一种适用于有背压工况补偿液动力的溢流阀

技术领域

本发明属于航空航天伺服系统技术领域，特别是涉及一种适用于有背压工况补偿液动力的溢流阀。

背景技术

溢流阀作为伺服能源的压力控制元件，其主要作用是定压和溢流，当作为安全阀使用时还可以起到防止过载和安全防护的作用。相比于一般的液压系统，航天伺服系统常具有高压力大流量的特点，对溢流阀的可靠性、稳压精度和推重比提出了更高的要求。具体来说，航天系统用溢流阀的定压弹簧及阀芯组件应具有较大的推重比，其阀口在启闭过程中液动力波动应尽量小。此外，航天系统用溢流阀应具有良好的动态性能，在存在背压的情况下仍具有良好的稳压精度，大惯性载荷作用下阀芯仍能平稳伸缩，不卡顿。

普通溢流阀通常采用单一的螺旋压缩弹簧作为阀的调压弹簧，当提高弹簧的推力时，弹簧通常体积较大，并且容易出现卡死、疲劳、断裂等故障，给系统的运行带来安全隐患。在设计航天系统用溢流阀时，应充分考虑结构的可靠性。另一方面，普通的溢流阀通常没有有效的抑制稳态液动力的手段。此外，在普通溢流阀的使用场合，溢流一般流回油箱，溢流腔的背压不大，而在航天动力系统中有时不得不面对高背压的工况。最后，普通溢流阀在负载突降的工况下，大推力弹簧推动阀芯复位常常因为出现真空而产生卡顿，这在航天伺服系统中也是不允许的。单纯通过提高加工精度和选择性能优越的材料虽然也可以缓解上述问题，但是成本较高，本专利旨在从优化结构设计的角度来缓解上述问题。

发明内容

为了解决上述背景技术存在的问题，本发明提供一种适用于有背压工况补偿液动力的溢流阀。

本发明所采取技术方案是：一种适用于有背压工况补偿液动力的溢流阀，包括阀芯、与阀芯滑动配合并套装在阀芯外侧的阀体、封堵在阀体一侧的弹簧端盖以及设置在弹簧端盖和阀芯之间的主弹簧；所述阀体上设有入口A、出口B、溢流口C和卸油口D，阀体和阀芯之间形成腔室e、油腔f和弹簧腔g，所述溢流口C与油腔f连通，阀芯和阀体在油腔f的入口端设有阀口，在阀芯靠近阀口处设有凸缘结构。

本发明的有益效果在于：

1.本发明在传统滑阀式溢流阀的基础上进行结构改进。基于阀口流场计算流体动力学迭代寻优设计的阀芯凸缘，有效补偿了稳态液动力，使得阀芯启闭时压力相近。

2.阀芯采用的阶梯式设计、中空设计、并联双弹簧设计等使得阀的结构紧凑，具有大推重比。

3.通过在阀芯上开设阻尼孔，在阀芯回撤过程中及时进行补油，有效消除了阀芯“卡顿”现象。另一方面，通过合理匹配阀芯阻尼孔和回油口阻尼孔的节流面积，有效消除了溢流口背压对阀芯平衡的不良影响，因此本发明可良好的适用于溢流口有背压的工况。

4.所设计的利用凸缘结构补偿液动力利用有源阻尼孔消除背压的溢流阀具有稳压精度高、响应快的特点，满足于航天伺服系统的技术要求，并提升了设备的可靠性。

附图说明

图1是本发明主剖视图；

图2是图1的K-1局部放大图；

图3是图1的K-2局部放大图；

图4是阀芯等轴测图；

图5是阀芯主视图；

图6是本发明定压溢流工况示意图；

其中：1、弹簧端盖；2、弹簧导杆；3、弹簧垫片；4、主弹簧；5、螺堵；6、油腔f；7、辅弹簧；8、阀芯；9、阀体；10、出口B；11、入口A；12、凸缘结构；13、阻尼孔一；14、溢流口C；15、弹簧腔g；16、卸油口D；17、阻尼孔二；18、腔室e；19、端面i；20、小槽；21、环形面j。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图1～6对本发明作进一步的详细说明。

一种适用于有背压工况补偿液动力的溢流阀，包括阀芯8、与阀芯8滑动配合并套装在阀芯8外侧的阀体9、封堵在阀体9一侧的弹簧端盖1以及设置在弹簧端盖1和阀芯8之间的主弹簧4；所述阀体9上设有入口A11、出口B10、溢流口C14和用于接油箱的卸油口D16，阀体9和阀芯8之间形成腔室e18、油腔f6和弹簧腔g15，所述溢流口C14与油腔f6连通，阀芯8和阀体9在油腔f6的入口端设有阀口，辅弹簧7同轴设在主弹簧4内侧，辅弹簧7两端分别抵触在弹簧端盖1和阀芯8之间。

还可以，主弹簧4和辅弹簧7套装在弹簧导杆2上，弹簧导杆2后端抵触在弹簧端盖1内，弹簧导杆2前端插入阀芯8设有的插槽内，弹簧导杆2为三阶台阶结构且从前到后直径依次增加，所述主弹簧4抵触在弹簧导杆2的最大台阶面上，辅弹簧7抵触在弹簧导杆2的第二台阶面上。

