浅谈多路阀设计

mzxlut

浅谈多路阀设计
      小弟学了好多年的液压，也算科班出生吧，在企业也摸爬滚打了几年，年过三十也算有一点小心得一点小看法，闲来跟大家分享一下，还望大家嘴下留情不喜勿喷啊，哈哈！
一.一点个人的小观点
      液压行业从兴到衰也就这几年的事吧，应该是从2012年开始就走下坡路了，当然这主要受国内国际经济大环境的影响。我们大部分液压技术人员的社会地位是较低的（收入也较低，看看工作十多年的还在搞技术的工程师就可以看到）。这可能也跟我们没有独立自主的研发，没有过硬的能推到世界的产品相关，不过这也不是个人的原因，我们国内照样有很多优秀的工程师。首先谈谈企业，液压元件在国内也有好几十年的发展历程了，为什么我们国内就没有一家能独立自主进行研发，能做出过硬产品的元件公司呢？当然我是说像力士乐、哈维、丹佛斯、派克这个层次的。首先，国内大部分液压企业是不太重视技术研发的，尤其是当砸了好几百万甚至上千万的研发费用却不能出来东西时。。。为什么出不来东西？这里只谈谈研发环境吧：一.对于中小型企业（1000人以内，大部分的元件厂也就几百人），个人觉得中层管理者的水平非常重要，如果你的主管、你的经理是一位技术宅，并且有清晰的研发思路及团队建设能力，那我想大部分技术男的工作都会感到很愉悦，因为你们互相“懂”，大家都会有较高的研发热情，思维也会比较活跃，因为你们互相能认可。当然，高层管理者不支持，那就都是泡沫。。。但大部分情况是非技术人员领导技术人员，很多建议及方案能否被理解都还难说，更不要说很好的执行。所谓道不同不相为谋，研发要能搞的好那可真是见鬼了。。二.对于大企业，就不讨论了，大部分都是技术搞几年搞纯管理，人升职了不愿意搞技术了。三.很多企业都有高大上的部门，被冠以研究院、研发中心、研究所等等。乍一看，好牛逼。。。而好多这样的部门，基本都是高校研发工作的延申，搞理论搞仿真搞样机，略虚了一点，毕竟企业是要搞产品的。搞元件的，没有机加工知识就等于不懂元件，如果你既懂铸造也懂机加工并且有较强的液压理论支撑，那我相信你水平不会低，只是需要更多的经验而已。我还是相信，高手在民间。。。
二.浅谈多路阀设计
      扯了一堆，自己思路也理的不清，还是步入正题吧。关于多路阀设计，这里只谈负载敏感阀设计，阀的设计都是相通的。以下内容也是个人心得与总结，也有实践验证，只是做一个抛砖引玉，不敢说完全正确，仅供大家讨论。首先说负载敏感多路阀的工作原理，就是调速阀演化而来啦。调速阀有先节流后减压和先减压后节流两种，分别演化出阀后补偿负载敏感多路阀和阀前补偿负载敏感多路阀，并集成LS限压阀、过载阀、LS卸荷等功能，新阀设计之初当然只有两个参数了：压力、流量。一些细节功能要求再逐步考虑集成
（1）有了压力、流量参数要求，第一步应该确定什么呢?当然是阀芯直径。阀芯直径的确定好像没有直接的计算公式，我是没接触过。阀芯直径大小会直接影响到以下参数：节流槽面积与行程匹配，阀体尺寸（因为阀芯直径确定铸件环形槽尺寸，从而影响到受力面积，进一步影响到高压变形，所以直径增大，阀体各种尺寸都要增大）。阀芯直径尺寸的确定是一个以上参数匹配的结果，其实你并不需要担心，因为几十年的元件设计早都有了这些经验，一般是节流槽在阀芯一周的布置与行程刚好匹配，不浪费阀芯的加工面。你只需要参考一些著名厂商的阀芯值就好了，比如说额定流量120L/min，阀芯直径选择16或18，流量400L/min，阀芯直径选择35左右。多统计一些著名品牌的产品，你会发现他们在不同流量阀芯直径的选择都是很接近的，一般不超过2mm。这就是经验，直接借鉴，免得你整套三维设计完后发现阀太大，很多地方利用不充分，有些地方的设计受到影响变的不合理，或影响到加工装配，又重新计算一遍再改三维，费很多事。
（2）行程确定，之前讲到行程与过流面积是一对匹配的对象，阀芯直径确定了，我们来确定行程，这里有一个原则，因为行程越大，节流槽就越小，加工精度对流量值影响很大，而且阀芯利用也不充分，因为你必须保证阀芯的比例调节范围，行程过小，节流槽就要做的很深，甚至超过阀芯小径，这就不行了，或者布局不下。所以，我直接给大家一些推荐值，在这个范围以内微调就可以（调整0.5到1mm），一般都是阀芯直径的三分之一略大一点，直径12的形成一般做到6mm左右，18的做到7mm左右，40的做到15mm左右，就不一一列举了。
