本發(fā)明涉及液壓閥減振領域，具體涉及一種用于液壓閥的減振裝置及設計方法。
背景技術：
：液壓系統(tǒng)作為硬巖掘進機TBM的關鍵系統(tǒng)之一，輔助硬巖掘進機完成推進，撐靴等動作，TBM的工作原理是利用刀具的旋轉擠壓隧道周圍的巖石進行掘進，由于巖石存在縫隙，斷層，TBM會在掘進過程中不可避免的產生強烈的振動，液壓閥作為TBM液壓系統(tǒng)的重要構件，在強振動下液壓閥的動力學特性會發(fā)生改變，造成閥芯位移，壓力以及流量上的波動，極大的影響TBM的工作穩(wěn)定性。目前液壓閥安裝方面一般是先與配套的閥塊連接后，再利用螺栓直接固連在基座上，基座的振動會直接傳遞到液壓閥上，液壓閥的工作穩(wěn)定性僅僅取決于液壓閥內部結構設計，比如閥芯彈簧設計以及流道口添加橡膠墊等，在強振動工況下，減振效果有限，如果采用在閥塊底座直接墊橡膠墊或者彈簧的形式，也只能削弱一個方向的振動，并且不同的液壓閥動力學特性不同，若采用相同的橡膠墊或彈簧在減振效果也具有較大差異性。技術實現要素：本發(fā)明提供了一種用于液壓閥的減振裝置，該減振裝置的特征在于：主要通過橡膠進行減振，該裝置具有兩處減振橡膠套，一處主要用于削弱縱向振動對液壓閥的影響；另一處主要用于削弱徑向振動對液壓閥的影響，液壓閥閥塊組件與裝置的支撐件連接，卡套用于固定支撐件并與基座連接。減振裝置由縱向減振橡膠套，卡套，支撐件和徑向減振橡膠套組成，卡套表面開有通孔，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。本發(fā)明同時提供了一種針對該裝置的減振橡膠套的設計估算方法，建立起液壓閥在振動下的動力學模型并進行仿真分析，針對相應的液壓閥以及閥塊，得出液壓閥閥體在不同振動參數下的可靠性區(qū)域，然后基于可靠性區(qū)域，得出相應的減振率，從而設計減振裝置的橡膠配件，以達到減振要求。橡膠配件的設計是通過以下技術方案來實現的：(1)建立液壓閥在振動下的動力學方程，不同的液壓閥其振動下的評定指標不同，對于電磁換向閥可根據其振動下閥芯位移的波動程度作為評價指標，對于溢流閥可根據在振動下的壓力波動程度作為指標，對于調速閥可由其流量波動程度作為評價指標。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(fā)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：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；當振動為隨機振動時，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)(Fc1-(Ft1-Fc1).exp(-α1|v1|)+B1v1.(2)式中：v1為主閥閥芯速度，Fc1為主閥閥芯所受庫倫摩擦力，Ft1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Fs1為主閥閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力，由下式確定：Fs1＝CdCvπD1ysin(2α)p1.(3)式中：Cd為流量系數；Cv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：式中：ρ為油液密度；通過主閥阻尼孔流量q1可由下式計算：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為先導閥前腔壓力。通過先導閥阻尼孔流量q2可由下式計算：式中：d2為先導閥阻尼孔直徑，l2為先導閥阻尼孔長度，p2為先導閥前腔壓力。主閥前腔流量連續(xù)方程為式中：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(xù)方程為式中：V2為主閥上腔容積。先導閥閥芯受力平衡方程為：式中：x為先導閥閥芯相對于基座的橫向位移，p3為先導式閥前腔壓力，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；當振動為隨機振動時，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)(Fc2-(Ft2-Fc2).exp(-α2|v2|)+B2v2.(10)式中：v2為先導閥閥芯速度，Fc2為先導閥閥芯所受庫倫摩擦力，Ft2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。Fs2為先導閥閥芯所受穩(wěn)態(tài)液動力，由下式確定：Fs2＝CdCvπD2xsin(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(xù)方程為：先導閥前腔流量連續(xù)方程為式中：V3為先導閥前腔容積。