一种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法

摘要

一种改变水压机进水阀芯的流量-位移非线性的方法，其主要是：根据进水阀芯的阀杯进水口排布，对进水阀芯的流量-位移特性进行数学建模；运用MATLAB软件程序分析，确定重合度y值进而确定阀杯进水口排布形式使进水阀芯流量-位移非线性最小；在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯几何模型，将在Gambit软件中建立的模型导入Fluent中进行流场分析求解，Fluent流场仿真得出阀杯进水口排布改变前后的流量-位移曲线。采用本发明调整后的水压机进水阀芯可更准确地控制活动横梁速度，减小压机振动，提高锻件质量。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水压机进水阀芯阀杯，针对所述进水阀芯阀杯提出了一种改变 其流量-位移非线性的方法。

背景技术

锻造水压机正常锻造时，它的工作循环包括“快下(充液)-减速-工进-卸压-快 回”，这个工作循环通过主分配器实现，而主分配器关键元件是进水阀芯和排水阀， 即开启和关闭相应的进排水阀，控制水压机活动横梁的动作，决定水压机的工艺加 工过程。充液行程时，主分配器回程缸排水阀开启，活动横梁靠自重下降，低压

补偿器中的液体经充液阀进入工作缸，实现活动横梁空程向下的充液行程；工 进行程时，主分配器工作缸进水阀芯打开，高压液体进入工作缸，实现对工件加压， 此时，回程缸排水阀继续打开排液；回程时，工作缸进水阀芯关闭，随后主缸排液 阀打开卸压，进而回程缸进水阀芯打开，高压液体进水回程缸，打开充液阀，活动 横梁在高压液体作用下向上运动，使工作缸中的液体排入充液罐或低压补偿器；悬 空时，工作缸排水阀继续打开，工作缸通低压，此时回程缸进水阀芯和排水阀都关 闭，液体封闭在回程缸内，故活动横梁可停在任意位置。

从上述水压机的工艺加工过程中看出，进水阀芯是主分配器的关键部分，进水 阀芯的结构决定水压机锻造工件时的流量，即锻造速度。现有的进水阀芯结构流量 随开口度变化的线性度较差，这就造成锻造过程中系统速度不稳定，影响锻造精度。

在水压机操作系统中，由于流量和压力大，进水阀芯采用锥阀结构，阀杆以锥 面与阀座相研配，阀杯上开有进水口，阀杆上面有弹簧压住，下端伸出分配器，两 端均有密封装置及导套。

为了能较准确的控制水压机活动横梁的工进速度，在进水阀芯的阀杯上开设数 排小孔，当阀门开启高度不同时，通流面积也不同，以此来控制水压机流量，从而 控制活动横梁的工作速度。

传统进水阀芯阀杯上开孔的方式有三种：

(1)孔径相等，多排均匀分布，相邻两排孔之间的间距相等；

(2)孔径相等，多排不均匀分布，从下往上，每排孔数逐渐增多，相邻两排孔之 间的间距相等；

(3)孔径不等，从下往上逐渐增大，相邻两排孔之间的间距相等。

从实际加工和实用经验得出：后者便于较准确的控制活动横梁速度，前两者则 便于加工。

机械工业部进水阀芯标准JB2025-84中，水压机进水阀芯阀杯采用上述第(1)种 开孔方式，但是随着阀芯位移的增大，其流量呈现明显的非线性波动，不能准确地 控制水压机活动横梁速度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在便于加工的前提下，改变进水阀芯流量-位移非线 性，从而更准确地控制活动横梁速度，减小压机振动，提高锻件质量的一种改变水 压机进水阀芯流量-位移非线性的方法。

本发明主要是：根据进水阀芯的阀杯进水口排布，对进水阀芯的流量-位移特性 进行数学建模；运用MATLAB软件程序分析，确定重合度y值进而确定阀杯进水口 排布形式使进水阀芯流量-位移非线性最小；在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水 口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯的几何模型，将在Gambit软件中建立的模型导 入Fluent中进行流场分析求解，Fluent流场仿真得出阀杯进水口排布改变前后的流量 -位移曲线。

本发明涉及的主分配器的进水阀芯结构与现有技术基本相同，即主要包括：导 杆、弹簧、螺母、螺塞、阀杯、螺钉、卸压阀、阀座、导套、支撑环、阀、限位螺 塞、密封座、支撑环、挡板、调节套和螺母。其中，上述阀杯下筒壁上设有若干排 圆形进水口，每排进水孔数目相同，所有进水孔直径相同，每两排进水孔之间交错 排布，每两排进水口之间面积在轴向有一定重合度。

