专利名称：一种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法
技术领域：
本发明涉及一种水压机进水阀芯阀杯，针对所述进水阀芯阀杯提出了一种改变其流量-位移非线性的方法。
背景技术：
锻造水压机正常锻造时，它的工作循环包括“快下(充液)-减速-工进-卸压-快回”，这个工作循环通过主分配器实现，而主分配器关键元件是进水阀芯和排水阀，即开启和关闭相应的进排水阀，控制水压机活动横梁的动作，决定水压机的工艺加工过程。充液行程时，主分配器回程缸排水阀开启，活动横梁靠自重下降，低压补偿器中的液体经充液阀进入工作缸，实现活动横梁空程向下的充液行程；工进·行程时，主分配器工作缸进水阀芯打开，高压液体进入工作缸，实现对工件加压，此时，回程缸排水阀继续打开排液；回程时，工作缸进水阀芯关闭，随后主缸排液阀打开卸压，进而回程缸进水阀芯打开，高压液体进水回程缸，打开充液阀，活动横梁在高压液体作用下向上运动，使工作缸中的液体排入充液罐或低压补偿器；悬空时，工作缸排水阀继续打开，工作缸通低压，此时回程缸进水阀芯和排水阀都关闭，液体封闭在回程缸内，故活动横梁可停在任意位置。从上述水压机的工艺加工过程中看出，进水阀芯是主分配器的关键部分，进水阀芯的结构决定水压机锻造工件时的流量，即锻造速度。现有的进水阀芯结构流量随开口度变化的线性度较差，这就造成锻造过程中系统速度不稳定，影响锻造精度。在水压机操作系统中，由于流量和压力大，进水阀芯采用锥阀结构，阀杆以锥面与阀座相研配，阀杯上开有进水口，阀杆上面有弹簧压住，下端伸出分配器，两端均有密封装置及导套。为了能较准确的控制水压机活动横梁的工进速度，在进水阀芯的阀杯上开设数排小孔，当阀门开启高度不同时，通流面积也不同，以此来控制水压机流量，从而控制活动横梁的工作速度。传统进水阀芯阀杯上开孔的方式有三种(I)孔径相等，多排均匀分布，相邻两排孔之间的间距相等；(2)孔径相等，多排不均匀分布，从下往上，每排孔数逐渐增多，相邻两排孔之间的间距相等；(3)孔径不等，从下往上逐渐增大，相邻两排孔之间的间距相等。从实际加工和实用经验得出后者便于较准确的控制活动横梁速度，前两者则便于加工。机械工业部进水阀芯标准JB2025-84中，水压机进水阀芯阀杯采用上述第(I)种开孔方式，但是随着阀芯位移的增大，其流量呈现明显的非线性波动，不能准确地控制水压机活动横梁速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在便于加工的前提下，改变进水阀芯流量-位移非线性，从而更准确地控制活动横梁速度，减小压机振动，提高锻件质量的一种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法。本发明主要是根据进水阀芯的阀杯进水口排布，对进水阀芯的流量-位移特性进行数学建模；运用MATLAB软件程序分析，确定重合度y值进而确定阀杯进水口排布形式使进水阀芯流量-位移非线性最小软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯的几何模型，将在Gambit软件中建立的模型导入Fluent中进行流场分析求解，Fluent流场仿真得出阀杯进水口排布改变前后的流量-位移曲线。本发明涉及的主分配器的进水阀芯结构与现有技术基本相同，即主要包括导杆、弹簧、螺母、螺塞、阀杯、螺钉、卸压阀、阀座、导套、支撑环、阀、限位螺塞、密封座、支撑环、挡板、调节套和螺母。其中，上述阀杯下筒壁上设有若干排圆形进水口，每排进水孔数目相同，所有进水孔直径相同，每两排进水孔之间交错排布，每两排进水口之间面积在轴向有一定·重合度。上述进水阀芯工作过程分为开启和关闭两个阶段，具体过程开启过程包括预开启和全开，开启力作用在卸压阀阀杆上，卸压阀首先开启，阀上腔高压通过限位螺塞、卸压阀阀口和阀上的泄压槽卸掉，而阀杯上端进水口不能补充阀上腔卸掉的压力，从而阀上腔高压变成低压，完成预开启；预开启之后，用较小开启力将阀完全打开，阀全开后，高压水从阀杯上的若干排进水口流入，从出水口流出，进水口工作的排数由阀的位移决定，当阀的位移一定时，进水口数目确定，从而决定进水阀芯的通流面积，通流面积即可确定进水阀芯的流量；关闭过程也分为两个阶段，首先关闭卸压阀，然后在弹簧力和进水阀芯进水口进来的高压水的液压力共同作用下，阀安全关闭。本发明改变进水阀芯流量-位移非线性的方法，主要包括三方面数学建模、软件程序分析、流场分析验证软件程序分析。I.数学建模根据上述阀杯进水口排布计算通流面积(I)当 0〈x〈(2r-yr)时，有A = m{ arccos[(r - x)/r]一 V2rx -X2 (r - x)}(2)当[2nr- (n-1) yr] <x< [2 (n+1) r~ (n+1) yr]时,其中 n=l, 2，3. . . (N_l),有A — m{r2 arccos{[r -(x- 2nr + nyr)] / r}^j2r(x - 2nr + nyr) - (x — 2m- + nyr) + tmr2 }(3)当(2nr-nyr) <x< [2nr- (n-1) yr]时，其中 n=l, 2，3. (N_l),有A = m{r2 arccos{[r-2( -l)r + (/j-X)yr] Ir)-{r-[x- 2(n -l)r + (n-l)yr]}