（3)有了以上两个参数还不行，还必须确定流速，这也是一个无法直接得出的参数，直径、行程、流速这几个参数都无法直接得出，前两个参数的设计已经讲过了。流速这个问题我记得国内液压教材上也都有，力士乐阀工作片的设计值经统计是P口。A/B口15m/s左右，回油14m/s左右（对应1.5倍流量）。流速大小的选择非常重要，这会影响到后续的一系列计算。主油路流速的选择先确定P和T口，中间主油路流速略大于P口。（推荐20%），这是为了油道不影响整阀压损。控制油道根据压损和响应直接确定直径。如果影响到响应速度还需要修改，这个通过测试确定比较好，但设计时有留有一定的变化余量。首联流速当然比这个要小一点
（4）工作片阀体铸件尺寸确定，有了以上三个参数，其余大部分参数可以进行计算了，流量和直径确定工作片P口尺寸，进而确定铸件P口宽度，铸件环形槽直径是阀芯直径的1.4~1.5倍，割槽深0.5~1.5mm（这个对于低压损阀设计有影响，先不谈论这个），割槽直径1.2倍阀芯直径，A/B口铸件宽度跟P口计算方法一样。这里重点说一下凸肩宽度，因为这个东西受压变形会导致卡阀，内泄露增大。一般设计两侧高压凸肩宽度请选择阀芯直径的五分之一，单侧受压（T）请选择三分之一，T口油道至阀体表面距离2倍单侧受压凸肩宽度（过大会导致衍磨尺寸不均匀），如果侧面有阀必须放大，请在中间割槽或铸造环形槽处理。好了，轴向尺寸确定完毕。径向尺寸就是铸件环形槽至阀体外表面密封槽底部的距离，各部位油道面积除以阀芯直径选大值，OK（通过强度仿真再进行微调）。高度确定，根据布局确定，这个不是靠直接计算的。根据面积确定当量孔径，确定油口螺纹大小，基本计算完毕。铸件油道细说起来太多，一时半会也说不完，先跟大家讨论这些吧
（5)阀芯设计:只说几个关键点，一是节流槽口的过流面积，我们可以把它分成竖着的和横这的两个面积，理论上实际过流面积是比这两个值都小的并且有计算公式，请大家参考兰州理工大学冀老师的论文。实际你可以直接选小值，不会影响到流量精度，流量系数请选择0.54.这样你的计算结果就是准确的。二是液动力，液动力其实并不大，受流量大小影响，一般你考虑2bar~5bar余量就够了，所以首联先导阀压力不需要匹配的太大。三是泄露，较准确的计算方法是计算阀体变形并将阀芯遮盖部分进行网格划分（单位尺寸），进行积分计算，还是比较准确的，计算公式不好打，就不打了。四是比例调节行程:应该占全行程的70%以上。
（6）铸造问题:大批量产品的化学成分很重要，不止是影响强度，还影响刀具磨损量，也请控制好珠光体含量。根据压力等级来选择材料的我就不一一说了，搞设计的都明白。还有铸件检测问题，如何切片，如何取试棒，强度试验等就不一一说了。
（7）机加工问题；深孔斜孔尽量避免，批量加工的话加工成本高，长径比请尽量控制到8以内，深孔交叉孔尽量避免。阀芯孔衍磨算是比较有技术含量的，其余加工没什么太高的附加值。
（8）其余LS限压阀设计，过载阀设计就不一一讨论，内容太多
（9）谈谈测试吧:负载刚度测试和补偿器性能测试及流量分配是负载敏感阀中与负载敏感相关的测试。这几个性能很重要
三.关于仿真
写起来太多，我也只是抛砖引玉，提出一个框架，有兴趣的朋友可以加我QQ:378026944
可以进行更多细节讨论。
晚上无聊，也没组织什么思路，想到哪写到哪，有不当之处请大神批评指正，更多细节也可以加我详细讨论。讨论范围主要关于设计、仿真。
还有很多点都没有提到，比如
（1）补偿器设计方法
（2）阀芯类零件的热处理方法
（3）LS限压阀的特性及设计
（4）铸件油道详细设计
（5）电控先导级匹配方法
（6) 阀芯的详细设计
（7）过载阀规格确定与设计
（8）负载敏感多路阀测试方法及指标评价
（9）液压仿真——包括元件与系统
（10）变形补偿及力矩计算等
有时间再和大家一起讨论吧
浅谈负载敏感多路阀设计之测试与仿真之前两个帖子《浅谈负载敏感多路阀设计》和《浅谈负载敏感多路阀设计之阀芯和补偿器设计平台搭建》我们谈了阀体设计及阀芯设计平台搭建，今天换个口味。。。我们来谈谈前补偿负载敏感多路阀的测试与仿真，这个也是大家实际工作中比较关心的问题。看了一下JB/T8729.1998关于多路换向阀的测试内容，很多关键的东西说的不够明确。而且很多厂家经常会提出一些不专业的测试要求，根本原因也是对测试或者阀不了解。为了避免这种尴尬，今天小弟再来讨论一下测试和仿真，希望对大家有所帮助，所有的测试方法都是建立在对阀的深刻理解之上，测试水平的高低也可以从侧面反映设计能力。
（1）前补偿负载敏感多路阀测试：在讲整阀组的性能评价之前，先要说说试验台，首先要告诉大家，负载敏感多路阀的试验台必须搭配负载敏感泵，负载敏感和变排量控制可以切换使用，否则你的很多测试都将不准确，有些性能你也永远都不会知道。这是前提条件！关于前补偿负载敏感多路阀整阀的performance基本上包括以下测试内容（注意这里只是说整阀的性能测试，不包括耐久和寿命等测试）：

