[发明专利]一种用于液压阀的减振装置及设计方法

权利要求书

1.一种用于液压阀的减振装置，其特征在于：由纵向减振橡胶套，卡套，支撑件和径向减振橡胶套组成，卡套表面开有通孔，卡套与基座相连，卡套开有两处凹槽，一处位于卡套中间部位，用于安装径向减振橡胶套，另一处凹槽开在卡套表面，与支撑件配合，支撑件上开有螺纹孔，与液压阀配套阀块的螺栓相连，螺栓上套有纵向减振橡胶套。

2.如权利要求1所述的用于液压阀的减振装置，其特征在于：减振装置的安装数目与液压阀配套阀块的连接孔数量相同。

3.如权利要求1所述的用于液压阀的减振装置，其特征在于：所述的支撑件端部设计成环状凸台结构，环状凸台与卡套表面的环状凹槽采取间隙配合，以保证液压阀组件在振动中不会滑脱；同时环状凸台上表面及底面保证较好的光洁度，凸台的侧面、上表面与卡套相应配合的内表面应留有间隙，以保证液压阀在受到径向振动时，基座的振动经橡胶减振作用后再传递到液压阀组件，同时保证支撑件不被卡死。

4.如权利要求1所述的用于液压阀的减振装置的设计方法，其特征在于减振橡胶套的设计包括以下步骤：

(1)建立液压阀在振动下的动力学方程，以先导式溢流阀为研究对象，振动下先导式溢流阀的调定压力会发生波动，其会对阀体压力特性产生影响的振动类型主要有两类，一类是平行于主阀阀芯运动方向的纵向振动，另一类平行于先导阀阀芯运动方向的横向振动；

主阀阀芯受力平衡方程为：

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

式中：p₁为主阀入口压力，p₂为主阀上腔压力，A₁为主阀下腔有效面积，A₂为主阀上腔有效面积，y为主阀阀芯相对于基座的纵向位移，y₀为主阀弹簧预压缩量，K₁为主阀弹簧刚度，m₁为主阀阀芯质量，F(t)为纵向振动加速度，当振动为简谐振动时，F(t)＝4f²π²Asin(2πft)，A为振动幅值，f为振动频率；当振动随机振动时，F(t)的加速度功率谱密度为S₁；

ff₁为主阀阀芯所受摩擦力，计算公式为：

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

式中：v₁为主阀阀芯速度，F_c1为主阀阀芯所受库伦摩擦力，F_t1为主阀阀芯所受静摩擦力，α₁为主阀阀芯速度模型系数；B₁为主阀阀芯的黏性摩擦系数；

式(1)中F_s1为主阀阀芯所受稳态液动力，由下式确定：

F_s1＝C_dC_vπD₁ysin(2α)p₁. (3)

式中：C_d为流量系数；C_v为速度系数；D₁为主阀阀口直径，α为主阀阀芯半锥角；

通过主阀阀口的流量Q₁由下式计算：

Q1=CdπD1sin(α)y2p1/ρ.---(4)]]>

式中：ρ为油液密度；

通过主阀阻尼孔流量q₁由下式计算：

q1=πd14128μl1(p1-p2).---(5)]]>

式中：d₁为主阀阻尼孔直径，l₁为主阀阻尼孔长度，μ为油液动力粘度，p₂为主阀上腔压力；

通过先导阀阻尼孔流量q₂由下式计算：

q2=πd24128μl2(p2-p3).---(6)]]>

式中：d₂为先导阀阻尼孔直径，l₂为先导阀阻尼孔长度，p₃为先导阀前腔压力；

主阀前腔流量连续方程为：

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

式中：Q₀为溢流阀入口流量，V₁为主阀前腔容积，E为体积弹性模量；

主阀上腔流量连续方程为：

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

式中：V₂为主阀上腔容积；

先导阀阀芯受力平衡方程为：

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

式中：x为先导阀阀芯相对于基座的横向位移，p₃为先导阀前腔压力，A₃为先导阀阀口面积，m₂为先导阀阀芯质量，K₂为先导阀弹簧刚度，x₀为先导阀弹簧预压缩量，H(t)为纵向振动加速度，当振动为简谐振动时，H(t)＝4f²π²Asin(2πft)，A为振动幅值，f为振动频率；当振动随机振动时，H(t)的加速度功率谱密度为S₂；

ff₂为先导阀阀芯所受摩擦力，其计算公式为：

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

式中：v₂为先导阀阀芯速度，F_c2为先导阀阀芯所受库伦摩擦力，F_t2为先导阀阀芯所受静摩擦力，α₂为先导阀阀芯的速度模型系数；B₂为先导阀阀芯的黏性摩擦系数；

F_s2为先导阀阀芯所受稳态液动力，由下式确定：

F_s2＝C_dC_vπD₂xsin(2β)p₃.(11)

