板状阀芯旋转式四通换向阀

韩冬，龚国芳，刘毅，廖湘平

(浙江大学流体动力与机电系统国家重点实验室，浙江杭州310027)

疲劳试验是指用低于破坏强度的载荷对被测物体进行长时间振动加载，直到物体发生疲劳机械损坏［1］。疲劳试验对于设计各类承受循环载荷的机械结构以及分析材料、零部件甚至整个构件的力学性能是最客观、最直接的实验途径，它广泛应用于交通运输、航空航天、机电系统等关系国计民生的工程技术领域［2－3］。

激振器是疲劳试验的关键元件，按照驱动方式的不同，激振器主要分为机械式、电动式、电磁式和电液式，其中电液激振器因具有激振力大、结构牢靠、抗横向负荷能力强、可控性好等优点被广泛应用于重载、大功率场合［4］。目前常用的电液激振器主要是在电液伺服阀控制信号输入端输入振动激励信号，阀芯作往复运动，阀口大小发生周期性变化，控制液压执行元件作往复运动，实现振动。由于受到现有伺服阀阀芯往复结构原理的限制，难以解决过流面积、阀芯行程与振动频率和波形的矛盾，即使采用工艺复杂、价格昂贵、对油液污染极其敏感的三级电液伺服阀，其频宽也难以取得较大突破，振动波形的控制更是难以实现。

近年来，国内外学者设计具有结构简单紧凑、可靠性高、工作频率高、抗油液污染等优点的液压转阀来替代电液伺服阀，如美国的LEONARD 设计的转轴式液压转阀［5］、美国的George HOCHREIN 等设计的轮齿式液压转阀［6］、浙江大学研制的平衡台阶式液压转阀［7－8］、浙江工业大学研制的2D 数字电液四通换向阀［9－13］等。但是现有的阀芯旋转式四通换向阀一般采用在阀芯台肩的一侧或两侧开设凹槽的结构，通过阀芯的旋转实现换向功能，在高频工况下流量较小，且由于液压流道的非对称性，现有的阀芯旋转式四通换向阀的轴向液动力也较大。

设计了一种板状阀芯旋转式四通换向阀，它既克服了传统电液伺服阀频宽低、波形控制难等缺点，又克服了现有液压转阀高频工况下流量较小、轴向液动力较大的缺点，是一种阀口开度变化连续、线性度好、高频工况下流量大的新型结构液压转阀。

1 工作原理

图1所示为板状阀芯旋转式四通换向阀结构原理图，阀体的4 个侧壁上依次开有径向的进油口、A口、出油口和B 口，阀套的壁上对应地开有与进油口、A 口、出油口和B 口相匹配的阀套窗口，阀套还开有对应地与进油口、A 口、出油口和B 口连通的4个贯通的轴向流道，4 个轴向流道均为形状相同的扇形，并沿着阀套的周向等间隔分布。

图1 板状阀芯旋转式四通换向阀结构原理图

阀芯的一端伸出端盖外，通过联轴器与步进电机连接。阀芯以阀体的中心横截面为对称面设有两个对称的板状台肩，每个台肩的外端面设有两个扇形凸台，两个扇形凸台沿圆周方向的位置差所对应的圆心角为180°。所述凸台将台肩的外端面与端盖之间形成的容腔分隔成互不相通的第一腔和第二腔。沿台肩圆周方向上还等间隔地设有4 个扇形轴向通孔，通孔的形状与轴向流道的形状完全相同。台肩上相邻通孔与凸台沿圆周方向的位置差为45°。如图2所示为板状阀芯通孔与阀套轴向流道口导通关系示意图。

图2 板状阀芯通孔与阀套轴向流道口导通关系示意图

步进电机驱动板状阀芯匀速旋转，板状阀芯通孔的过流面积大小呈周期性变化，油液进出换向阀的流量大小及方向也随之发生周期性变化。根据阀芯、阀套的结构及板状阀芯通孔与阀套轴向流道的配合导通关系，可得到该换向阀的工作频率为:

式中:n 为阀芯转速，r/min。

2 阀口特征

板状阀芯通孔和阀套轴向流道口为形状相同的扇形，单个板状阀芯通孔或阀套轴向流道口所对应的圆心角为β。根据图2所示的导通关系示意图可得到阀口过流面积表达式:

式中:γ 为阀芯旋转角位移，rad;r1为单个板状阀芯通孔或阀套轴向流道口的长弧边半径，m;r2为单个板状阀芯通孔或阀套轴向流道口的短弧边半径，m;m=0，1，2，3，…。

