液压阀上的作用力分析

摘要：液压阀是液压系统中的重要元件，阀芯又是液压阀的一个重要组成部分，阀芯的使用寿命也直接决定了整个液压阀的使用寿命，本文分析了阀芯受到的作用力。

关键词：液压 阀芯 作用力

液压控制阀（简称液压阀），是液压系统中的控制元件。任何一个液压系统，不论其如何简单，都不能缺少液压阀。液压阀的基本结构主要包括阀芯、阀体和驱动阀芯在阀体内相对运动的操纵控制机构。其基本工作原理是利用阀芯相对于阀体的运动来控制阀口的通断及开度的大小，实现对液流方向、压力和流量的控制。在工作过程中，阀芯要受到多种力的作用。

一、液压作用力

在液压阀中，液体重力引起的压力差相对于工作压力是极小的，通常可忽略不计，认为同容腔中各点的液体工作压力相等。液体压力对与其相接触的固壁的作用力因固壁不同有两种情况：

1.平面固壁：液压作用力Fp等于压力p与承压面积A的乘积，即Fp=pA

2.曲面固壁：液压作用力应指明作用方向。曲面上的液压作用力在某一方向的分力Fpx等于压力p与曲面在该方向的垂直面内投影面积即承压面积Ax的乘积。即Fpx=pAx

二、液动力

液体流经阀口时，由于流动方向和流速的变化引起液体动量的变化，使阀芯受到附加的作用力，即液动力。分为稳态液动力和瞬态液动力。以滑阀为例进行分析计算。

图一滑阀的稳态液动力

1. 稳态液动力：在阀口开度一定的稳定流动下，液流流过阀口时因动量变化作用在阀芯上的力。稳态液动力可分解为轴向分力和径向分力。由于一般将阀体的油腔对称地设置在阀芯的周围，因此沿阀芯的径向分力互相抵消了，只剩下沿阀芯轴线方向的稳态液动力。

对于某一固定的阀口开度x来说，根据动量定理(参考图5.7中虚线所示的控制体积)可求得流出阀口时[图一(a)]的稳态液动力为

可见，液动力指向阀口关闭的方向。

流入阀口时[图一(b)]的稳态液动力为

可见，液动力仍指向阀口关闭的方向。

考虑到，所以上式又可写成

考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数 Cq可取为常数，且令液动力系数,则上式又可写成：

当压差ΔP一定时，可知，稳态液动力与阀口开度x成正比。此时液动力相当于刚度为KSΔp的液压弹簧的作用。因此，KSΔp被称为液动力刚度。

无论液流方向如何，液动力的方向总是力图使阀口趋于关闭。因此，加大了操纵滑阀所需的力，而且对滑阀的工作性能带来不利影响。此时，除了采取二级或多级控制方式外，必要时应采取措施补偿或消除稳态液动力。

图二滑阀的瞬态液动力

2.瞬态液动力：在阀口开度发生变化时，阀腔中因加速或减速而作用在阀芯上的力。该力只与阀芯移动速度（阀口开度变化率）有关，与阀口开度无关。如图二液体流出和流入阀口的情况，其瞬态液动力Fi均由下式表达：

可见，瞬态液动力与滑阀的移动速度成正比，直到粘性阻尼力的作用。当液体从阀口流出时，瞬态液动力的方向与阀芯的移动方向相反，该力阻止阀芯移动；当液体从阀口流入时，瞬态液动力的方向与阀芯的移动方向相同，该力助长阀芯移动。但瞬态液动力在阀芯所受的各种作用力中所占比重不大，一般忽略不计。

三、液压侧向力与摩擦力

如果阀芯与阀孔都是完全精确的圆柱形，而且径向间隙中不存在任何杂质、径向间隙处处相等，就不会存在因泄漏而产生的径向不平衡力。但事实上，阀芯或阀孔的几何形状及相对位置均有误差，使液体在流过阀芯与阀孔间隙时产生了径向不平衡力，称之为侧向力。由于这个侧向力的存在，从而引起阀芯移动时的轴向摩擦阻力，称之为卡紧力。如果阀芯的驱动力不足以克服这个阻力，就会发生所谓的卡紧现象。

图三滑阀上的侧向力(a)倒锥；(b)顺锥；(c)倾斜

阀芯上的侧向力如图三所示。图中P1和P2分别为高、低压腔的压力。图三(a)表示阀芯因加工误差而带有倒锥(锥部大端在高压腔)，同时阀芯与阀孔轴心线平行但不重合而向上有一个偏心距e。如果阀芯不带锥度，在缝隙中压力呈三角形分布(图中点划线所示)。现因阀芯有倒锥，高压端的缝隙小，压力下降较快，故压力分布呈凹形，如图三(a)中实线所示；而阀芯下部间隙较大，缝隙两端的相对差值较小，所以b比a凹得较小。这样，阀芯上就受到一个不平衡的侧向力，且指向偏心一侧，直到二者接触为止。图三(b)所示为阀芯带有顺锥(锥部大端在低压腔)，这时阀芯如有偏心，也会产生侧向力，但此力恰好是使阀芯恢复到中心位置，从而避免了液压卡紧。图三(c)所示为阀芯(或阀体)因弯曲等原因而倾斜时的情况，由图可见，该情况的侧向力较大。

根据流体力学对偏心渐扩环形间隙流动的分析，可计算出侧向力的大小。当阀芯完全偏向一边时，阀芯出现卡紧现象，此时的侧向力最大。最大液压侧向力值为

则移动滑阀需要克服的液压卡紧力为

式中，f为摩擦系数，介质为液压油时，取f=0.04～0.08。

为了减小液压卡紧力，可采取以下措施：

在倒锥时，尽可能地减小，即严格控制阀芯或阀孔的锥度，但这将给加工带来困难。

在阀芯凸肩上开均压槽。均压槽可使同一圆周上各处的压力油互相沟通，并使阀芯在中心定位。开了均压槽后，引入液压卡紧力修正系数为K，可将式(5.12)修正为

开一条均压槽时，K＝0.4；开三条等距槽时，K＝0.063；开七条槽时，K＝0.027。槽的深度和宽度至少为间隙的10倍，通常取宽度为0.3～0.5mm，深度为0.8～1mm。槽的边缘应与孔垂直，并呈锐缘，以防脏物挤入间隙。槽的位置尽可能靠近高压腔；如果没有明显的高压腔，则可均匀地开在阀芯表面上。开均压槽虽会减小封油长度，但因减小了偏心环形缝隙的泄漏，所以开均压槽反而使泄漏量减少。

(3)采用顺锥。

(4)在阀芯的轴向加适当频率和振幅的颤振。

(5)精密过滤油液。

四、弹簧力、重力与惯性力

1.弹簧力

几何每个液压阀中。都设有作用不同的弹簧。液压阀在工作过程中，与弹簧相接触的阀芯及其他构件上所受的弹簧力为：Ft=K(x0±x)

2.重力和惯性力

重力和惯性力均属质量力。液压阀的阀芯等运动件所受的重力一般与其他作用力相比可忽略不计。运动零部件的惯性力及相关的液体质量所产生的惯性力，静态分析时可不计；动态分析时均应计算。惯性力的计算要视具体的液压阀及其结构而进行具体计算。

除上述作用力外，操作力等也是液压阀上的作用力。

结束语：

液压阀上的总作用力，不能将各种作用力简单地相加，应视具体工况进行分析和计算，分析几种力的最大值是否同时出现，是否因作用方向有所抵消等。