流量特性测试
压损测试
内泄露测试
负载刚度测试
补偿器性能测试
响应时间测试
过载阀测试
补油阀测试
LS溢流阀测试
复合动作测试
开中心阀首联补偿器测试
LS卸荷功能测试
其他集成功能测试

下面我们来一一分析这些测试到底是要评价阀的什么性能，如何来看
测试前提当然是油液粘度要恒定，32号或者46号HL液压油可自行决定，使用32号油相当于对自己的要求提高了，基本温度一般在45~50℃之间测试，并保证温度偏差在2℃左右，这样可获得一个比较合理的粘度值。
流量特性测试：测试阀芯运动过程的信号流量曲线，并观察各油口及LS压力。这项测试的目的有两个，第一是检测设计是否OK，也就是各遮盖量的关系，是否会有憋压及反馈异常等问题。第二是检测位移滞环（当然，测试过程需要加位移传感器并记录阀芯位移），滞缓直接关系到操控性，我想大家都明白。我们也经常听到有人说我们的阀滞环如何如何，某大公司的如何如何，一谈到这里，必须要对决定滞缓的几个重要因素做个说明，决定滞缓的重要因素有两个，一是阀芯运动速度，二是颤振幅值和颤振频率（对于电控阀）。所以，在评价两个厂家阀的滞缓优劣时，首先请保证这两个参数的一致性，否则将没有意义。其次，在整个阀芯行程内滞缓是不一样大的，只有取平均值和最大值共同对比才有意义，所以说你不能拿你最小的滞缓部分与别人最大的部分比。
压损测试：压损测试又包括P到A/B和A/B到T以及浮动阀芯压损，中位压损等。这里尤其要说明对于前补偿负载敏感多路阀评价P到A/B的压损是没有什么意义的，你应该在你的技术文献里直接给出泵的最小调定值。为什么这么说？因为这个压损包括两个部分，一是阀芯压损，二是补偿器压损。阀芯压损又由补偿器弹簧力决定，那么根据流量连续性方程并带入额定流量和阀芯设计参数，这个压损是可以计算出来的，设计值一般为10~15bar。而泵的压差调节值一般为20~30bar，那么可以看到，实际P到工作口的压损是取决于泵的，你并不需要测试。那么有的人说我就想看补偿器，请往后看，补偿器的性能测试在后面。。。同时，P到工作口的压损也很难测准，因为流量超过实际需求值后P口压力会开始上翘，那么上翘到哪一点才是实际压损呢？你无法判断。那么你可能会说我先用负载敏感泵跑出流量，再用变量泵跑出压损，但是，负载敏感泵的压差调节决定了补偿器弹簧压缩程度，你的测试并不是实际刚刚好的流量，会稍有偏大。所以，并不建议大家费力非要跑出前补偿负载敏感阀P到工作口的压损，直接根据设计值给出计算结果就好。
内泄露测试：常用的O型机能端口到回油内泄露，主要评价阀芯对油缸负载的短时间保持能力。到工作口的泄露用来评价长时间工作时其他油缸负载的稳定性，你不能说一联工作了三小时，其他联油缸自己跑了几十公分，这是不行的，对吧。
负载刚度测试：不同主阀开口下进行负载刚度测试，就已经包含了微动特性。同时评价了负载刚度，这是一项非常重要的测试，前补偿阀一般流量下降不超过5%，你可以跟其他家的产品对比看看别人的效果，一目了然。
补偿器性能测试：补偿器作为一个减压阀，自然要评价减压稳定性。这项性能不行，就等着油缸自己跑吧。。。。呵呵
响应时间测试：操控性的又一项评价指标，先导阀规格匹配合适这个就不会有问题，主阀芯的影响在滞环里已经评价过了。
过载及补油测试：过载阀正常按照部件测试大纲评价，直动式较为简单，先导式需要阶跃响应评价过载阀响应速度及卸荷能力，补油阀的补油压力各厂家设计值也各不相同，在额定流量下大约5~10bar之间，补油能力不足要么改压损要么加节流阀，一般都是足够的。
