【正文】 義書簽。 單向節(jié)流閥的模擬仿真基礎(chǔ)知識(shí) .................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 模擬仿真主要數(shù)值方法 .............................................. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 模型的仿真 ........................................................................ 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 單向節(jié)流閥主流道的網(wǎng)格劃分及流體分析 .............. 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 單向節(jié)流閥節(jié)流口開口寬度為 4mm 時(shí)的流道分析 ................................ 31 第五章 總結(jié)與展望 ................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） IV 參考文獻(xiàn) ....................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 致謝 ............................................................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄一：英文科技文獻(xiàn)翻譯 ....................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 附錄二：畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書 ........................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 1 第一章 緒論 引言： 社會(huì)的發(fā)展，要求人類賴以生存的環(huán)境是一個(gè)安全、無污染、高度文明的、美好的環(huán)境。因此要求科學(xué)技術(shù)向安全化、生態(tài)化、藝術(shù)化、環(huán)境系統(tǒng)優(yōu)化的目標(biāo)發(fā)展。 自帕斯卡定理發(fā)明幾百年來，由于液壓具有防銹，潤滑性好，粘度大的優(yōu)點(diǎn)，得以廣泛的應(yīng)用。人類利用礦物油作為液壓系統(tǒng)的工作介質(zhì)，創(chuàng)造了一代又一代的由液壓油傳動(dòng)與控制的各類主機(jī)系統(tǒng)，為社會(huì)生產(chǎn)力的發(fā)展做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，液壓系統(tǒng)的安全問題也隨之凸顯出來。 液壓系統(tǒng)中節(jié)流閥是重要的液壓元件，它 能調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個(gè)液壓執(zhí)行元件的安全。由于在實(shí)際工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，對(duì)有節(jié)流閥的系統(tǒng)來說，節(jié)流閥就必須控制流入或流場執(zhí)行元件的流量從而控制元件的速度，由于節(jié)流口而造成較大的壓力損失。本課題就是從改善和優(yōu)化節(jié)流閥的內(nèi)部流道著手，通過流場數(shù)值分析手段，降低液壓系統(tǒng)的局部壓力損失，進(jìn)而得到更合理的內(nèi)部流道。 本課題目的是利用所學(xué)的流體力學(xué)、液壓和控制知識(shí)為優(yōu)化節(jié)流閥內(nèi)部流場做理論研究。 本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容分為：原理部分、三維實(shí)體建模部分及流場分析部分。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 2 節(jié)流閥的用途： 圖 11 單向節(jié)流閥 節(jié)流閥是重要的液壓元件，其主要是用來改變相關(guān)閥口的流通面積，從而調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的工作流量并保證整個(gè)液壓執(zhí)行元件的安全。 節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油井測(cè)試、固井等高壓管路中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路壓力和流量的目的。 1. 對(duì)節(jié)流閥的性能要求： 流量調(diào)節(jié)范圍大，流量一一壓差變化平滑； 內(nèi)泄露量小，若有外泄露油口，外泄露量也要?。? 