」2r[x—2{n - l)r + (n - l)jr]—[x — 2(n — l)r + (n—l)yr]2 +r2 arccos {[r-(x- Inr + nyr)~\ / r}- [/- - (x — 2nr + mr)\^2r{x - 2nr + nyr) — (x — 2nr + nyr)2 + (n - V)7tr2 }(4)当(2nr-nyr) <x〈 [2nr_ (n_l) yr]时，其中 n=N,有A- m{{n-l)nr2 +r2 arccos {[r - (x - 8r + Ayr)} Ir}-
权利要求
1.一种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法，其特征在于根据进水阀芯的阀杯进水口排布，对进水阀芯的流量-位移特性进行数学建摸；运用MATLAB软件程序分析，确定重合度y值进而确定阀杯进水口排布形式使进水阀芯流量-位移非线性最小；在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯几何模型，将在Gambit软件中建立的模型导入Fluent中进行流场分析求解，Fluent流场仿真得出阀杯进水口排布改变前后的流量-位移曲线。
2.根据权利要求I所述的ー种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性方法，其特征在于阀杯上有若干排进水ロ，进水口的排布决定进水阀芯的流量-位移特性，根据进水ロ的排布，对进水阀芯的流量-位移特性进行数学建模，通过理论计算得出进水阀芯的流量-位移公式(1)当0〈x〈(2r-yr)时，
3.根据权利要求2所述ー种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法，其特征在于利用MATLAB软件对上述流量-位移计算公式进行编程，该MATLAB软件编程过程如下 ①声明变量 定义变量r_进水孔半径、N-进水孔总排数、X-阀芯位移、A-通流面积、y-重合度、Cq-流量系数、m-每排孔的个数、q-流量、p_压差、d_密度； ②给变量赋值 通过为重合度y赋不同的数值，可以得到不同重合度下的流量-位移曲线； ③根据理论计算公式编程 分别根据上述进水阀芯“流量-位移”计算公式(I)、(2)、(3)、(4)进行编程，可得到重合度I取不同值时的流量-位移曲线。
利用上述MATLAB程序分析，可以确定重合度I值，进而确定了阀杯的进水孔结构排布。
4.根据权利要求3所述的ー种改变水压机进水阀芯流量-位移非线性的方法，其特征在于流场分析验证软件程序分析 (1)Gambit建模 a.在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯的几何模型； b.划分网格对上述几何模型划分网格； c.为模型设定恰当边界条件，进ロ边界类型PRESSURE_INLET，出ロ边界类型PRESSURE_OUTLET ； (2)Fluent流场分析 将在Gambit中建好的模型导入Fluent中进行流场分析求解 a.设定解算器采用默认形式稳态的隐式分离方法； b.设定数学模型采用标准k-e模型； c.设定物料属性物料属性为水的属性，密度998kg/m3，动カ粘度ii=1. OlX 10_3Pa s ； d.初始条件设定压力入口压カ是32000000Pa，压カ出口压カ是30000000Pa； e.设定收敛标准和迭代次数各变量收敛残差设为10_3，初始迭代次数根据具体模型设置； 设定好上述參数后进行迭代计算，直到计算收敛，保存数据，改变模型中的阀芯位移，重复上述过程，可以得到不同阀芯位移时的流场分析结果，从保存的数据中提取不同阀芯位移对应的流量值，对所得数据进行处理，可以分别得到两个模型的流量-位移曲线。
全文摘要
一种改变水压机进水阀芯的流量-位移非线性的方法，其主要是根据进水阀芯的阀杯进水口排布，对进水阀芯的流量-位移特性进行数学建模；运用MATLAB软件程序分析，确定重合度y值进而确定阀杯进水口排布形式使进水阀芯流量-位移非线性最小；在Gambit软件中建立具有上述阀杯进水口排布的进水阀芯模型和原进水阀芯几何模型，将在Gambit软件中建立的模型导入Fluent中进行流场分析求解，Fluent流场仿真得出阀杯进水口排布改变前后的流量-位移曲线。采用本发明调整后的水压机进水阀芯可更准确地控制活动横梁速度，减小压机振动，提高锻件质量。
文档编号G06F17/50GK102789517SQ201210191159
公开日2012年11月21日 申请日期2012年6月12日 优先权日2012年6月12日
发明者孔祥东, 张晋, 徐艳翠, 权凌霄 申请人:燕山大学