式中：D₂为先导阀阀口直径，β为先导阀阀芯半锥角；

通过先导阀阀口的流量Q₂的连续方程为：

Q2=CdπD2sin(β)x2ρp3.---(12)]]>

先导阀前腔流量连续方程为：

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

式中：V₃为先导阀前腔容积；

根据以上建立先导式溢流阀动力学数学模型，在Matlab/Simulink软件中建立相应的仿真模型，根据国标GB/T 12241-2005的规定，溢流阀作为安全阀时，若稳态下调定压力偏差超过调定压力的±3％，该先导式溢流阀失效；根据此性能评价指标，绘制先导式溢流阀在不同振动参数下的可靠性区域，对于简谐振动可绘制频率f与振幅A下的可靠区域，对于随机振动可绘制不同功率谱密度S下的可靠区域，根据可靠性区域可确定不同振动下所需的减振率，从而对橡胶配件尺寸参数进行设计；

假设振动为简谐振动，其可靠性区域绘制方法如下：首先得出溢流阀在无振动下的调定压力值p₀，然后设定不同的振动频率f与振幅A，仿真时间设定为t₁，一般取[0.5s,10s]，溢流阀在振动下达到稳态时其压力曲线会发生波动，假设t₂后溢流阀达到稳态，一般取[0.05s,0.2s]，记录[t₂，t₁]时间段内的数据值p_i，i＝1,2,3,4...，然后根据下式确定先导式溢流阀在给定的振动频率f与振幅A下是否发生失效：

|p_i-p₀|_max≤0.03p₀(14)

若一组的振动的频率f与振幅A满足上式，则溢流阀在此振动参数下可正常工作，若不满足，则先导式溢流阀在该振动参数下失效，从而可以绘制先导式溢流阀在不同的频率f与振幅A下的可靠性区域；

(2)根据液压阀在振动下的可靠性区域及所需减振效果设计橡胶配件，用于径向与纵向振动的减振橡胶配件采用环状橡胶；

橡胶杨氏模量与硬度的关系由下式计算：

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

式中：E_s为减振橡胶套静态杨氏模量，H_A为减振橡胶邵氏硬度；

橡胶剪切模量与杨氏模量关系由下式计算：

Gs=Es2(1+υ)---(16)]]>

式中：G_s为减振橡胶套静态剪切模量，υ为泊松比；

橡胶减振套的固有频率f_n计算公式为：

fn=12πKNM---(17)]]>

式中：K为减振橡胶套的刚度，M为液压阀阀块组件总质量,N为减振装置个数；

当振动为简谐振动时，减振率由下式计算:

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

式中：T_d为橡胶的减振率，T为振动频率f下的传输率,振动传输率越低，减振率越高，r为振动频率f与固有频率f_n的比值，η为无因次损耗因子；

当振动为随机振动时，减振率由下式计算:

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

式中：S为横向或纵向振动的加速度功率谱密度，f₁，f₂分别为为随机振动频率带的起始与终止频率，K为减振橡胶的刚度，M为液压阀阀块组件总质量,N为减振装置个数,本套减振装置有两处橡胶刚度，一处为纵向减振橡胶刚度，一处为径向减振橡胶刚度；

对于纵向减振橡胶套，其主要承受压缩作用，垂直刚度由下式计算：

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

式中：k₁为纵向减振橡胶套的垂直刚度，d为动静比，Es为橡胶的静态杨氏模量，r₁为纵向减振橡胶套的内径，r₂为纵向减振橡胶套的外径，h₁为纵向减振橡胶套厚度，θ_c为形状系数根据以下公式计算：

θc=r2-r12h1---(21)]]>

对于径向减振橡胶套，其主要承受径向载荷，可等效为橡胶销套结构，径向刚度由经验公式确定：

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

式中：k₂为径向减振橡胶套的径向刚度，d为动静比，G_S为橡胶的静态剪切模量，R₁为径向减振橡胶套的内径，R₂为径向减振橡胶套的外径，h₂为径向减振橡胶套厚度；

减振装置的橡胶套的厚度与半径尺寸的计算方法为：

若振动源为单一频率的简谐振动，根据振动源的幅值A与频率f，结合液压阀在振动下的可靠性区域，确定所需的减振率T_d，根据减振率T_d先确定橡胶套的固有频率f_n，根据液压阀阀块组件的重量M以及相应的橡胶刚度的计算公式，并结合安装空间要求确定环状橡胶高度与半径等尺寸参数；若振动源还包含其他频率段的振动，则还需结合液压阀在振动下的可靠性区域，对橡胶的尺寸参数进行修正；若振动源为随机振动，根据随机振动源的频率带与加速度功率谱密度，结合液压阀在随机振动下的可靠性区域确定减振率，然后根据液压阀阀块组件的总重量M以及相应的橡胶刚度的计算公式并结合安装空间要求确定环状橡胶高度与半径等尺寸参数，得到橡胶配件的尺寸参数后，设计相应的卡套与支撑件尺寸。