上述进水阀芯工作过程分为开启和关闭两个阶段，具体过程：开启过程包括预 开启和全开，开启力作用在卸压阀阀杆上，卸压阀首先开启，阀上腔高压通过限位 螺塞、卸压阀阀口和阀上的泄压槽卸掉，而阀杯上端进水口不能补充阀上腔卸掉的 压力，从而阀上腔高压变成低压，完成预开启；预开启之后，用较小开启力将阀完 全打开，阀全开后，高压水从阀杯上的若干排进水口流入，从出水口流出，进水口 工作的排数由阀的位移决定，当阀的位移一定时，进水口数目确定，从而决定进水 阀芯的通流面积，通流面积即可确定进水阀芯的流量；关闭过程也分为两个阶段， 首先关闭卸压阀，然后在弹簧力和进水阀芯进水口进来的高压水的液压力共同作用 下，阀安全关闭。

本发明改变进水阀芯流量-位移非线性的方法，主要包括三方面：数学建模、软 件程序分析、流场分析验证软件程序分析。

1.数学建模

根据上述阀杯进水口排布计算通流面积：

(1)当0<x<(2r-yr)时，有

$A=m\left\{\arccos \right[(r-x)/r]-\sqrt{2\mathrm{rx}-x^2}(r-x)\}$

(2)当[2nr-(n-1)yr]<x<[2(n+1)r-(n+1)yr]时，其中n=1,2,3...(N-1)，有

$A=m\left\{r^2\arccos \right\{[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}+{\mathrm{n\pi r}}^2\}$

(3)当(2nr-nyr)<x<[2nr-(n-1)yr]时，其中n=1,2,3...(N-1)，有

$A=m\left\{r^2\arccos \right\{[r-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]/r\}-\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]\}$

$\sqrt{2r[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}+r^2\arccos \left\{\right[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}$

$-[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-{(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}^2}+(n-1)\pi r^2\}$

(4)当(2nr-nyr)<x<[2nr-(n-1)yr]时，其中n=N，有

$A=m\{(n-1)\pi r^2+r^2\arccos \{[r-(x-8r+4\mathrm{yr})]/r\}-$

$\sqrt{2r[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}$

$\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}\left]\right\}\}$

重合度表达式：

$y=\frac{2r-L_r}{r}$

其中，r为进水孔半径；y为两排孔之间的重合度；x为进水阀芯的开口度；N 为进水孔总排数；m为每排孔的个数；A为通流面积；L_r代表为相邻两排进水孔圆心 之间的距离。

根据流量计算公式:

$q=C_{q}A\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

其中：q为流量；C_q为流量系数；A为通流面积；ρ为液体密度；ΔP为阀口前后 压差；得到进水阀芯“流量-位移”的计算公式:

(1)当0<x<(2r-yr)时，有

$q=C_{q}m\left\{\arccos \right[(r-x)/r]-\sqrt{2\mathrm{rx}-x^2}(r-x)\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(2)当[2nr-(n-1)yr]<x<[2(n+1)r-(n+1)yr]时，其中n=1,2,3...(N-1)，有

$q=C_{q}m\left\{r^2\arccos \right\{[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}$

$+\mathrm{n\pi }{r}^2\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(3)当(2nr-ny)<x<[2nr-(n-1)y]时，其中n=1,2,3...(N-1),有

$q=C_{q}m\left\{r^2\arccos \right\{[r-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]/r\}-\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]\}$

$\sqrt{2r{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}+r^2\arccos \left\{\right[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}$

$-[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-{(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}^2}+(n-1){\mathrm{\pi r}}^2\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(4)当(2nr-nyr)<x<[2nr-(n-1)yr]时，其中n=N,有

$q=C_{q}m\{(n-1)\pi r^2+r^2\arccos \{[r-(x-8r+4\mathrm{yr})]/r\}-$

$\sqrt{2r[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}$

$\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}\left]\right\}\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

2.软件程序分析

利用MATLAB软件对上述流量-位移计算公式进行编程，该MATLAB软件编程过程 如下：

①.声明变量

定义变量:r-进水孔半径、N-进水孔总排数、x-阀芯位移、A-通流面积、y-重合 度、Cq-流量系数、m-每排孔的个数、q-流量、p-压差、d-密度。

②.给变量赋值

例如：令r=4，N=5，m=30等。通过为重合度y赋不同的数值，可以得到不同重合 度下的流量-位移曲线。

③.根据理论计算公式编程

分别根据上述进水阀芯“流量-位移”计算公式（1）、（2）、（3）、（4）进行编程， 可绘制出重合度y取不同值时的流量-位移曲线。从曲线中可以观察出y值的大小对 流量-位移的非线性有很大影响，在保证阀杯中任意两孔之间的壁厚尽量大的前提下， y值越大，流量-位移的非线性越小，即线性度越好。

