交替矩形窗口導控激振閥閥芯有限元分析

徐劍+王旭芳+胡超超+柯昌云+王澤旭+陳華濤

摘要：針對交替矩形窗口導控激振閥閥芯的設計方案，為保證閥芯在正常工作時能穩定可靠的工作，采用了有限元仿真分析的手段對閥芯進行了應力仿真與分析，仿真分析結果表明，閥芯結構滿足強度和變形要求。

關鍵詞：激振閥 閥芯 交替矩形窗口機構壓力交替變化

0 前言

隨著現代工業技術的發展，尤其航空航天、高速列車等高科技領域的不斷發展，以及對產品安全性能、可靠性等方面的要求不斷提高，對疲勞試驗設備工作頻率和激振載荷的幅值等都提出了更高的要求。當前航空航天飛行器、汽車和高速列車的關鍵零部件疲勞壽命要求必須達到107周次以上，有些設備的疲勞壽命甚至高達1010周次，美國空軍"發動機結構完整性大綱（ENSIP）"規定了"發動機部件"的疲勞壽命最低應達到109周次。液壓激振器作為疲勞試驗的一種常用設備，其核心元件液壓激振閥的使用壽命和可靠性就成為疲勞試驗的關鍵，因此，如何液壓激振閥的可靠性對其結構設計其提出了極高的要求，要求其閥體、發套和閥芯的結構設計合理，這對提高疲勞試驗臺的穩定運行具有重要的現實意義[1-4]。

本文針對一種交替矩形窗口導控激振閥的閥芯結構進行了有限元仿真分析和變形分析，研究其結構設計合理性。

1 總體方案設計

圖1為交替矩形窗口導控激振閥總體設計方案，該閥由閥體、閥芯、齒輪傳動機構、步進電機等主要零部件組成，該閥使用步進電機作為電-機械轉換器，通過齒輪驅動閥芯做軸向旋轉，在閥芯旋轉時，閥芯左凸肩上的兩組矩形窗口機構交替與閥體內部的兩壓力通道接通，控制閥芯左右壓力腔的壓力產生交替變化，驅動閥芯作軸向往復運動，使得激振閥的高壓油口與兩控制口交替通斷，輸出交變壓力油，驅動激振油缸活塞桿的伸出與縮進，對外輸出交變力，從而實現激振。

2 閥芯的方案設計

圖2所示為閥芯結構，閥芯左凸肩上設有交替矩形窗口，起到導控作用，閥芯具有旋轉和軸向兩個自由度。交替矩形窗口導控激振閥結構設計了兩組8個矩形窗口數，兩組矩形窗口在周向上相互交替，閥芯直徑為12mm，兩個相鄰窗口所對應的圓心角為45°。

3 閥芯的有限元分析

閥芯采用的材料為GCr45軸承鋼，彈性模量E=217 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7800 kg/m3，許用應力[σ]=1442 MPa。閥芯在25MPa壓力下，左凸肩上交替矩形窗口處應力情況如圖3所示，此時閥芯所受最大應力為248.9MPa，遠遠小于許用應力，閥芯強度滿足要求。

在25MPa壓力下閥芯左端交替矩形窗口處應變情況如圖4所示，此時閥芯最大應變為 ，當具有最大壓力時，閥芯變形不足以影響其在閥體內部的運動。

3.3 總體分析

根據仿真結果最終得到應力與壓力，應變與壓力兩條關系曲線如圖5、圖6所示，兩條直線均呈線性，說明在25MPa壓力下閥芯處于彈性形變即材料的比例極限范圍內。閥芯允許承受的應力遠小于許可應力，足夠安全可靠，符合設計要求。

4 結論

該交替矩形窗口導控激振閥閥芯的有限元仿真分析結果表明，閥芯結構滿足強度和變形要求，能保證閥的安全可靠工作。該閥可廣泛應用于疲勞試驗、振動鍛造、振動試驗臺、地震模擬試驗臺等系統中，具有廣闊的市場前景和應用價值。

參考文獻

[1]褚珩清，張忠偉，余亞超，等電液伺服地震體驗系統設計[J].浙江業大學學報，2009，37（5）：545-549

[2]王燕華地震模擬振動臺的研究長沙[D]：東南大學，2009

[3]賈文昂，阮健，李勝，等電液四軸高頻結構強度疲勞試驗系統[J].振動與沖擊，2010，29（5）：86-90

[4]賈文昂.2D閥控制電液激振器及在疲勞試驗系統中的應用研究[D]：浙江工業大學，2010