閥芯旋轉(zhuǎn)式換向閥的設(shè)計(jì)及特性研究.pdf

1、激振器能使被激物體獲得一定形式和強(qiáng)度的振動，實(shí)現(xiàn)振動模擬或利用振動完成搗固、破碎等任務(wù)，已廣泛用于汽車、航空航天、機(jī)電系統(tǒng)、機(jī)械搗固、振動破巖等領(lǐng)域。如鐵路道碴搗固裝置，搗鎬把振動力傳遞給石碴，石碴產(chǎn)生振動和移動，增加道床的密實(shí)度，是鐵路路基實(shí)現(xiàn)機(jī)械化養(yǎng)護(hù)的重要裝備。該裝備的可靠性和作業(yè)效率取決于搗固裝置所能產(chǎn)生的激振頻率和波形，對激振器的要求是載荷和輸出功率大，頻寬高且可變。通過對現(xiàn)有機(jī)械式、電動式以及電液式激振形式的對比發(fā)現(xiàn)，電液激

2、振方式因?yàn)楣β拭芏雀?，推力大、無級調(diào)幅以及負(fù)載自適應(yīng)等特點(diǎn)，成為搗固裝置中激振器的不二選擇。目前常用的電液激振器主要是以換向閥或伺服閥控制流體的通斷而產(chǎn)生振動，制約此類激振器發(fā)展的主要是閥的發(fā)展，現(xiàn)有的閥難以解決過流面積，閥芯行程與振動頻率和波形的矛盾。因此，解決電液激振器中閥的問題，對搗固裝置及類似的激振設(shè)備具有重要的意義。
　　本文基于搗固裝置的電液激振器，設(shè)計(jì)了一種閥芯旋轉(zhuǎn)式四通換向閥，并提出了基于振動波形的閥芯設(shè)計(jì)方法。闡

3、述了此種旋轉(zhuǎn)換向閥的工作原理，利用基于振動波形的閥芯設(shè)計(jì)方法，比較了閥芯不同開口形式的特點(diǎn)，并根據(jù)具體的使用要求對轉(zhuǎn)閥進(jìn)行具體尺寸設(shè)計(jì);對設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)閥進(jìn)行內(nèi)部流場分析，揭示轉(zhuǎn)閥的內(nèi)部流動規(guī)律;利用理論及實(shí)驗(yàn)的方法，驗(yàn)證轉(zhuǎn)閥的壓力流量特性及液動力特性，并分析不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對轉(zhuǎn)閥靜態(tài)特性的影響。將閥放入整個系統(tǒng)中，研究轉(zhuǎn)閥的動態(tài)特性，驗(yàn)證其是否能夠達(dá)到預(yù)定的使用要求，并搭建相關(guān)的實(shí)驗(yàn)臺，采集液壓缸的運(yùn)動參數(shù)，從而得出轉(zhuǎn)閥的動態(tài)特性，為轉(zhuǎn)閥進(jìn)一步

4、的發(fā)展提供理論依據(jù)。
　　論文的研究內(nèi)容如下:
　　第一章首先介紹了激振器的研究現(xiàn)狀，對比分析了三種激振器的優(yōu)缺點(diǎn)，隨后介紹了轉(zhuǎn)閥在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及流量特性和液動力特性的研究現(xiàn)狀，流場分析在研究閥時的重要性。研究現(xiàn)有激振器中用到的閥存在的不足，進(jìn)而指出本課題研究的背景及所要開展的研究內(nèi)容。
　　第二章首先解釋了轉(zhuǎn)閥的工作原理，主要提出了基于振動波形的閥芯設(shè)計(jì)方法，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了閥芯旋轉(zhuǎn)式換向閥。分析比較了不同開口形

5、式的特點(diǎn)，并對轉(zhuǎn)閥進(jìn)行具體的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)，包括閥體、閥套、進(jìn)出油口的大小以及關(guān)鍵部件的選擇。
　　第三章利用Fluent軟件對轉(zhuǎn)閥的內(nèi)部流場進(jìn)行可視化研究，分為兩種方式，一是通過選取旋轉(zhuǎn)閥的不同開口時的導(dǎo)通面積進(jìn)行靜態(tài)建模仿真;二是直接進(jìn)行動態(tài)流場仿真。通過對轉(zhuǎn)閥內(nèi)部的壓力場、速度場及氣穴現(xiàn)象的仿真分析，揭示內(nèi)部流動規(guī)律及容易出現(xiàn)低壓甚至負(fù)壓的區(qū)域，分析內(nèi)部射流角的變化規(guī)律和氣穴產(chǎn)生的機(jī)理以及對轉(zhuǎn)閥性能的影響，為轉(zhuǎn)閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化

6、提供依據(jù)。
　　第四章主要分析了轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)特性，包括轉(zhuǎn)閥的壓力流量特性以及穩(wěn)態(tài)液動力特性。得出轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)壓力與流量曲線，并研究開口對特性曲線的影響，仿真分析了不同開口形式及不同頻率下的流量特性曲線，找出限制轉(zhuǎn)閥提高的關(guān)鍵因素，并在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上得出了轉(zhuǎn)閥的靜態(tài)壓力流量特性。理論上推導(dǎo)出液動力的計(jì)算公式并通過仿真研究不同參數(shù)對轉(zhuǎn)閥穩(wěn)態(tài)液動力的影響。
　　第五章主要從整個系統(tǒng)角度出發(fā)，驗(yàn)證轉(zhuǎn)閥的動態(tài)性能。首先從理論角度，建立整個系

7、統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，在MATLAB/Simulink環(huán)境下搭建系統(tǒng)的仿真模型，分析了換向閥的工作頻率和閥口周向?qū)в鰧挾葘D(zhuǎn)閥動力學(xué)特性能的影響。并分析了轉(zhuǎn)閥的階躍響應(yīng)與幅頻特性曲線。然后從實(shí)驗(yàn)角度驗(yàn)證理論分析的正確性，確定實(shí)驗(yàn)方案，基于實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)對實(shí)驗(yàn)臺進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)的確定。在現(xiàn)有測試平臺的基礎(chǔ)上搭建整個實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。得出了位移，速度與加速度的數(shù)值，與理論分析的結(jié)果進(jìn)行對比。驗(yàn)證理論分析的正確性及找出實(shí)際運(yùn)動中容易出