紧力［6］。文中利用ADINA软件对滑阀进行数值模拟，研究偏心距、锥角、均压槽的数量、位置、结构尺寸等对卡紧力的影响。

1 模型与计算条件

1.1 三维模型

图1所示为滑阀阀芯卡紧模型结构简图，具体尺寸如表1所示。R为阀套的半径，r1为阀芯凸肩的大端半径，r2为阀芯凸肩小端半径，α为锥角，e为偏心距，L为阀芯凸肩与的阀套形成的密封长度，h1为大端侧缝隙高度，h2为小端侧缝隙高度。

图1 阀芯卡紧模型

表1 卡紧模型的结构尺寸

1.2 解析假定及边界设定

分析模型具有平面对称性，为了减少计算量，只对模型的一半进行计算。流体模型为层流，并假设阀腔内的湍流流动对间隙中的层流无影响。

缝隙流场与阀芯模型的接触面设为流固耦合面;入口分别设5、10、20 MPa等3种不同的高压;出口设为大气压0.101 3 MPa。液压油的物理参数见表2，阀芯材料参数见表3。

表2 液压油的物理参数

表3 阀芯材料参数

1.3 网格划分

缝隙的厚度值远远小于缝隙的直径与长度值，对整体模型设置单元长度后，由于厚度方向上结构尺寸过小，只能划分出一层网格，这样划分的网格是不合理的。为了使计算结果更精确，在划分网格时保证了厚度方向上至少有5层网格。

2 结果与分析

2.1 无均压槽

2.1.1 偏心距对卡紧力的影响

图2所示为在倒锥模型中锥角为0.04°时，卡紧力的大小随偏心距与压差的变化情况。当压差相同时，偏心距越大卡紧力值越大;当偏心距相同时，压差越大卡紧力值越大。当偏心距与压差都大时，卡紧力值变得较大，能达到几十牛甚至上百牛。卡紧力的方向与偏心方向相同，它将推动阀芯向阀套移动，加大偏心距，直到阀芯与阀套相接触，导致阀芯卡紧。卡紧力对滑阀工作是有害的。

图2 卡紧力大小(α =0.04°)

2.1.2 锥角对卡紧力的影响

阀芯凸肩在加工时产生的几何误差，使其呈现出微小的锥角。由于加工水平的限制，锥角是不可避免的。

图3所示为在倒锥模型中偏心距为0.004 mm时，卡紧力的大小随锥角的变化情况。

图3 锥角大小对卡紧力的影响(e=0.004 mm)

从图3中可以看出:其他条件相同时，卡紧力随锥角增大而增大，但它们之间不呈线性关系。锥角大小在 0～0.01°之间，对应的圆度与圆柱度公差为1.7 μm，对卡紧力的影响很大，即卡紧力对小锥角很敏感。一般阀芯的圆度与圆柱度公差为3～5 μm［8］，如果只从提高加工精度来防止滑阀产生液压卡紧故障，就必须将锥角控制到0.01°以下才能起到较好的效果，这必将大大地增加液压阀的生产成本。

2.2 有均压槽

2.2.1 均压槽数量对卡紧力的影响

图4所示为沿阀芯轴线方向均匀开设不同数量的矩形均压槽，卡紧力的变化情况。分析模型中设置槽的深度为0.5 mm，宽度为0.5 mm。

从图4中可以看出:开设均压槽对减小卡紧力的效果比较明显，开设1条时卡紧力减小到无槽时的40%左右，开设2条时卡紧力减小到无槽时的14%左右，开设3条时卡紧力减小到无槽时的10%左右，开设4条时时卡紧力减小到无槽时的1.5%左右。同时也看出其他条件完全相同时，开设2条均压槽与3条均压槽对减小卡紧力的作用效果相当，据此推测开均压槽的位置对减小卡紧力可能存在影响。

图4 均匀开设均压槽(槽深0.5 mm，宽0.5 mm)

