[發明專利]一種用于液壓閥的減振裝置及設計方法

有效

• 申請號: 201710227742.1
• 申請日: 2017-04-10
• 公開（公告）號: CN106870497B
• 公開（公告）日: 2018-05-01
• 發明（設計）人: 楊忠炯;包捷;周立強;李俊;陳朵云
• 申請（專利權）人: 中南大學
• 主分類號: F15B13/02
• 分類號: F15B13/02
• 代理公司: 北京中濟緯天專利代理有限公司11429
• 代理人: 陸薇薇

1.一種用于液壓閥的減振裝置，其特征在于：由縱向減振橡膠套，卡套，支撐件和徑向減振橡膠套組成，卡套表面開有通孔，卡套與基座相連，卡套開有兩處凹槽，一處位于卡套中間部位，用于安裝徑向減振橡膠套，另一處凹槽開在卡套表面，與支撐件配合，支撐件上開有螺紋孔，與液壓閥配套閥塊的螺栓相連，螺栓上套有縱向減振橡膠套。

2.如權利要求1所述的用于液壓閥的減振裝置，其特征在于：減振裝置的安裝數目與液壓閥配套閥塊的連接孔數量相同。

3.如權利要求1所述的用于液壓閥的減振裝置，其特征在于：所述的支撐件端部設計成環狀凸臺結構，環狀凸臺與卡套表面的環狀凹槽采取間隙配合，以保證液壓閥組件在振動中不會滑脫；同時環狀凸臺上表面及底面保證較好的光潔度，凸臺的側面、上表面與卡套相應配合的內表面應留有間隙，以保證液壓閥在受到徑向振動時，基座的振動經橡膠減振作用后再傳遞到液壓閥組件，同時保證支撐件不被卡死。

4.如權利要求1所述的用于液壓閥的減振裝置的設計方法，其特征在于減振橡膠套的設計包括以下步驟：

(1)建立液壓閥在振動下的動力學方程，以先導式溢流閥為研究對象，振動下先導式溢流閥的調定壓力會發生波動，其會對閥體壓力特性產生影響的振動類型主要有兩類，一類是平行于主閥閥芯運動方向的縱向振動，另一類平行于先導閥閥芯運動方向的橫向振動；

主閥閥芯受力平衡方程為：

p1A1-p2A2+m1F(t)=m1d2ydt2+ff1+K1(y+y0)+Fs1.---(1)]]>

式中：p₁為主閥入口壓力，p₂為主閥上腔壓力，A₁為主閥下腔有效面積，A₂為主閥上腔有效面積，y為主閥閥芯相對于基座的縱向位移，y₀為主閥彈簧預壓縮量，K₁為主閥彈簧剛度，m₁為主閥閥芯質量，F(t)為縱向振動加速度，當振動為簡諧振動時，F(t)＝4f²π²Asin(2πft)，A為振動幅值，f為振動頻率；當振動隨機振動時，F(t)的加速度功率譜密度為S₁；

ff₁為主閥閥芯所受摩擦力，計算公式為：

ff₁＝sgn(v₁)(F_c1-(F_t1-F_c1).exp(-α₁|v₁|)+B₁v₁. (2)

式中：v₁為主閥閥芯速度，F_c1為主閥閥芯所受庫倫摩擦力，F_t1為主閥閥芯所受靜摩擦力，α₁為主閥閥芯速度模型系數；B₁為主閥閥芯的黏性摩擦系數；

式(1)中F_s1為主閥閥芯所受穩態液動力，由下式確定：

F_s1＝C_dC_vπD₁ysin(2α)p₁. (3)