根據以上建立的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/T12241-2005的規(guī)定，溢流閥作為安全閥時，若穩(wěn)態(tài)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，可以繪制先導式溢流閥在不同振動參數下的可靠性區(qū)域，對于簡諧振動可繪制頻率f與振幅A下的可靠區(qū)域，而對于隨機振動可繪制不同功率譜密度S以及頻率帶{f1，f2}下的可靠區(qū)域，根據可靠性區(qū)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(qū)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0.8s，溢流閥在振動下達到穩(wěn)態(tài)時其壓力曲線會發(fā)生波動，假設0.1s后溢流閥達到穩(wěn)態(tài)，記錄0.1s-0.8s時間段內的數據值pi(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(fā)生失效：|pi-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(qū)域。(2)根據液壓閥在振動下的可靠性區(qū)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(huán)狀橡膠。橡膠楊氏模量與硬度的關系由下式計算：式中：Es為減振橡膠套靜態(tài)楊氏模量，HA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：式中：Gs為減振橡膠套靜態(tài)剪切模量，υ為泊松比。橡膠減振套的固有頻率fn計算公式為：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，減振率可由下式計算:式中：Td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fn的比值，η為無因次損耗因子。當振動為隨機振動時，減振率可由下式計算: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，垂直剛度可由下式計算：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(tài)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，θc為形狀系數可根據以下公式計算：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：式中：k2為徑向減振橡膠套的徑向剛度，d為動靜比，GS為橡膠的靜態(tài)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。針對于本套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(qū)域，確定所需的減振率Td，根據減振率Td先確定橡膠套的固有頻率fn，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(huán)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(qū)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S，結合液壓閥在隨機振動下的可靠性區(qū)域確定減振率，從而確定減振橡膠元件尺寸參數。根據本發(fā)明所提供的減振裝置與設計方法，可以針對不同的液壓閥以及閥塊，設計相應的減振裝置，達到所需的減振效果，同時，本發(fā)明采用可拆卸結構，可以隨時更換橡膠配件，設計簡單，安裝方便，制造成本也不高，具有較大的工程實用價值。附圖說明圖1為減振裝置二維結構示意圖；圖2為減振裝置三維結構示意圖；圖3為減振裝置安裝示意圖；圖4為減振裝置的卡套結構示意圖；圖5為減振裝置的支撐件結構示意圖；圖6為先導式溢流閥結構示意圖；圖7為先導式溢流閥的simulink仿真模型；圖8為先導式溢流閥在縱向簡諧振動下的可靠性區(qū)域；圖9為先導式溢流閥在徑向簡諧振動下的可靠性區(qū)域；下面結合附圖和具體實施方式對本發(fā)明做進一步的詳細說明。具體實施方式參看圖1、圖2，該減振裝置5主要由縱向減振橡膠套1，卡套2，徑向減振橡膠套3以及支撐件4組成。一般液壓閥配套的閥塊6有2～8個連接孔，從而相應安裝對應數目的減振裝置5，減振裝置與閥塊的安裝參看圖3?？ㄌ?結構參看圖4，卡套2開有通孔，與基座之間利用螺栓固定，同時在卡套中間上開一圈凹槽，用于安裝徑向減振橡膠套3，此處安裝環(huán)狀橡膠套3的目的是削弱徑向振動對液壓閥塊組件的影響。支撐件4結構參看圖5，其上開有螺紋孔，與配套閥塊6的螺栓進行螺紋連接，支撐件4端部設計成環(huán)狀凸臺結構，凸臺與卡套2的凹槽間隙配合，防止液壓閥閥塊組件在垂向振動作用下脫離裝置。環(huán)狀凸臺上表面及底面應保證較好的光潔度，同時凸臺的側面、上表面與卡套2相應配合的內表面之間均應留有一定間隙，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4不被卡死，側向間隙需結合振動幅值而定，一般取1～2mm，上部間隙取0.5～1mm。