2.2.2 均压槽位置对卡紧力的影响

图5所示为均压槽距高压腔不同距离的分析模型，x取值为0.5～4 mm。

从图6可知，均压槽的开设位置对卡紧力的大小是存在影响的。在不同压差下，卡紧力随着均压槽位置的变化趋势基本一致，同时也可以看出均压槽开设在高压端对减小卡紧力的作用更明显。在x=1.25 mm时卡紧力最小，即均压槽在离高压腔距离为凸肩全长的1/4处时，对减小卡紧力的效果最佳。2.2.3 均压槽非均匀布置对卡紧力的影响

图5 均压槽位置

图6 均压槽位置对卡紧力的影响

从图7中可以看出:非均匀开设均压槽比均匀开设对减小卡紧力的效果好。非均匀开设时，开设1条时卡紧力减小到无槽时的13.3%左右，开设2条时卡紧力减小到无槽时的8.9%左右。

图7 非均匀开设均压槽

2.2.4 均压槽结构尺寸对卡紧力的影响

从上面计算分析可知:当其他条件完全相同时，压力差只是改变卡紧力的大小，而不影响卡紧力随某一因素变化的趋势。在以下计算分析时，只设置了入口压力为5 MPa、平衡槽位置x=1.25 mm时的一种模型。图8所示为均压槽宽度为0.5 mm时，卡紧力的大小随槽深的变化情况。

从图8可知:槽的深度太浅达不到减小径向力的目的，槽的深度过大虽能起到减小径向力的作用，但会影响阀芯的强度，槽深取0.4 mm时卡紧力达到最小。

图9所示为均压槽深为0.4 mm时，卡紧力的大小随槽宽的变化情况。

图8 平衡槽深度对卡紧力的影响(槽宽0.5 mm)

图9 均压槽宽度对卡紧力的影响(槽深0.4 mm)

从图9可以看出:槽的宽度太小达不到减小卡紧力的目的，槽的宽度过大能虽能起到减小卡紧力的作用，但会增大液压油的泄漏，槽宽取0.3 mm比较理想。

3 结论

液压滑阀的阀芯存在几何误差和阀芯阀套配合存在同轴度误差，当滑阀工作时，阀芯阀套的配合间隙中的液压油将对阀芯产生卡紧力，不利于滑阀正常工作。

当其他条件一样时，偏心距越大卡紧力越大、压力差越大卡紧力越大。卡紧力对小锥角比较敏感，小锥角在加工中是不可避免的。如果只是用提高加工精度的方式来减小卡紧力所能起到的效果不太明显。因此应同时采取其他方法减小卡紧力。

阀芯上开设均压槽有助于减小卡紧力。均压槽开设在离高压端距离为凸肩全长的1/4处，卡紧力能达到最小;沿阀芯轴线方向非均匀开均压槽比均匀开设对减小卡紧力的作用更明显。均压槽的宽度为0.3 mm、深度为0.4 mm时减小卡紧力的效果比较理想。

［1］王丽梅，刘宝田.液压换向阀阀芯卡紧故障分析［J］.液压与气动，1999(3):38－39.

［2］赵艳平.圆柱滑动副中液压卡紧力的解决方案［J］.流体传动与控制，2005(11):11－13.

［3］杨存花.液压卡紧的原因及其消除措施［J］.有色冶金节能，2003(4):50－51.

［4］王丽梅，刘宝田.液压换向阀阀芯卡紧故障分析［J］.液压与气动，1999(3):38－39.

［5］雷天觉.液压工程手册［M］.北京:机械工业出版社，1990:8－31.

［6］陈奎生，周雯娟，郭媛，等.基于Fluent的液压滑阀阀芯卡紧力研究［J］.机床与液压，2011，39(15):113 －115.

［7］左倩.液压卡紧现象浅析［J］.扬州职业大学学报，1998(2):24－27.