如图3所示为板状阀芯通孔和阀套轴向流道口配合导通的过流面积，可看出:过流面积在(2m+1)β 处取最大值，阀口开度变化连续，且过流面积A 和旋转阀芯角位移γ 在整个工作范围内严格呈正比关系，线性度好，增益恒定。

图3 板状阀芯通孔和阀套轴向流道口的导通过流面积

3 理论模型及分析

3.1 转阀的静态特性

由式(1)可知阀芯的旋转周期为:

阀芯旋转时，板状阀芯通孔和阀套轴向流道口周期性配合的过流面积随周期变化，在时间内，板状阀芯通孔和相邻一侧阀套轴向流道口连通;在时间内，板状阀芯通孔和相邻另一侧阀套轴向流道口连通，过流面积函数和时间内的相同，因此只取时间范围内进行分析。阀口开度为:

假设理想零开口转阀是匹配且对称的，则压力－流量特性方程为:

式中:Cd为流量系数;ps为系统供油压力，Pa;pL为系统负载压力，Pa。

根据压力－流量特性方程得到的无因次压力－流量曲线如图4所示。可以看到:在压力比为0 处各曲线之间的等距性好，这说明该转阀的流量增益线性化程度高，也进一步验证了过流面积A 和旋转阀芯角位移γ 在整个工作范围内严格呈正比关系。

图4 无因次压力－流量曲线

3.2 转阀的受力分析

由P 口流进的液压油通过对应的阀套窗口进入对应的阀套轴向流道后分成对称的两路，所以轴向液动力理论上很小，可以忽略不计。根据动量定理，两路对称的液压油流入或者流出第一腔或第二腔时由周向力产生的稳态液动力矩为:

式中:ρ 为液压油密度，kg/m3;q 为通过阀口的流量，m3/s;v 为阀口的射流速度，m/s;α 为射流角，即射流方向与阀口径向之间的夹角，rad。

根据伯努利方程，通过阀口的流速可以表示为:

式中:Cv为速度系数;Δp 为阀口两端的压差。

通过扇形阀口的流量可以利用薄壁小孔的流量公式得:

根据上述式子可得到:

根据牛顿公式，可得到液压转阀阀芯与阀套之间的黏性摩擦力矩为:

式中:μ 为黏性系数，Pa·s;hs为阀芯与阀套之间的轴向间隙，m;rs为板状阀芯台肩半径，m。

3.3 转阀的频响特性分析

图5 和图6所示分别为不同阻尼系数下液压转阀的阶跃特性与幅频特性。增大阻尼系数B 可以有效抑制转阀输出流量的超调和振荡，降低流量阶跃的调整时间，对转阀的稳定工作有利，但是随着阻尼系数B 的增大，液压转阀的频宽变窄，响应速度减慢。所以要通过调节阀芯阀套间的径向间隙、改变阀芯半径等方法，在一定范围内调整阻尼系数，以兼顾转阀工作的稳定性和快速性。

图5 不同阻尼系数下液压转阀的阶跃响应

图6 不同阻尼系数下液压转阀的幅频特性

4 结论

(1)板状阀芯旋转式四通换向阀结构新颖，轴向液动力小，过流面积和旋转阀芯角位移严格呈正比，线性度好，增益恒定。

(2)大阻尼系数B 可以降低转阀输出流量的超调和振荡，减少流量阶跃的调整时间，但是频宽变窄，可以通过调节合适的阻尼系数，兼顾转阀工作的稳定性和快速性。

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【3】POOK L P.Metal Fatigue:What It Is，Why It Matters［M］.Dordrecht:Springer Press，2007.

【4】张玮昌.激振设备及其应用［J］.电动工具，2003(4):7－12.

【5】LEONARD Marcus B.Rotary Servo Valve:US，5954093［P］.1999.

【6】HOCHREIN Bradley George，OFFERLE Timothy Gerad.Rotary Valve:US，6499507B1［P］，2002.

【7】唱一丹.双向旋转比例电磁铁及旋转伺服阀的研究［D］.杭州:浙江大学，1989.

【8】张光琼，唱一丹.双向极化式比例电磁铁及其静、动态特性研究［J］.防爆电器，1989(4):28－32.

【9】阮健，裴翔，李胜.2D 电液数字换向阀［J］.机械工程学报，2000，36(3):86－89.

【10】阮健，裴翔，姜伟.2D 电液数字换向阀的实验研究［J］.机床与液压，1999(5):12－13.

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