比例阀之阀芯设计

如众所知，也无需讳言，国内目前我们说的液压元件开发设计大部分还基本上是在有样机基础上测绘仿制。

那么问题来了，跟老外做了这么多年的学生了，难道就这么一直测绘仿制下去……？

所以今天想跟同学们探讨一下该如何去设计一根比例方向滑阀阀芯？

本人也是摸着石头过河，贻笑大方，权且抛砖引玉。

从液压阀发展史看，是先有的伺服阀和普通阀，再有的比例阀。以科学发展规律看，是不是注定比例阀应该成为更高级的一类阀？比例阀芯也就成了最复杂的一种，因此我们假定基于伺服阀和普通阀一定基础上，本着删繁就简，抓大放小的原则，着重梳理下主要尺寸和关系，

以E100L三位四通电液动阀芯为例，

O/E型机能相对简单，其他机能可以在E型基础上演化而来；同时线性L阀芯也是基础型。

并请注意与直动式的区别。

①先确定阀芯外径（D）和行程(Xv)

工欲善其事必先利其器，开始之前建议把相关公式先做成excel计算表；

阀芯直径与行程关系可参照之前推文：阀之直径与行程。

如果有伺服阀或普通阀的基础，又或已有阀体数据，可以确定直径或行程二者之一，则另外一个可以由流量公式计算得出。

没有也没有关系，可以根据经验或常识先假定一个，设计从来也不是一蹴而就的，后面也还是可以回过头来不断修正的，你看这也是为何各家明明类似的阀阀芯直径和行程却并不一致，本来也并非唯一嘛。

需要指出的是，避免少走弯路，作为工程师还应该有全局观，不仅仅着眼这一根具体的阀芯，还应有整个系列的规划，甚至放到整个市场大环境下与所有产品的各种优劣关系。比如100l/min如此;180/200l/min;250l/min;300l/min呢？

虽然我们说允许反复，然而工程师就该努力让自己一次成功，这是我们应该为之奋斗的目标！反复到天荒地老谁都可以。

• 为预留一定余量，可以取4bar压差取代原本的5bar来初步设计。

②确定台阶数量和个台阶长度

对于四通阀来说，一般而言，我们总是默认选择四凸肩结构。中间两个阀口台阶，两端各一个驱动兼导向等功能的辅助台阶

        此时就不得不用我们前面提到的基础了，离开与阀体的配合，单独的阀芯是无法独立实现任何功能的，包括中位和工作位机能。因此阀芯台阶宽度需由配合的阀体共同确定，

        而阀体上相应台阶和孔道受通流能力和标准安装底面及功能需求所部分确定，而后受流道优化，孔道间距，材料强度等所左右；并受体积仅可能小（成本），工艺等驱动最终成型。

值得一提的是中间台阶除了两个阀口、（阀芯行程）的宽度，还有着大约（20±5）%的死区占位；而两端的台阶应始终处于导向范围内至少应不损害导向功能并应能控制好对中弹簧的工作范围。

③确定颈部直径

按照经验初步设计总是可以先取A1/A2=3;即颈部直径为阀芯直径的一半d=D/2。值得一提的为了防止流量饱和，阀芯通道的面积应至少为最大控制窗口面积的四倍，回过头来这也给我们①设定的最大行程提供和参照和印证。

④初选阀芯材料，常见阀芯材料可参看推文：国内外材料对照表。

⑤ 以极限工况对阀芯进行受力分析（计算或仿真）并设安全系数，若结果无法满足则需重新调整尺寸或材料选择。

尺寸L又称为阻尼长度，是瞬态液动力的重要参数，关系着稳定性，因而在颈部长度设计时需予以注意。

⑥选择阀口形式和设计阀口深度

阀口形状决定了流量曲线的状态，常见的有矩形，梯形和圆形：矩形线性最好常用于伺服阀（方窗口）；圆形易加工性最好；梯形性能 比较综合，是力士乐阀芯常采用的结构。

可以根据需求选择。

阀口深度设计，阀口可以等效看作两个阻尼串联而成，一个深度不变的轴向阻尼和一个随阀口灵敏轴向变化的径向阻尼。为了确保阀口的可控性和灵敏度，轴向阻尼尽量不参与节流就成了基本原则之一。

⑦优化控制边。控制边是阀的核心关键，绝对值得小心仔细设计。

⑧至此毛坯基本成型了，剩下的就该细化了

• 标注形位公差和尺寸公差，

• 其中芯孔间隙乃滑阀核心尺寸，建议按8015E原则来确定，若取大一些有利于阀芯可以在阀腔内自由滑动；加工的难度也会降低；对油液清洁度也会降低敏感度。但内漏也随之增大；更为关键的是零位性能会因此变坏。因此我们总是希望在必要前提下尽可能的减少间隙。然而你会发现加工能力，压力变形，温度变形加上使用工况；是绕不开的火焰山。最终在不断平衡取舍过程下形成一个适合的经验间隙。也许从普通阀芯孔间隙一般要略小于比例阀的，可窥一斑。

• 技术要求；热处理要求：淬透深度和硬度要求等。
  

• 看情况，高性能阀可能还有必要进行液动力计算和补偿。

⑨公差计算！遗憾的是这常常被忽视和省略。但尺寸链的公差核算确是老外们最为看重的一步！

最后，当然需要试验的验证。包含但不仅限于试验台测试验证，需要的话每项甚至每一参数都可以进行DOE验证

过程中每一步若发现有什么不妥，则应回过头去重新设计调整。或许这本就是个轮回往复的过程。

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原文始发于微信公众号（阀控系统）：比例阀之阀芯设计