利用上述MATLAB程序分析，可以确定重合度y值，进而确定了阀杯的进水孔结 构排布。

3.流场分析验证软件程序分析结果

(1)Gambit建模

a.建立几何模型  在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模 型和原进水阀芯的几何模型，由于所建立模型是中心对称的，取其中1/m(m是每排 进水孔的个数)进行分析，节省计算机运行时间，提高运算效率且不影响分析结果；

b．划分网格  对上述几何模型划分网格，进水口处网格适当加密，保证计算精 度；

c．为模型设定恰当边界条件  对上述模型的设定恰当的边界条件，进口边界类 型PRESSURE_INLET，出口边界类型PRESSURE_OUTLET。

(2)Fluent流场分析

将在Gambit中建好的模型导入Fluent中进行流场分析求解。

a.设定解算器  采用默认形式：稳态的隐式分离方法。

b.设定数学模型  采用标准k-ε模型

c.设定物料属性  物料属性为水的属性，密度998kg/m³，动力粘度 μ＝1.01×10^-3Pa·s。

d.初始条件设定压力入口压力是32000000Pa，压力出口压力是30000000Pa。

e.设定收敛标准和迭代次数各变量收敛残差设为10^-3，初始迭代次数根据具体 模型设置。

设定好上述参数后进行迭代计算，直到计算收敛，保存数据。

改变模型中的阀芯位移，重复上述过程，可以得到不同阀芯位移时的流场分析 结果，从保存的数据中提取不同阀芯位移对应的流量值，对所得数据进行处理，可 以分别得到两个模型的流量-位移曲线，从曲线中也可以看出改变阀杯结构的进水阀 芯流量-位移的非线性相比原进水阀芯大大减小，从而验证本方法的正确性。

附图说明

图1是DN100进水阀芯主视剖面示意简图；

图2是DN100进水阀芯的阀杯主视剖面示意简图；

图3是图2的C-C视图；

图4是图2的局部展开图；

图5是MATLAB计算得出的流量-位移曲线图；

图6是Gambit建立的y=0DN100进水阀芯几何模型图；

图7是Gambit建立的y=0.9DN100进水阀芯几何模型图；

图8是Fluent仿真得出的流量-位移数值及曲线图。

附图标号说明如下：1.导杆 2.弹簧 3.螺母 4.螺塞 5.U形密封圈 6.O形密封 圈 7.阀杯 8.螺钉 9.卸压阀 10.阀座 11.O型密封圈 12.U形密封圈 13.螺塞 14.O 形密封圈 15.导套 16.支撑环 17.O形密封圈 18.阀 19.限位螺塞 20.密封座 21. 支撑环 22.挡板 23.调节套 24.螺母 25.阀杯的进水 26.出水通道。

下面将结合附图通过实例对本发明做进一步详细说明，但下述的实例仅是本发 明其中的例子而已，并不代表本发明所限定的权利保护范围，本发明的权利保护范 围以权力要求书为准。

具体实施方式

下面以DN100的进水阀芯为例具体阐述这种改变进水阀芯流量-位移非线性的方 法。

在图1所示的进水阀芯主视剖面示意简图中，倒T形导杆外面套有弹簧，弹簧 外面套有调节套，该调节套上端设有与其啮合的螺母，下端置于螺塞中心通孔内。 位于螺塞外部的调节套外设与其啮合的紧固螺母。上述螺塞中心通孔下部设有上端 与导杆下端相邻的卸压阀阀杆，该卸压阀阀杆由上至下依次穿过密封座及阀杯和阀 座内的限位螺塞及阀，再穿过出水通道，下部由上至下又依次穿过导套、支撑环和 下螺塞，而后伸到阀体外。上述螺塞下端与密封座相连，该密封座中心孔内设有套 在卸压阀阀杆外面的U形密封圈、支撑环和挡板。该密封座下周边与阀杯的上端边 相连，该阀杯下端边与阀座上端边相连。上述阀杯下筒壁上设有若干排圆形进水口， 每排进水孔数目相同，所有进水孔直径相同，每两排进水孔之间交错排布，每两排 进水口之间面积在轴向有一定重合度。在上述阀杯内设有下部与阀座配合、上部与 阀杯腔对应的阀，该凹槽形阀的上开口上设有与其螺纹连接的限位螺塞，该限位螺 塞中心通孔下端卡在卸压阀阀杆的轴肩上，中心通孔周围设若干与其轴线平行的小 通孔，阀底部设有若干通孔即卸压槽。