式中：C_d為流量系數；C_v為速度系數；D₁為主閥閥口直徑，α為主閥閥芯半錐角；

通過主閥閥口的流量Q₁由下式計算：

Q1=CdπD1sin(α)y2p1/ρ.---(4)]]>

式中：ρ為油液密度；

通過主閥阻尼孔流量q₁由下式計算：

q1=πd14128μl1(p1-p2).---(5)]]>

式中：d₁為主閥阻尼孔直徑，l₁為主閥阻尼孔長度，μ為油液動力粘度，p₂為主閥上腔壓力；

通過先導閥阻尼孔流量q₂由下式計算：

q2=πd24128μl2(p2-p3).---(6)]]>

式中：d₂為先導閥阻尼孔直徑，l₂為先導閥阻尼孔長度，p₃為先導閥前腔壓力；

主閥前腔流量連續方程為：

Q0=Q1+q1+V1Edp1dt+A1dydt.---(7)]]>

式中：Q₀為溢流閥入口流量，V₁為主閥前腔容積，E為體積彈性模量；

主閥上腔流量連續方程為：

q1=q2+V2Edp2dt-A2dydt.---(8)]]>

式中：V₂為主閥上腔容積；

先導閥閥芯受力平衡方程為：

p3A3+m2H(t)=m2d2xdt2+ff2+K2(x+x0)+Fs2.---(9)]]>

式中：x為先導閥閥芯相對于基座的橫向位移，p₃為先導閥前腔壓力，A₃為先導閥閥口面積，m₂為先導閥閥芯質量，K₂為先導閥彈簧剛度，x₀為先導閥彈簧預壓縮量，H(t)為縱向振動加速度，當振動為簡諧振動時，H(t)＝4f²π²Asin(2πft)，A為振動幅值，f為振動頻率；當振動隨機振動時，H(t)的加速度功率譜密度為S₂；

ff₂為先導閥閥芯所受摩擦力，其計算公式為：

ff₂＝sgn(v₂)(F_c2-(F_t2-F_c2).exp(-α₂|v₂|)+B₂v₂.(10)

式中：v₂為先導閥閥芯速度，F_c2為先導閥閥芯所受庫倫摩擦力，F_t2為先導閥閥芯所受靜摩擦力，α₂為先導閥閥芯的速度模型系數；B₂為先導閥閥芯的黏性摩擦系數；

F_s2為先導閥閥芯所受穩態液動力，由下式確定：

F_s2＝C_dC_vπD₂xsin(2β)p₃.(11)

式中：D₂為先導閥閥口直徑，β為先導閥閥芯半錐角；

通過先導閥閥口的流量Q₂的連續方程為：

Q2=CdπD2sin(β)x2ρp3.---(12)]]>

先導閥前腔流量連續方程為：

q2=Q2+V3Edp3dt+A3dxdt.---(13)]]>

式中：V₃為先導閥前腔容積；

根據以上建立先導式溢流閥動力學數學模型，在Matlab/Simulink軟件中建立相應的仿真模型，根據國標GB/T 12241-2005的規定，溢流閥作為安全閥時，若穩態下調定壓力偏差超過調定壓力的±3％，該先導式溢流閥失效；根據此性能評價指標，繪制先導式溢流閥在不同振動參數下的可靠性區域，對于簡諧振動可繪制頻率f與振幅A下的可靠區域，對于隨機振動可繪制不同功率譜密度S下的可靠區域，根據可靠性區域可確定不同振動下所需的減振率，從而對橡膠配件尺寸參數進行設計；

假設振動為簡諧振動，其可靠性區域繪制方法如下：首先得出溢流閥在無振動下的調定壓力值p₀，然后設定不同的振動頻率f與振幅A，仿真時間設定為t₁，一般取[0.5s,10s]，溢流閥在振動下達到穩態時其壓力曲線會發生波動，假設t₂后溢流閥達到穩態，一般取[0.05s,0.2s]，記錄[t₂，t₁]時間段內的數據值p_i，i＝1,2,3,4...，然后根據下式確定先導式溢流閥在給定的振動頻率f與振幅A下是否發生失效：

|p_i-p₀|_max≤0.03p₀(14)

若一組的振動的頻率f與振幅A滿足上式，則溢流閥在此振動參數下可正常工作，若不滿足，則先導式溢流閥在該振動參數下失效，從而可以繪制先導式溢流閥在不同的頻率f與振幅A下的可靠性區域；