調(diào)節(jié)力矩小，動(dòng)作敏捷。 2. 節(jié)流閥的分類及工作原理 節(jié)流閥是通過改變節(jié)流截面或節(jié)流長度以控制流體流量的閥。將節(jié)流閥和單向閥并聯(lián)則可組成單向節(jié)流閥。節(jié)流閥和單向節(jié)流閥是簡易的流量控制閥。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 3 在定量泵液壓系統(tǒng)中，節(jié)流閥和溢流閥配合，可組成三種節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)，即進(jìn)油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)、回油路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)和旁路節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)。 節(jié)流閥沒有流量負(fù)反饋功能，不能補(bǔ)償由于負(fù)載變化所造成的速度不穩(wěn)定，一般僅僅用于負(fù)載變化不大或?qū)λ俣确€(wěn)定性要求不高的場合。 按照其功用，具有節(jié)流功能的閥有節(jié)流閥、單向節(jié)流閥、精密節(jié)流閥、節(jié)流截止閥和單向節(jié)流截止閥等；按節(jié)流口的結(jié)構(gòu)形式，節(jié)流閥有針式、沉割槽式、偏心槽式、錐閥式、三角槽式、薄刃式等多種；按其調(diào)節(jié)功能，又可 將節(jié)流閥分為簡式和可調(diào)式兩種。 單向節(jié) 流閥 ： 單向節(jié)流閥根據(jù)油液流動(dòng)方向的不同，既可以作為單向閥使用，又可以做節(jié)流閥使用，其主要有調(diào)節(jié)桿、止推、閥體、閥芯和彈簧組成，節(jié)流道呈軸向三角槽式。但有些時(shí)候，為了節(jié)流閥內(nèi)部流場分析的必要，可以將其內(nèi)部節(jié)流口及節(jié)流流道進(jìn)行簡化簡化建模，以便于分析計(jì)算。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 4 節(jié)流口堵塞原因 （ 1）油液中的機(jī)械雜質(zhì)或因氧化析出的膠質(zhì)、瀝青、碳渣等污染物等堆積在節(jié)流縫隙處； （ 2）由于油液老化或受到擠壓后產(chǎn)生帶電的極化分子，而節(jié)流縫隙的金屬表面上存在電位差，故極化分子被 吸附到縫隙表面，形成牢固的邊界吸附層，吸附層厚度一般為 58 微米，因而影響了節(jié)流縫隙的大小。以上堆積、吸附物堆積到一定厚度時(shí)，會(huì)被液流沖刷掉，隨后又重新吸附到閥口上。這樣周而復(fù)始，就形成了流量的脈動(dòng)； （ 3）閥口壓力差較大時(shí)，因閥口溫度高，液體受擠壓的程度增強(qiáng)，金屬表面也更容易收摩擦作用而形成電位差，因此壓差大時(shí)容易產(chǎn)生堵塞現(xiàn)象。 減輕節(jié)流口堵塞的措施 （ 1）選擇水力半徑大的薄刃節(jié)流口； （ 2）精密過濾并定期更換油液； （ 3）適當(dāng)減小節(jié)流口前后的壓力差； 采用電位差較小的金屬材料，選用抗氧化穩(wěn)定 性較好的油液，減小節(jié)流口表面粗糙度。 單向節(jié)流閥的特點(diǎn) （ 1）構(gòu)造比較簡單，便于制造和維修，成本低； （ 2）調(diào)節(jié)精度不高，不能作調(diào)節(jié)使用； （ 3）密封面易沖蝕，不能作切斷介質(zhì)用； （ 4）密封性較差。 節(jié)流閥按通道方式可分為直通式和角式兩種；按啟閉件的形狀分，有針形、溝形和窗形三種。節(jié)流閥的安裝與維護(hù)應(yīng)注意以下事項(xiàng)： 該閥經(jīng)常需要操作，因此應(yīng)該安裝在易于方便面操作的位置上； 安裝時(shí)要注意介質(zhì)方向與閥體所標(biāo)箭頭方向保持一致。 為了保證流量穩(wěn)定、節(jié)流口的形式易薄壁小孔較為理想。以下為幾種常用的節(jié)流口的形 式： 針閥式節(jié)流口，它通道長，濕周大，易堵塞，流量受油溫影響較大。一般用于對(duì)性能要求不高的場合。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 5 偏心槽式節(jié)流口，其性能與針式節(jié)流口相同，但容易制造，其缺點(diǎn)是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉(zhuǎn)閥芯時(shí)較為費(fèi)勁，一般用于壓力較低、流量較大和流量穩(wěn)定性要求不高的場合。 軸向三角槽式節(jié)流口，其結(jié)構(gòu)簡單，水力直徑中等，可得到較小的穩(wěn)定流量，且調(diào)節(jié)范圍較大，但節(jié)流通道有一定長度，油溫變化對(duì)流量有一定影響，目前被廣泛應(yīng)用。 周向縫隙式節(jié)流口，沿閥芯周向開有一條寬度不等的狹槽，轉(zhuǎn)動(dòng)閥芯就可以控制開口的大小。閥口做成薄刃形，通道短， 水力直徑大，不易堵塞，油溫對(duì)流量影響小，因此其性能接近于薄壁小孔，適用于低壓小流量的場合。