微小流量节流阀研究

冯传明, 李　翀

(长沙矿山研究院机械所, 　湖南长沙　410012)

摘　要:通过实际试验, 研究分析了一种微小流量节流阀的原理及其主要性能, 指出螺纹节流式节流阀是一种能保证微小稳定流量的新型节流阀, 有很好的调节性能。关键词:微流量节流阀; 微小流量; 液压系统; 节流口中图分类号:T H138. 52　　　文献标识码:A 文章编号:1005-2763(2009) 01-0043-03

Re s ea rch on a M i nu te -flow Thr ott l e Va lve

F eng Chuanm i ng, L i Chong

(Machine ry Institute, Changsha Institute of M ining R esearch,

Changsha, Hunan 410012, China )

Ab stra ct:Based on ex peri ment, the basic p ri nciples and pri ma 2ry pe rfor mances of a m i nut e -fl o w t hrottle v a lve a re ana l yzed . And it is point ed out that thread -throttl e va l ve is a new type one, which can ensure steady m i nute -fl ow and has exce llent regulating functi on .

Key W or ds:Minute -fl ow thr o ttle va l ve,M inute flo w, Hydraulic system , Throttling ori f i ce

节范围内具有较好的调节性能。

1　流量-压差特性

螺纹节流式节流阀简图见图1

。

图1　节流阀结构

　　图1所示螺纹之间的环形配合间隙, 简化分析

可以认为是节流阀的节流口(间隙的配合精度(H9) 确定2△r =35×10-3mm ) , 由于通过阀体的液压油的流速w 很小, 在间隙中的流动接近层流[1], 假定:

(1) 流体流动为Z 向轴对称等截面的一元流, 5w 5w 5w

=0, 2=0, =0; 5θ5z 5z

(2) 流体为定长流, 5w =0;

(3) 单位体积质量力忽略不计, Z =0。根据流体力学中的流体流动的纳维尔-斯托克

[3,4]

斯(N avier -st okes ) 方程式, 经过化简(推导过程略) :

πd 1△r (P 1-P 2) 3+3(△r/d 1) Q =

μl 1242

节流阀在液压回路中的功能是控制符合流量-压差特性的可调流量。例如在蓄能器回路中可以控制液压缸的速度, 在控制回路中限制回路中的最大

流量等。对节流阀的特性要求主要是:流量特性、最小稳定流量、流量调节范围及调节特性。目前我国节流阀一般采用薄刃式节流口、轴向三角槽式节流口和轴向斜面式节流口, 流量特性一般都足以满足液压系统的工作要求, 但是对于要求微流量以及在很小的流量调节范围内具有较好的调节性能时, 则难以取得良好的工作性能。长期实验证明, 普通节流阀在微小流量要求下很难保证稳定的流量, 甚至容易断流

[2]

[1]

。

微流量螺纹式节流阀, 是将螺纹安装在阀体元件的油路控制通道中, 以配合间隙作为节流口的一种新型节流阀(以下称螺纹节流式节流阀) 。其流量调节范围较小(0. 005～0. 2L /min ) , 在微流量调

进一步化简, 可以得到一个近似泄漏公式:

πd 1△r 3P

(1) Q ≈

12μl

式中:Q ———阀通过流量, m l /min;

Δr ———阀通流口间隙, mm ;

P 1———阀进口压力,MPa;

收稿日期:2008-06-02

作者简介:冯传明(1984-) , 男, 山东枣庄人, 硕士研究生, 从事采矿机械方面的研究工作, Ema il:f e ng m ingc su @163. com 。

P 2———阀出口压力,MPa; l ———螺纹配合长度, mm;

ΔP ———阀进出口压差,MPa; d 1———阀进口内径(配合螺纹公称直径) , mm;

w ———流体流速, mm /s;

μ———液压油粘度, Pa s 。

式(1) 反映出流量Q 与压差ΔP 的关系, 流量的修正引入系数k , 即:

Q =k

πd △r (P 1-P 2)

12μl

(2)

2　试验及结果分析

2. 1　实验参数

d =8mm; △r =15×10

-3

mm; μ=0. 2265Pa

(上稠30-1号液压油在油温50℃; 油压力为32

MPa) ; 螺纹螺距为1. 4mm 。2. 2　实验系统

实验系统原理见图2

。

图2　实验系统

1—油箱　2, 3, 4—滤油器　5—电机　6—油泵　7, 13—溢流阀8—方向阀　9, 15, 17—压力表　10, 12—节流阀　11—单向阀14—泄荷阀　16—油缸