(2)根據液壓閥在振動下的可靠性區域及所需減振效果設計橡膠配件，用于徑向與縱向振動的減振橡膠配件采用環狀橡膠；

橡膠楊氏模量與硬度的關系由下式計算：

Es=15.75+2.15HA100-HA---(15)]]>

式中：E_s為減振橡膠套靜態楊氏模量，H_A為減振橡膠邵氏硬度；

橡膠剪切模量與楊氏模量關系由下式計算：

Gs=Es2(1+υ)---(16)]]>

式中：G_s為減振橡膠套靜態剪切模量，υ為泊松比；

橡膠減振套的固有頻率f_n計算公式為：

fn=12πKNM---(17)]]>

式中：K為減振橡膠套的剛度，M為液壓閥閥塊組件總質量,N為減振裝置個數；

當振動為簡諧振動時，減振率由下式計算:

Td=1-T=1-[1+(ηr)2(1-r2)2+(ηr)2]1/2---(18)]]>

式中：T_d為橡膠的減振率，T為振動頻率f下的傳輸率,振動傳輸率越低，減振率越高，r為振動頻率f與固有頻率f_n的比值，η為無因次損耗因子；

當振動為隨機振動時，減振率由下式計算:

Td==1-∫f1f2(1+8M.N.Kπ2f2-16M2π4f4(K.N-4Mπ2f2)2+4π2f2η2KM.N).S.df∫f1f2S.df---(19)]]>

式中：S為橫向或縱向振動的加速度功率譜密度，f₁，f₂分別為為隨機振動頻率帶的起始與終止頻率，K為減振橡膠的剛度，M為液壓閥閥塊組件總質量,N為減振裝置個數,本套減振裝置有兩處橡膠剛度，一處為縱向減振橡膠剛度，一處為徑向減振橡膠剛度；

對于縱向減振橡膠套，其主要承受壓縮作用，垂直剛度由下式計算：

k1=π(r22-r12)1.2(1+1.65θc2)ESdh1---(20)]]>

式中：k₁為縱向減振橡膠套的垂直剛度，d為動靜比，Es為橡膠的靜態楊氏模量，r₁為縱向減振橡膠套的內徑，r₂為縱向減振橡膠套的外徑，h₁為縱向減振橡膠套厚度，θ_c為形狀系數根據以下公式計算：

θc=r2-r12h1---(21)]]>

對于徑向減振橡膠套，其主要承受徑向載荷，可等效為橡膠銷套結構，徑向剛度由經驗公式確定：

k2=3πdGsh22.h22+6(R2-R1)2h22+3(R2+R1)2[R2+R1R2-R1]3---(22)]]>

式中：k₂為徑向減振橡膠套的徑向剛度，d為動靜比，G_S為橡膠的靜態剪切模量，R₁為徑向減振橡膠套的內徑，R₂為徑向減振橡膠套的外徑，h₂為徑向減振橡膠套厚度；

減振裝置的橡膠套的厚度與半徑尺寸的計算方法為：

若振動源為單一頻率的簡諧振動，根據振動源的幅值A與頻率f，結合液壓閥在振動下的可靠性區域，確定所需的減振率T_d，根據減振率T_d先確定橡膠套的固有頻率f_n，根據液壓閥閥塊組件的重量M以及相應的橡膠剛度的計算公式，并結合安裝空間要求確定環狀橡膠高度與半徑等尺寸參數；若振動源還包含其他頻率段的振動，則還需結合液壓閥在振動下的可靠性區域，對橡膠的尺寸參數進行修正；若振動源為隨機振動，根據隨機振動源的頻率帶與加速度功率譜密度，結合液壓閥在隨機振動下的可靠性區域確定減振率，然后根據液壓閥閥塊組件的總重量M以及相應的橡膠剛度的計算公式并結合安裝空間要求確定環狀橡膠高度與半徑等尺寸參數，得到橡膠配件的尺寸參數后，設計相應的卡套與支撐件尺寸。