閥塊6與支撐件4的連接螺栓上再套一層縱向減振橡膠套1，用以削弱縱向振動對液壓閥閥塊的影響。減振橡膠套1、3材料為天然橡膠，支撐件4材料選用45號鋼，卡套2材料可選用塑料或者結構鋼材料。某型號的先導式溢流閥結構示意圖參看圖6。其主要結構參數如表1所示。表1某先導式溢流閥主要結構參數表假設振動類型為簡諧振動，在Matlab/Simulink中建立相應的先導式溢流閥在振動下的仿真模型，參看圖7，在無振動下先導式溢流閥的調定壓力為11MPa，先導式溢流發(fā)在振動下其壓力會發(fā)生波動，根據穩(wěn)態(tài)下調定壓力偏差不能超過調定壓力的±3％為評價指標，仿真時間為0.8s，定義0.1s時溢流閥的壓力曲線開始達到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄0.1s至0.8s的壓力波動最大(最小)峰值與無振動時溢流閥的調定壓力差值是否大于調定壓力的3％，繪制縱向與橫向振動下先導式溢流閥的可靠性區(qū)域，參看圖8、圖9。令減振橡膠的硬度為50HS,具體材料性能參數參看表2，縱向減振橡膠r1內徑與溢流閥配套閥塊的螺栓配合，故內徑r1由其螺栓外徑決定。徑向減振橡膠套內徑R1與支撐件配合，故內徑R1由其支撐件配合面外徑決定，先導式溢流閥與配套閥塊的總質量M測量為6kg。表2橡膠套性能參數表橡膠硬度/HS靜態(tài)楊氏模量Es/Mpa靜態(tài)剪切模量Gs/Mpa泊松比υ動靜比d502.4650.8220.49951.1(1)縱向減振橡膠套設計假設振動頻率為50Hz，振幅為2.5mm，參看圖8，此時先導式溢流閥已失效，減振率至少要達到40％，才可避免壓力波動超出允許范圍，令減振率Td＝40％，橡膠的無因次損耗因子η初定為0.04，利用式(18)可得其固有頻率fn＝30.607Hz，代入式(17)可得，k1＝55.47N.mm，令r2＝9mm，r1＝3mm，代入式(19)可得橡膠套的厚度h＝14.24mm。上述對橡膠套的設計只是針對單一頻率的簡諧振動，而實際工況振動多為隨機振動，隨機振動可以看成一系列不同頻率簡諧振動的疊加，根據式(18)可得，只有當頻率比時，橡膠才具有減振作用，若所含振動的頻率段除了主頻50Hz外，還包含橡膠的固有頻率，此時液壓閥的位移會被放大，參看圖8可知，當f＝30.607Hz時，其振動的最大位移不能超過2mm，若f＝30.607Hz振動的振幅為1mm，那么振動的位移放大率限制為200％，此時需要修正橡膠的無因次阻尼因子η，令η＝0.6，此時減振裝置達到固有頻率的放大率由下式計算：式中：Tabs為振動達到固有頻率時，橡膠的位移放大率，即當η＝0.6，減振裝置達到共振頻率時最大可承受的位移為1.67mm，此時對于主頻為50Hz的振動，為保證減振率仍為40％，其固有頻率fn＝27.967Hz。此時其垂直剛度k1＝46.32N.mm，代入式(20)，(21)可得，橡膠套的厚度h＝16.7mm,修正后的橡膠套高度h仍小于外徑d2,故基本不會發(fā)生彎曲失穩(wěn)。由上可知，當縱向減振橡膠套的外徑r2＝9mm，內徑r1＝3mm，高度h＝16.7mm時，對于主頻為50Hz的振動，其減振率可達40％。若振動源還包含0～50Hz這一頻率段的振動，其達到共振頻率時，位移放大率控制在167％以內。(2)徑向減振橡膠套設計假設先導式溢流閥受到頻率為50Hz，振幅為1mm的橫向振動，參看圖9，可知徑向減震橡膠的減震率至少要達到50％，才能避免失效，令減振率Td＝50％，橡膠的無因次損耗因子η初定為0.04，利用式(18)可得其固有頻率fn＝28.85Hz，代入式(17)可得，k2＝49.29N.mm，由于外徑R1，R2的尺寸是可調的，可結合安裝空間確定，假定R2＝17mm，R1＝10mm，則代入式(22)，可得h≈3mm。若所含徑向振動的頻率段除了主頻50Hz外，還包含橡膠的固有頻率，此時液壓閥的橫向位移同樣會被放大，參看圖8可知，當f＝28.85Hz時，其振動的最大位移不能超過1.6mm，若f＝28.85Hz振動的振幅為0.8mm，那么振動的位移放大率限制為200％，此時需要修正橡膠的無因次阻尼因子η，令η＝0.5，此時減振裝置達到固有頻率的放大率Tabs由式(23)計算可得為200％，減振裝置達到共振頻率時最大可承受的位移為1.6mm，此時對于主頻為50Hz的振動，為保證減振率仍為50％，計算其固有頻率fn＝22.42Hz。此時減振橡膠套的垂直剛度k1＝29.77N.mm，代入式(22)可得出修正后對應的徑向橡膠套尺寸參數。綜上所述，對于該減振裝置的橡膠套設計，首先要確定對液壓閥動力學特性產生直接影響的振動方向與類型，若振動源為單一頻率簡諧振動，則可直接結合液壓閥在振動下的可靠性區(qū)域，確定所需的減振要求，然后對橡膠的尺寸進行設計。若振動源還包含其他頻率段的振動，則需對振動進行頻譜分析，如振動源的頻率帶包含共振帶，則需對橡膠的損耗因子η與尺寸參數進行修正，以限制達到共振點時位移的放大率。同時考慮到橡膠的尺寸參數直接影響到卡套，支撐件尺寸的設計，設計時具體的橡膠尺寸還需結合安裝空間要求進一步確定，而不是本著減振率越大越好的原則。對實際工況中操作工程人員在不脫離本設計原理的基礎上，對裝置構件外形尺寸的適當改進也應在本發(fā)明專利保護范圍內。當前第1頁1 2 3