2. 3　实验结果及分析

(1) 实验流量Q (m l ) 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化(a =0时螺纹配合长度最大为l max , 圈数a 旋出1圈配合长度减小一个螺距) 见表1。

表1　实验流量Q 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化

压差△P

Q (m l /min)

(MPa) a =0a =2a =3a =4(l =6.3mm) (l =3. 5m m ) (l =2. 1mm ) (l =0.7mm)

48. 5217. 5529. 2588. 78815. 3433. 8054. 90170. 3012

21. 75

45. 56

75. 94

231. 00

　　(2) 理论流量Q (m l ) 随压差ΔP 和螺纹旋转圈

数a 的变化见表2。

表2　理论流量Q 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化

压差△P

Q (m l /min )

(MPa)a =0a =2a =3a =4

(l =6. 3m m ) (l =3.5mm) (l =2.1mm) (l =0. 7m m )

410. 6521. 4035. 66106. 96821. 3042. 7971. 31213. 9012

31. 95

64. 18

106. 96

320. 80

　　(3) 流动状态系数k 在0. 5～1. 0之间(见表

3) , Q ∝Δ

P l

(l 以旋出圈数a 计算) 。不难发现, Q 并

不是绝对的正比于ΔP l

, 原因在于系数k 是变化的, 且

压差ΔP 与l 的变化所影响的系数k 的变化率是不同的, 压差ΔP 对系数k 的影响明显大于l 对k 的影响。因此, 在一定的工作压差条件下, 调节a (l 的配合长度) 时系数k 的变化不大, 所以对流量Q 的调节将保持很好的线性关系, 从而表明调节性能良好。流量-压差特性曲线(ΔP -a -Q 曲线) 见图3。

表3　系数k 变化

压差△P

系数k

(MPa ) a =0a =2a =3a =440. 80. 820. 820. 8380. 720. 790. 770. 7812

0. 68

0. 70

图3　ΔP -a -Q 特性曲线

3　节流阀刚度及调节性能分析

为了评价节流阀在节流口开口度A (在此是配

合长度l, 即a ) 不变时, 随外界负载变化(压差ΔP 变化) 维持流量Q 稳定的能力, 引入节流阀刚度概念。从流量特性曲线可以发现:a 不变时, 压差ΔP 的变化将引起Q 的变化。因此, 在液压系统中由节流阀调定执行元件的速度, 只是在一种特定的负载下是

(下转第102页)

等方面的先进经验。南非在1996年颁布了《矿山健康与安全法》, 之后逐步完善了安全管理体系, 取得了良好的效果。其一, 建立由政府部门(南非矿产与能源部) 、矿主、矿山雇员3方组成的矿山健康和安全理事会, 创造性地把雇员代表列入安全机构。其二, 成立隶属于矿产与能源部的矿山安全与健康能源局, 该局有权对有安全危机的矿山下达停产停业指令, 直至整改到位后, 才允许生产。其三, 南非有独特的安全评估体系。成立于1951年的南非职业安全协会, 通过评估、奖励、服务等, 帮助企业提高安全管理水平。每个矿山在矿井下都设有明确的安全教育警示牌, 时时提醒矿工重视安全、保护自身。其四, 全国设矿山救护中心, 为矿山救护队员提供培训服务, 并为矿山提供救护服务和咨询。

南非的矿山生态环境保护与恢复治理比较到位。不但在1998年的白皮书中要求以有效率的方　　(上接第44页)

理想的, 当负载变化时速度将随负载变化。其实对于所有的节流阀都存在这种现象, 对于节流阀的设计刚度往往都是不能满足要求的, 正因为这样, 在一般情况下对节流阀和单向节流阀是不提刚度指数的

[5]

。

一般节流阀是通过调节节流口的大小从而对流量进行调节的, 调节节流阀的节流口(开度) 大小时, 当节流口通流面积很小时会出现节流阻塞现象, 因此每个节流阀都有一个最小的稳定流量限制。节流口发生阻塞的主要原因是由于油液中含有杂质或油液因高温氧化后析出的胶质等, 显然发生阻塞的内因还在于节流口本身, 节流口大将会大大减轻阻塞现象, 但这恰和要求低流量矛盾。对于要求流量很低的普通节流阀, 节流口最小开度必然要小, 因此很容易阻塞。螺纹节流式节流阀是通过调节配合

a (即l ) 来调节流量Q 的, 节流口断面是环状, 节流

阀通路的配合间隙△r =15×10-3mm ～25×10-3mm , 这显然对液压油的纯净度提出了较高要求, 但是对于任何节流阀, 在极小流量要求下油液的要求都很高。事实证明, 普通节流阀在微小流量要求下