主弹簧4和辅弹簧7与弹簧导杆2之间均设有弹簧垫片3。

溢流阀接在需要保护或者需要定压、溢流的回路上。在阀芯8的端面i19上开设了多个小槽20，优选为四个，如图4-5阀芯8零件图所示，回路油液首先进入端面i19与阀体9的孔道围成的腔室e18，并作用在端面i19上形成液压推力。当液压推力小于主弹簧4和辅弹簧7的弹簧力时，阀芯8右位工作，阀口关闭，外部油液从入口A11流入，从出口B10流出，无溢流，进出口的油液压力无变化。此时，阀芯8位置和阀口启闭情况如图1所示。当液压推力大于弹簧力时，阀芯8向左移动，阀口逐渐打开，外部油液经过阀口进入溢流口C14，所设计溢流阀对来油进行溢流与泄压。阀口的开度随着来油压力的变化而变化，维持出口B10流出的油液压力为恒定值。此时，阀芯8位置和阀口启闭情况如图6所示。

为了解决在航天伺服领域实际使用过程中，可能遇到的如背景技术中所述的一些问题，本发明主要做了以下三个方面的结构设计。

①在阀芯8靠近阀口处设有凸缘结构12，如图1、图3和图6所示，用于削弱阀口启闭时的稳态液动力。稳态液动力是由于油液通过阀口时动量发生改变产生的，本质原因是开启时阀口的流场压力低于关闭时的静压力。通过优化凸缘结构12的直径Dt和凸缘结构12右表面到阀体9内壁之间的距离Lt，可以改变阀口处的压力和流场分布，使得开启时阀芯8端面压力接近闭合时的静压力，从而补偿大部分液动力，以保证阀的稳压精度。阀芯8的凸缘结构12一般不具有通用性，不同结构尺寸的阀在不同场合需要的凸缘结构12尺寸各异，但是凸缘结构12的设计方法具有一定的通用性。传统的凸缘结构12尺寸设计采用基于经验的试凑法，不但耗费精力，结果也不够准确，还会出现过补偿的情况。本专利采用基于阀口流场计算流体动力学仿真的迭代寻优，对凸缘结构12尺寸进行优化设计，优化目标为覆盖阀芯8全部行程的液动力波动最小，得到了覆盖整个阀芯8行程的最佳凸缘结构12。

②取消了阀芯8的衬套，阀芯8的台肩直径采用阶梯式设计。在局部引入凸缘结构12后，出于装配的需要，阀体9孔道的直径必须进行相应的扩大。普通的溢流阀通常采用在阀芯8外部安装衬套的方式来保证阀体孔壁与阀芯的配合。当对溢流阀的定压性能要求较高时，这种设计对阀体孔道、阀芯、衬套的同心度的要求较高，加工精度高且在大载荷工况下，结构可靠性不足。本溢流阀对阀芯8的台肩直径进行了阶梯式设计，同步加大与阀体9孔道扩大部分相配合的阀芯8台肩的直径，降低了加工难度，增强了结构可靠性。此外，为提高阀的推重比，采用了并联式双弹簧设计，在增大推力的同时尽量减小弹簧的体积，并将阀芯8设计为中空，尽量减少其重量。

③在所述阀芯8位于和溢流口C14之间的部位开设阻尼孔一13，在弹簧腔g15处的阀芯8卸油口D16通过螺堵5封堵，并在螺堵5上设置了一个阻尼孔二17，形成一对串联的阻尼孔，见图1、图6中标出的阻尼孔一13和阻尼孔二17。在本溢流阀中，我们利用溢流口C14处的背压和阻尼孔一13来解决大负载工况下，载荷突降导致的阀芯8“卡顿”现象，并通过匹配阻尼孔一13和阻尼孔二17的节流面积来消除背压对阀芯8作用力平衡的影响。原理如下：

当工作负载突降时，作用于阀芯8端面i19上的液压力不足以克服主弹簧4和辅弹簧7的弹簧力，阀芯8右移，弹簧腔g15容积不断扩大，此时需要对弹簧腔g15进行补油，否则阀芯8将因为弹簧腔g15内产生的真空而停止运动，呈现出走走停停的运动状态，负载压力下降的越快，这种情况越严重。本溢流阀通过在弹簧腔g15与溢流口C14之间的阀芯8部位上开设阻尼孔一13，利用溢流口C14处的背压向弹簧腔g15补油，有效消除了阀芯8“卡顿”的现象。

另一方面，由于阀芯8台肩采用了阶梯式设计，油腔f6的油液压力作用于环形面j21上，破坏了阀芯8上作用力的平衡。为此，本溢流阀在安装在卸油口D16处的螺堵5上开了开设阻尼孔二17，溢流口C14的油液经过阻尼孔一13进入弹簧腔g15，再经过阻尼孔二17回油箱。阻尼孔一13和阻尼孔二17串联，其中溢流口C14的油液压力为Pc，油箱压力为0，则弹簧腔g15压力Pg与阻尼孔一13和阻尼孔二17的节流面积A1、A2有关。计算公式为：

通过合理设计阻尼孔一13和阻尼孔二17的节流面积A1、A2，使得P

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。