基于新型旋转高速开关阀的内部流场分析及研究

摘要

在液压控制系统中，高速开关阀是20世纪80年代发展起来的一种新型数字电液转换控制元件，工作于开关两种状态，具有控制精度高、响应速度快、能量损失小以及提供数字接口便于计算机连接控制等特点，应用范围非常广泛。但是，由于高速开关阀自身的特点，存在大流量与快速响应两个性能之间存在矛盾，而无法满足大功率液压系统的需求。
　　 本文研究一种新型旋转高速开关阀，无需外加驱动，无需加速减速换向等操作，利用流体自身动能冲击阀芯夹心节螺旋叶片使阀芯获得动力旋转，随着阀芯旋转，螺旋叶片交织结构使得流体选择性的流向应用或流回油箱，通过改变阀芯的轴向位置调节PWM输出，PWM从0到100％可调，流量可达40L/M，开关速度3.4毫秒。轴向控制系统是由单片机、摆线泵和H桥电路组成，把阀一端的液压油抽到另一端来实现阀芯的轴向位移，从而实现流量输出PWM控制。通过分析新型旋转高速开关阀的原理，阀体参数之间的几何关系，分阀芯和阀套两个主要零件设计新型旋转高速开关阀，利用Proe软件参数化建模。阀套上有流体入口，三个喷嘴和四个孔特征。阀芯分夹心节和两个输出导向节(一个流向应用，一个流回油箱)，夹心节上主要设计是六个螺旋叶片。通过对阀芯自旋转动力进行分析，在夹心节上设计阀芯螺旋叶片的轨道。为了提高开关响应速度，本文提出优化旋转高速开关阀提高阀芯旋转速度的两种方法，利用导向节开槽和减小喷嘴面积，结合ANSYS/WORKBENCH提供的Fluid Flow(Fluent)模型对阀内部流场进行仿真。仿真结果表明，可以利用在输出导向节的设计来增加阀芯的自旋转动力，利用流体自身动能提高阀芯自旋转速度，从而提高了阀的开关频率。优化后，在喷嘴上的压力损失为0.36Mpa，输出导向节的压力损失为0.2Mpa，增加了导向节的压力损失的同时，阀芯旋转速度由51HZ提升到81HZ，开关响应速度由5.4毫秒提升为3.4毫秒。根据仿真结果设计出新型旋转高速开关阀的虚拟变量泵系统，研究该系统的能量损失，结果表明，基于新型旋转高速开关阀的虚拟变量泵系统比比例阀节流控制系统更优越。