很难保证稳定的流量, 甚至容易断流[2]。而该节流阀在正常工作条件下, 杂质等不可能完全将阀体堵塞, 可以确保很小的稳定流量(5m l /min ) 。即使非正常堵塞, 检修时清洗也方便简单。

节流阀的调节应该轻便、准确, 在小流量调节

式开采矿产资源, 以造福南非人, 同时强调将勘探及开采对环境的冲击降至最低。而且, 对矿山环境保护与恢复治理工作都有严格的要求, 除对每个矿山开采收取矿山恢复治理金外, 还规定每个矿山采掘出来的废渣废土都安排专场专人管理, 并种植防止扬尘的草种。

还有, 南非新矿法对矿业权做了新规定, 将矿业权分为:踏勘许可(不排他, 不可转让) 、勘探权、采矿权、保留许可(排他, 不可转让) 、石油勘探许可(不可转让) 、石油勘探权等进行有区别的管理, 这些都值得我国很好地学习借鉴。

参考文献:

[1]陈丽萍. 非洲矿业投资指南-南非[J]. 中国金属通报, 2005, (9) . [2]刘希生. 借鉴南非矿业开发管理经验发展湖南矿业[J ].国土

资源导刊, 2006, (3).

[3]吴丹红. 中国南非矿业合作前景分析[J ].西亚非洲, 2003, (2).

时, 调节量与流量的变化率越小, 则调节性能好精确性较高。螺纹节流式节流阀是微流量阀, 正常工作的最大流量为Q max =0. 2L /min, 最小流量为Q min =0. 005L /min , 在这样一个微小调节范围内, 调节精确性高, 这一点在实验中也已得到证实。

4　结　论

普通节流阀在以往液压设备的使用过程中, 很难满足微小流量控制的液压系统要求, 难以实现稳定的微小流量, 螺纹节流式节流阀克服了普通的节流阀难以实现稳定的微小流量的问题。流量特性近似满足Q ∝k

△P l

(

k =0. 5～1) , 且压差ΔP 与l 的

变化对系数k 的影响是不同的, 压差ΔP 对系数k 的影响明显大于l 对k 的影响, l 的大小对流动状态系数k 的影响很小(在相同的压差下, 系数k 可看作不变化) , 由Q ∝k △P l

可知, 调节l 对流量Q 的调节将

保持很好的线性关系, 调节精确性高。

参考文献:

[1]雷天觉. 新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,

1998.

[2]李建于. 微流量电液比例控制技术及应用[J ].机械设计与研

究, 2005, (2) 12～14.

[3]章梓雄. 粘性流体力学[M]. 北京:清华大学出版社, 1998. [4]李力平. 计算流体力学[M]. 北京:高等教育出版社, 2002. [5]张永呆. 液压阀设计理论[M]. 北京:机械工业出版社, 1985.

微小流量节流阀研究

冯传明, 李　翀

(长沙矿山研究院机械所, 　湖南长沙　410012)

Re s ea rch on a M i nu te -flow Thr ott l e Va lve

F eng Chuanm i ng, L i Chong

(Machine ry Institute, Changsha Institute of M ining R esearch,

Changsha, Hunan 410012, China )

Key W or ds:Minute -fl ow thr o ttle va l ve,M inute flo w, Hydraulic system , Throttling ori f i ce

节范围内具有较好的调节性能。

1　流量-压差特性

螺纹节流式节流阀简图见图1

。

图1　节流阀结构

　　图1所示螺纹之间的环形配合间隙, 简化分析

可以认为是节流阀的节流口(间隙的配合精度(H9) 确定2△r =35×10-3mm ) , 由于通过阀体的液压油的流速w 很小, 在间隙中的流动接近层流[1], 假定:

(1) 流体流动为Z 向轴对称等截面的一元流, 5w 5w 5w

=0, 2=0, =0; 5θ5z 5z

(2) 流体为定长流, 5w =0;

(3) 单位体积质量力忽略不计, Z =0。根据流体力学中的流体流动的纳维尔-斯托克

[3,4]

斯(N avier -st okes ) 方程式, 经过化简(推导过程略) :