LS溢流阀：LS溢流阀在整阀中非常重要，评价方法很简单，但是这个阀的设计是和主阀芯反馈及补偿器设计关联的，并结合负载保护压力，如果你是全新设计整阀，请务必搞清楚再设计。
复合动作测试：前补偿阀的复合动作测试目的只有一个，检测梭阀的压力筛选能力。经常有人给前补偿阀评价流量分配，这就明显跑题了。流量分配我们只在后补偿阀中评价，前补偿应用在泵的输出不饱和的情况，这样，流量分配就是根据两联或者多联负载的差值决定的，因为各联补偿器处于不同的压缩状态，主阀芯压差是有区别的，不管你用谁家的阀这都是原理性问题，不会根据厂家而有区别。如果你经常工作于泵的饱和状态，那你应该选择后补偿阀，这时才需要评价流量分配。
其他测试内容就不一一说了，有点多。。。我们直接说仿真吧
（2）仿真：在说仿真之前，需要搞清楚什么样的场合做什么样的仿真，做仿真的一些必要条件。首先说元件，有两个仿真在元件中是必不可少的，那就是结构强度仿真和流场仿真，强度仿真帮助你确定壁厚强度及变形等参数，从而帮助你优化产品，新产品开发这一块还真是不能少。流场仿真帮助你观察流道涡的分布，你不能让涡影响到过流面积。一般我们使用的软件有Ansys 和 fluent，对于新产品开发的兄弟们看好了，这两个确实是需要的，其他的仿真对于元件开发没有必要，当然电的东西除外。ansys的学习相对要简单很多，买本书根据workbench很快就可以学会基本应用，fluent因为计算结果与网格质量相关，学习难度要稍大，做好也不容易，网格划分推荐ICEM，无它，因为Gambit早就不更新了。其次说系统，系统仿真推荐AMESim,这个软件要用的好还是比较考察你的液压功底的，对液压的原理特性理解不好你也是用不好的，软件操作很简单大家都知道。AMESim软件在液压行业相对而言是比较尴尬的存在，因为元件基本用不到他，用它仿元件只能验证一些新的想法和思路，但是如果你功底足够，根本不需要他，手动计算分析更可靠，毕竟调软件也是一个麻烦活，除非你的新思路太复杂了，需要N个方程。同时，影响元件性能的东西太多，不是说就几个阻尼，几个面积的大小问题，这个做元件不太合适。但是对于系统仿真还是有用的，我说的这些大家时间长了就能体会到。下面我们说说仿真的刚需，当然是需要测试支撑了，不用测试数据标定模型的仿真都是刷流氓。。。，当然对于fluent你要和实际验证，你还需要做特殊透明阀体并准备高速摄像机，这个适合高校做研发，企业一般做不到。ansys就不用说了，寿命测试内泄露等是验证强度和变形的好方法，amesim就不用说了，必须试验数据标定，这是做好一个仿真的要求。
最后，奉劝各位同仁，要合理看待仿真的地位，不要一天尽玩仿真，这个不是做产品搞设计的态度！

Josephwq

功力不一般

mzxlut

改正个错误，400L/min流量阀芯直径选择28或30左右

Ysx317

想与你线下交流，怎样联系，我的电话13801290652

﹏3、哖后°

很牛逼啊                        

tiger8421

,受教了，校友

awepp

感謝分享!!
如果能補張圖配合，會更好理解

stefny21

牛叉，多路阀高手。

love@hydraulic

写得很好，都是经验之谈

mmnnhnu1

好厉害，功力深厚！