DN100进水阀芯的动作过程：(1)开启时，开启力作用在卸压阀9的阀杆上，卸压 阀首先开启2mm(此行程由限位螺塞19调整)，阀18上腔压力通过限位螺塞19、卸 压阀9阀口和阀18上的卸压槽使阀上腔压力卸去一部分，而阀杯7上端进水口来不 及给阀18上腔补充卸掉的压力，这样就可以减小阀18上腔的压力，用较小的开启 力推动卸压阀19带动阀18开启。(2)进水阀芯开启以后，高压水从进水阀芯的阀杯 7上的进水口流入从出水口流出，进水口工作的排数由阀18的位移决定，随着阀18 位移的增大，5排进水口依次工作，流量随之增大。(3)关闭进水阀芯时，卸压阀9 先关闭，在弹簧2的弹簧力和高压水的液压力的共同作用下，进水阀芯完全关闭。

DN100进水阀芯的阀杯结构如图2、图3和图4所示，阀杯上有5排进水口，每 排均为30个，每个进水口直径均为8，两排进水口之间交错排布，两排孔之间的重 合度设为y。

根据图2、图3和图4中的阀杯结构，可用上述方法改变进水阀芯的流量-位移 的非线性。

DN100进水阀芯的流量与阀芯位移的关系式即上述流量-位移的计算式：

(1)当0<x<(2r-yr)时，

$q=C_{q}m\left\{\arccos \right[(r-x)/r]-\sqrt{2\mathrm{rx}-x^2}(r-x)\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(2)当[2nr-(n-1)yr]<x<[2(n+1)r-(n+1)yr]时，其中n=1,2,3...(N-1)

$q=C_{q}m\left\{r^2\arccos \right\{[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}$

$+\mathrm{n\pi }{r}^2\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(3)当(2nr-nyr)<x<[2nr-(n-1)yr]时，其中n=1,2,3...(N-1)

$q=C_{q}m\left\{r^2\arccos \right\{[r-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]/r\}-\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]\}$

$\sqrt{2r{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}+r^2\arccos \left\{\right[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]/r\}$

$-[r-(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})]\sqrt{2r(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})-{(x-2\mathrm{nr}+\mathrm{nyr})}^2}+(n-1){\mathrm{\pi r}}^2\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

(4)当(2nr-nyr)<x<[2nr-(n-1)yr]时，其中n=N

$q=C_{q}m\{(n-1)\pi r^2+r^2\arccos \{[r-(x-8r+4\mathrm{yr})]/r\}-$

$\sqrt{2r[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]-{[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}]}^2}$

$\{r-[x-2(n-1)r+(n-1)\mathrm{yr}\left]\right\}\}\sqrt{\frac{2}{\rho }\mathrm{\Delta P}}$

其中r=8，N=5，m=30。因此可为上述MATLAB程序中的变量r，N，m赋值，其中 r=8，N=5，m=30，通过改变两排进水孔之间的重合度设为y的值，分别取y=0与y=0.25、 0.35、0.45、0.5对比，即可得到流量q和阀芯位移x的q-x曲线。该DN100进水阀 芯的流量位移-曲线如图5所示，从图中可以看出y=0时，即原进水阀芯时，流量- 位移曲线的非线性非常严重，通过改变重合度y的值，可以看出随着重合度从0.25 到0.5的增大，流量-位移的非线性逐步减小，线性度越来越好。

从图2、图3和图4中可以看出随着y值的增大，相邻孔之间的壁厚越来越小， 这将削弱阀杯的强度；从图5中可以看出当y=0.45和y=0.5时，流量-位移曲线的线 性度很接近，继续增大y值对曲线的非线性影响也很小了；因此综合考虑阀杯强度 和流量-位移非线性，取重合度y=0.45。

运用Gambit软件建立重合度y=0和y=0.45的几何模型，如图6和图7所示， 由于所建立模型是中心对称的，取其中1/30(30是每排进水口的个数)作为最终的几 何模型，对几何模型划分网格，进口边界类型PRESSURE_INLET，出口边界类型 PRESSURE_OUTLET。

将Gambit建立的模型导入Fluent中进行流场分析，并按照上述Fluent流场分 析过程设置参数，然后进行求解计算，直至各参量残差收敛，保存数据。

改变模型中的阀芯位移，重复上述过程，就可以得到不同阀芯位移时的流场分 析数据，从这些数据中提取质量流的值，经过计算可以得到不同阀芯位移时的流量 值，如下表所示：

对上表数据进行处理就可以得到流量-位移曲线，曲线如图8所示，从图中可以 看出，重合度y=0.45的曲线比重合度y=0的曲线平滑且线性度好，即可验证上述方 法的正确性。