πd 1△r (P 1-P 2) 3+3(△r/d 1) Q =

μl 1242

节流阀在液压回路中的功能是控制符合流量-压差特性的可调流量。例如在蓄能器回路中可以控制液压缸的速度, 在控制回路中限制回路中的最大

[2]

[1]

。

进一步化简, 可以得到一个近似泄漏公式:

πd 1△r 3P

(1) Q ≈

12μl

式中:Q ———阀通过流量, m l /min;

Δr ———阀通流口间隙, mm ;

P 1———阀进口压力,MPa;

收稿日期:2008-06-02

作者简介:冯传明(1984-) , 男, 山东枣庄人, 硕士研究生, 从事采矿机械方面的研究工作, Ema il:f e ng m ingc su @163. com 。

P 2———阀出口压力,MPa; l ———螺纹配合长度, mm;

ΔP ———阀进出口压差,MPa; d 1———阀进口内径(配合螺纹公称直径) , mm;

w ———流体流速, mm /s;

μ———液压油粘度, Pa s 。

式(1) 反映出流量Q 与压差ΔP 的关系, 流量的修正引入系数k , 即:

Q =k

πd △r (P 1-P 2)

12μl

(2)

2　试验及结果分析

2. 1　实验参数

d =8mm; △r =15×10

-3

mm; μ=0. 2265Pa

(上稠30-1号液压油在油温50℃; 油压力为32

MPa) ; 螺纹螺距为1. 4mm 。2. 2　实验系统

实验系统原理见图2

。

图2　实验系统

1—油箱　2, 3, 4—滤油器　5—电机　6—油泵　7, 13—溢流阀8—方向阀　9, 15, 17—压力表　10, 12—节流阀　11—单向阀14—泄荷阀　16—油缸

2. 3　实验结果及分析

(1) 实验流量Q (m l ) 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化(a =0时螺纹配合长度最大为l max , 圈数a 旋出1圈配合长度减小一个螺距) 见表1。

表1　实验流量Q 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化

压差△P

Q (m l /min)

(MPa) a =0a =2a =3a =4(l =6.3mm) (l =3. 5m m ) (l =2. 1mm ) (l =0.7mm)

48. 5217. 5529. 2588. 78815. 3433. 8054. 90170. 3012

21. 75

45. 56

75. 94

231. 00

　　(2) 理论流量Q (m l ) 随压差ΔP 和螺纹旋转圈

数a 的变化见表2。

表2　理论流量Q 随压差ΔP 和螺纹旋转圈数a 的变化

压差△P

Q (m l /min )

(MPa)a =0a =2a =3a =4

(l =6. 3m m ) (l =3.5mm) (l =2.1mm) (l =0. 7m m )

410. 6521. 4035. 66106. 96821. 3042. 7971. 31213. 9012

31. 95

64. 18

106. 96

320. 80

　　(3) 流动状态系数k 在0. 5～1. 0之间(见表

3) , Q ∝Δ

P l

(l 以旋出圈数a 计算) 。不难发现, Q 并

不是绝对的正比于ΔP l

, 原因在于系数k 是变化的, 且

表3　系数k 变化

压差△P

系数k

(MPa ) a =0a =2a =3a =440. 80. 820. 820. 8380. 720. 790. 770. 7812

0. 68

0. 70

图3　ΔP -a -Q 特性曲线

3　节流阀刚度及调节性能分析

为了评价节流阀在节流口开口度A (在此是配

(下转第102页)

南非的矿山生态环境保护与恢复治理比较到位。不但在1998年的白皮书中要求以有效率的方　　(上接第44页)

[5]

。

a (即l ) 来调节流量Q 的, 节流口断面是环状, 节流

节流阀的调节应该轻便、准确, 在小流量调节

参考文献:

[1]陈丽萍. 非洲矿业投资指南-南非[J]. 中国金属通报, 2005, (9) . [2]刘希生. 借鉴南非矿业开发管理经验发展湖南矿业[J ].国土

资源导刊, 2006, (3).

[3]吴丹红. 中国南非矿业合作前景分析[J ].西亚非洲, 2003, (2).

4　结　论

△P l

(

k =0. 5～1) , 且压差ΔP 与l 的

可知, 调节l 对流量Q 的调节将

保持很好的线性关系, 调节精确性高。

参考文献:

[1]雷天觉. 新编液压工程手册[M].北京:北京理工大学出版社,

1998.

[2]李建于. 微流量电液比例控制技术及应用[J ].机械设计与研

究, 2005, (2) 12～14.

微小流量节流阀研究

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