插裝型錐閥配合副流固熱耦合分析及流場可視化.pdf

1、社會需求是推動技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動力。液壓技術(shù)飛速發(fā)展，要求液壓系統(tǒng)滿足高壓力、大流量，但體積小、重量輕，且高精度、高效率，液壓插裝閥技術(shù)在此形勢下應(yīng)運(yùn)而生，二通插裝閥的出現(xiàn)使液壓技術(shù)的發(fā)展提高到了一個嶄新的階段。在某些應(yīng)用場合，插裝閥是提高生產(chǎn)力和競爭力的唯一選擇。
　　液壓閥相關(guān)的科學(xué)問題，各類型液壓閥的流量特性、作用在閥芯上液動力的大小和方向、液動力對閥工作可靠性、操作靈活性和動靜態(tài)特性的影響、內(nèi)部流場的可視化計算等，一直是流體

2、傳動與控制技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究問題，也是發(fā)展高性能液壓控制閥必須解決的關(guān)鍵問題。錐閥作為插裝閥的主要結(jié)構(gòu)形式，通過研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有理論有待進(jìn)一步研究解決完善。
　　閥口過流斷面面積直接影響閥過流特性的計算，但關(guān)于錐閥過流斷面計算公式的現(xiàn)有理論尚存在問題。閥芯帶錐但錐面不完整的錐臺形錐閥和閥座帶錐的錐閥在計算流量時采用按完整錐面錐閥導(dǎo)出的過流面積計算公式，會造成非常大的計算誤差。從過流斷面的定義出發(fā)，利用CFD流場可視化技術(shù)對錐閥的流

3、場進(jìn)行深入細(xì)致地研究分析，找出了其在整個大行程范圍內(nèi)不同開口度時的過流斷面位置。在研究中發(fā)現(xiàn)在小的閥芯行程范圍內(nèi)傳統(tǒng)過流斷面面積計算公式仍適用，若閥芯行程較大，傳統(tǒng)公式不再適用，且內(nèi)外流不同流動工況時流動特征出現(xiàn)很大的差異。首先確立傳統(tǒng)公式適用的臨界開口度，推導(dǎo)了不同行程時的過流斷面面積計算公式。并指出閥口錐部導(dǎo)流作用不同，局部損失不同是造成內(nèi)外流流動特征差異的根源。閥口的抗氣蝕特性也是閥口節(jié)流性能好壞的一個重要指標(biāo)，但判斷空化初生的標(biāo)

4、準(zhǔn)目前尚未統(tǒng)一。通過分析液壓閥內(nèi)液流流動過程，追溯空化產(chǎn)生根源，提出了壓力恢復(fù)系數(shù)表征不同閥的抗氣蝕能力。
　　液動力對閥的動靜態(tài)特性關(guān)系甚大，是設(shè)計液壓閥需考慮的重要因素。液動力計算公式是液壓系統(tǒng)特性建模重要的基本方程之一，對液壓系統(tǒng)的特性有很大影響。閥芯開口度大時，錐臺形錐閥和閥座帶錐錐閥過流斷面的位置和計算發(fā)生變化，傳統(tǒng)的理論公式對其液動力的計算也不再適用。液動力本質(zhì)上是流體運(yùn)動所造成的閥芯壁面壓力分布發(fā)生變化而產(chǎn)生的，故從

5、流場分析入手，獲得閥芯底部壓力分布值，將壓力相對作用面積積分，得到其液動力值，這是最直接的計算方法，且可細(xì)化流場信息得知液動力產(chǎn)生的機(jī)理。為了便于工程實際使用，根據(jù)流場分析得出的液動力產(chǎn)生的主要因素，結(jié)合控制體積的選取原則，對于不同閥口形式錐閥，內(nèi)外流工況不同時，選取不同的控制體積。根據(jù)動量定理推導(dǎo)出的相應(yīng)的計算公式，最終給出了不同流動方向下閥口全行程時的液動力特性，精確度更高。
　　傳統(tǒng)的液動力計算公式中，液動力與進(jìn)出口壓力差值

6、成正比，與進(jìn)出口壓力值的大小無關(guān)。但錐閥進(jìn)出口壓差相同，進(jìn)出口壓力值低時，閥內(nèi)流動狀態(tài)變?yōu)閮上嗔?，與單相流的流動特征不同，故需對傳統(tǒng)公式進(jìn)行修正。提出用臨界進(jìn)口壓力值和臨界出口壓力值來區(qū)分閥內(nèi)液流不同流動特征。利用全空穴模型對閥內(nèi)流場進(jìn)行了兩相流模擬仿真，分析閥內(nèi)流場壓力分布，明確相同進(jìn)出口壓差，不同進(jìn)出口壓力值時液動力區(qū)別的真正原因，對傳統(tǒng)公式進(jìn)行修正，推導(dǎo)出了適用于兩相流狀態(tài)下液動力的計算公式，并利用已有的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗證。

7、>　　液壓技術(shù)遍布整個工業(yè)控制領(lǐng)域，包括一些高科技領(lǐng)域，為了達(dá)到更加精準(zhǔn)的控制，對控制元件的特性要求將更加苛刻。因此在研究插裝閥流量特性時，考慮閥套和閥芯變形對于節(jié)流口過流面積及閥套閥芯間配合間隙的影響，將是液壓元件設(shè)計理論不斷完善化所必須的。建立實際使用的插裝閥整體三維模型，包括閥芯閥體閥套，進(jìn)行了插裝閥液固熱耦合分析。首先根據(jù)液壓閥流體流動過程的傳熱特點，對液流流動過程流場、溫度場進(jìn)行數(shù)值模擬，得到整個錐閥固體、液體區(qū)域內(nèi)詳細(xì)的溫度

8、場分布規(guī)律，最后給出熱應(yīng)力和液壓力共同作用下的閥套閥芯變形量。分析表明閥芯閥套的變形對于閥芯閥套的配合間隙有一定的影響，但兩者的作用根據(jù)錐閥工況的不同，會有很大的變化，在實際過程中應(yīng)該針對典型工況進(jìn)行具體分析;閥芯閥套的變形對錐閥節(jié)流特性的影響一般可以忽略不計。對閥整體的流固熱耦合分析在一定程度上可科學(xué)估算變形量對閥套閥芯配合間隙及閥口特性的影響，從而為閥套閥芯設(shè)計提供可供參考的依據(jù)。
　　最后搭建了插裝閥流量特性和動態(tài)特性測試試

9、驗臺進(jìn)行試驗研究。測試閥在不同壓差，不同開口度的穩(wěn)定流動時的流量特性，驗證過流斷面面積計算公式的正確性。建立閥的AMEsim仿真模型，結(jié)合推導(dǎo)出的液動力公式和過流斷面面積計算公式進(jìn)行模型參數(shù)設(shè)置，模擬閥的階躍響應(yīng);給定閥不同階躍信號，測試閥的階躍響應(yīng)。將階躍響應(yīng)的仿真值和試驗值進(jìn)行比較，結(jié)果表明采用提供的液動力公式得到的計算結(jié)果是可信的。
　　以上研究成果進(jìn)一步完善了有關(guān)液壓閥流體力學(xué)的基本理論，給出了能準(zhǔn)確描述錐形插裝型主閥在大