插裝型錐閥配合副流固熱耦合分析及流場(chǎng)可視化.pdf

1、社會(huì)需求是推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的強(qiáng)大動(dòng)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(shì)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(gè)嶄新的階段。在某些應(yīng)用場(chǎng)合，插裝閥是提高生產(chǎn)力和競(jìng)爭(zhēng)力的唯一選擇。
　　液壓閥相關(guān)的科學(xué)問(wèn)題，各類型液壓閥的流量特性、作用在閥芯上液動(dòng)力的大小和方向、液動(dòng)力對(duì)閥工作可靠性、操作靈活性和動(dòng)靜態(tài)特性的影響、內(nèi)部流場(chǎng)的可視化計(jì)算等，一直是流體

2、傳動(dòng)與控制技術(shù)領(lǐng)域中的基礎(chǔ)研究問(wèn)題，也是發(fā)展高性能液壓控制閥必須解決的關(guān)鍵問(wèn)題。錐閥作為插裝閥的主要結(jié)構(gòu)形式，通過(guò)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(guò)流斷面面積直接影響閥過(guò)流特性的計(jì)算，但關(guān)于錐閥過(guò)流斷面計(jì)算公式的現(xiàn)有理論尚存在問(wèn)題。閥芯帶錐但錐面不完整的錐臺(tái)形錐閥和閥座帶錐的錐閥在計(jì)算流量時(shí)采用按完整錐面錐閥導(dǎo)出的過(guò)流面積計(jì)算公式，會(huì)造成非常大的計(jì)算誤差。從過(guò)流斷面的定義出發(fā)，利用CFD流場(chǎng)可視化技術(shù)對(duì)錐閥的流

3、場(chǎng)進(jìn)行深入細(xì)致地研究分析，找出了其在整個(gè)大行程范圍內(nèi)不同開口度時(shí)的過(guò)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(guò)流斷面面積計(jì)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(dòng)工況時(shí)流動(dòng)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(shí)的過(guò)流斷面面積計(jì)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(dòng)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(gè)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(guò)分析液壓閥內(nèi)液流流動(dòng)過(guò)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(dòng)力對(duì)閥的動(dòng)靜態(tài)特性關(guān)系甚大，是設(shè)計(jì)液壓閥需考慮的重要因素。液動(dòng)力計(jì)算公式是液壓系統(tǒng)特性建模重要的基本方程之一，對(duì)液壓系統(tǒng)的特性有很大影響。閥芯開口度大時(shí)，錐臺(tái)形錐閥和閥座帶錐錐閥過(guò)流斷面的位置和計(jì)算發(fā)生變化，傳統(tǒng)的理論公式對(duì)其液動(dòng)力的計(jì)算也不再適用。液動(dòng)力本質(zhì)上是流體運(yùn)動(dòng)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(chǎng)分析入手，獲得閥芯底部壓力分布值，將壓力相對(duì)作用面積積分，得到其液動(dòng)力值，這是最直接的計(jì)算方法，且可細(xì)化流場(chǎng)信息得知液動(dòng)力產(chǎn)生的機(jī)理。為了便于工程實(shí)際使用，根據(jù)流場(chǎng)分析得出的液動(dòng)力產(chǎn)生的主要因素，結(jié)合控制體積的選取原則，對(duì)于不同閥口形式錐閥，內(nèi)外流工況不同時(shí)，選取不同的控制體積。根據(jù)動(dòng)量定理推導(dǎo)出的相應(yīng)的計(jì)算公式，最終給出了不同流動(dòng)方向下閥口全行程時(shí)的液動(dòng)力特性，精確度更高。
　　傳統(tǒng)的液動(dòng)力計(jì)算公式中，液動(dòng)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(wú)關(guān)。但錐閥進(jìn)出口壓差相同，進(jìn)出口壓力值低時(shí)，閥內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)變?yōu)閮上嗔?，與單相流的流動(dòng)特征不同，故需對(duì)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(lái)區(qū)分閥內(nèi)液流不同流動(dòng)特征。利用全空穴模型對(duì)閥內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行了兩相流模擬仿真，分析閥內(nèi)流場(chǎng)壓力分布，明確相同進(jìn)出口壓差，不同進(jìn)出口壓力值時(shí)液動(dòng)力區(qū)別的真正原因，對(duì)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(dòng)力的計(jì)算公式，并利用已有的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

7、>　　液壓技術(shù)遍布整個(gè)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(duì)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(shí)，考慮閥套和閥芯變形對(duì)于節(jié)流口過(guò)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(jì)理論不斷完善化所必須的。建立實(shí)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(dòng)過(guò)程的傳熱特點(diǎn)，對(duì)液流流動(dòng)過(guò)程流場(chǎng)、溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，得到整個(gè)錐閥固體、液體區(qū)域內(nèi)詳細(xì)的溫度

8、場(chǎng)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(duì)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(huì)有很大的變化，在實(shí)際過(guò)程中應(yīng)該針對(duì)典型工況進(jìn)行具體分析;閥芯閥套的變形對(duì)錐閥節(jié)流特性的影響一般可以忽略不計(jì)。對(duì)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(duì)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(jì)提供可供參考的依據(jù)。
　　最后搭建了插裝閥流量特性和動(dòng)態(tài)特性測(cè)試試

9、驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行試驗(yàn)研究。測(cè)試閥在不同壓差，不同開口度的穩(wěn)定流動(dòng)時(shí)的流量特性，驗(yàn)證過(guò)流斷面面積計(jì)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(dòng)力公式和過(guò)流斷面面積計(jì)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(hào)，測(cè)試閥的階躍響應(yīng)。將階躍響應(yīng)的仿真值和試驗(yàn)值進(jìn)行比較，結(jié)果表明采用提供的液動(dòng)力公式得到的計(jì)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