軸向縫隙式節(jié)流口，在閥孔的襯套上加工出圖示薄壁閥口，閥芯作軸向移動(dòng)即可改變開口的大小。 在液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中，節(jié)流元件與溢流閥并聯(lián)于液壓泵的出口，構(gòu)成恒壓油源，使得泵出口的壓力恒定。節(jié)流閥和溢流閥相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的液阻，液壓泵輸出流量不變，流經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸的流量和流經(jīng)溢流閥的流量的大小，由節(jié)流閥和溢流閥的液阻相對(duì)大小來決定。節(jié)流閥式一種可以在較大范圍內(nèi)以改變液阻來調(diào)節(jié)流量的元件。因此可以通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥的液阻，來改變進(jìn)入液 壓缸的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度；但若在回路中僅有節(jié)流閥而沒有溢流閥與之并聯(lián)的話，則節(jié)流閥就起不到調(diào)節(jié)流量的作用。液壓泵輸出的液壓油全部經(jīng)節(jié)流閥進(jìn)入液壓缸。改變節(jié)流閥節(jié)流口的大小，只是改變液流流經(jīng)節(jié)流閥的壓力降。節(jié)流口小，流速快；節(jié)流口大，流速慢，而總的流量是不變的，因此液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度不變。所以，節(jié)流元件用來調(diào)節(jié)流量是有條件的，即要求有一個(gè)接受節(jié)流元件壓力信號(hào)的環(huán)節(jié)（與之并聯(lián)的溢流閥或恒壓變量泵）。通過這一環(huán)節(jié)來補(bǔ)償節(jié)流元件的流量變化。 節(jié)流閥的剛性表示它抵抗負(fù)載變化的干擾，保持流量穩(wěn)定的能力，即當(dāng)節(jié) 流閥開口量不變時(shí)，由于閥前后壓力差的變化，引起通過節(jié)流閥的流量發(fā)生變化的情況。流量變化越大，節(jié)流閥的剛性越大；反之，其剛性越小。 節(jié)流閥的壓力和溫度補(bǔ)償 普通節(jié)流閥由于剛性差，在節(jié)流開口一定的條件下通過它的工作流量受工作負(fù)載（亦即其出口壓力）變化的影響，不能保持執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)速度的穩(wěn)定，因此只適用于工作負(fù)載變化不大和速度穩(wěn)定性要求不高的場合，由于負(fù)載的變化很難避免，為了改善調(diào)速系統(tǒng)的性能，通常是對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行壓力補(bǔ)償，即采取措施使安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 6 節(jié)流閥前后壓力差在負(fù)載變化時(shí)始終保持不變。節(jié)流閥的壓力補(bǔ)償有兩種方式：一 種是將定差減壓閥與節(jié)流閥串聯(lián)起來，組合成調(diào)速閥；另一種是將穩(wěn)壓溢流閥并聯(lián)起來，組成溢流節(jié)流閥。這兩種壓力補(bǔ)償方式是利用流量變動(dòng)所引起油路壓力的變化，通過閥芯的負(fù)反饋動(dòng)作，來自動(dòng)調(diào)節(jié)節(jié)流部分的壓力差，使其保持不變。 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)對(duì)節(jié)流閥的主要要求有： 1）有較大的流量調(diào)節(jié)范圍，且流量調(diào)節(jié)要均勻； 2）當(dāng)閥前、后壓力差發(fā)生變化時(shí)，通過閥的流量變化要小，一保證負(fù)載運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定； 3）油溫變化對(duì)通過閥的流量影響要小； 4）油液通過安全閥時(shí)的壓力損失要小； 5）當(dāng)閥口關(guān)閉時(shí)閥的泄露量要小。 單向節(jié)流閥的歷史研究成果及應(yīng)用 對(duì)單向節(jié)流閥的研究內(nèi)容，主要包括理論研究，實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)字仿真。國內(nèi)外從六十年代初開始對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行研究。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。單向節(jié)流閥廣泛應(yīng)用于液壓控制系統(tǒng)的調(diào)速和延時(shí)回路中，其既可以作為單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用。穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力是影響單向節(jié)流閥性能的關(guān)鍵因素之一，不僅決定換向阻力，同時(shí)也影響單向節(jié)流閥的精確控制。 節(jié)流閥主要用于油田鉆井、油田測(cè)試、固井等高壓管路中，通過調(diào)節(jié)節(jié)流閥閥桿來改變節(jié)流孔面積，以達(dá)到調(diào)節(jié)管路中壓力和流量的目的。因此，它的性能好壞直接影響到油田節(jié)流作業(yè)時(shí)的人身安全和工作效率 。研究成果對(duì)高壓節(jié)流閥的失效進(jìn)行了分析，指出了單向節(jié)流閥的各種失效形式，并隨著 CAD/CAE技術(shù)的發(fā)展，尤其是計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行流場數(shù)值模擬成了目前對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要手段。 節(jié)流部位出現(xiàn)的氣穴是液壓控制元件中最重要的噪聲源頭，目前對(duì)以油為介質(zhì)的液壓元件及系統(tǒng)中的流場及氣穴現(xiàn)象的深入研究還很少。液壓元件內(nèi)流道形體復(fù)雜、尺寸小、壓差大、閥口流速高，使得從氣泡微觀層面上研究液壓元件中的氣穴現(xiàn)象非常困難。目前，研究人員用湍流模型對(duì)液壓閥口高速流場的速度和壓力分布進(jìn)行了仿真，結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn) 的驗(yàn)證。同時(shí)對(duì)閥腔內(nèi)壓力分布，氣穴與噪聲的關(guān)系進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)閥口壓力最低區(qū)出現(xiàn)在節(jié)流邊附近，由于流束轉(zhuǎn)折和流體脫離而產(chǎn)生。背壓對(duì)閥腔內(nèi)壓力分布有著直接的影響，同時(shí)決定了腔內(nèi)氣泡形態(tài)與噪聲聲級(jí)的大小。因此在實(shí)際運(yùn)用的液壓閥中，可通過檢測(cè)閥內(nèi)流體壓力的方法預(yù)測(cè)氣穴可能發(fā)生的區(qū)域。另外，在閥內(nèi)流道設(shè)計(jì)時(shí)，可通過結(jié)構(gòu)與參安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計(jì)（論文） 7 數(shù)的優(yōu)化，縮小低壓區(qū)，以控制氣穴的初生與發(fā)展。此項(xiàng)研究對(duì)節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及系統(tǒng)內(nèi)氣穴噪聲的預(yù)防都有著重要的參考價(jià)值。 國內(nèi)外利用 CFD 軟件對(duì)液壓閥的研究狀況 針對(duì)一般的液壓閥類元件內(nèi)部流場所作的數(shù)值模擬與仿真研究，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)液壓閥的內(nèi)部流場及特性己經(jīng)進(jìn)行了大量的研究工作，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展和完善液壓閥的性能等提供了有力的理論基礎(chǔ)。 Shigeru OSHIMA。Timo LEINO 等對(duì)水用錐閥與油用錐閥在各個(gè)特性上進(jìn)行了比較分析，詳細(xì)地給出了不同壓差下節(jié)流口處的壓力變化、流量系數(shù)和質(zhì)量流率的變化曲線圖，以及閥 芯上的壓力分布圖，這對(duì)理論研究和數(shù)值模擬都是一個(gè)很好的參考。 , Milani 文中使用 CFD 軟件 FIDAP7. 07 分析了安全閥在固定開口度為 , , , 時(shí)的壓力分布圖、速度分布圖和流量、壓力與壓差的曲線圖。通過閥芯表面上的壓力積分計(jì)算了閥的穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力，根據(jù)公式估計(jì)了瞬態(tài)液動(dòng)力和穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力兩者的比例。 Yoshinari NAKAMURA 等通過實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)錐閥的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了詳盡的研究 。 用三種不同介質(zhì)對(duì)液壓滑閥的內(nèi)部流場 分別作了實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析 。 用不同的二維和三維模型對(duì)液壓閥在不同的錐角下進(jìn)行了數(shù)值模擬，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合。 Priyatosh Barman 對(duì)三維的滑閥模型進(jìn)行了仿真研究。指出滑閥在流量很大，壓差很大時(shí)，閥內(nèi)部的流動(dòng)區(qū)域可能形成汽化，當(dāng)氣泡破裂時(shí)對(duì)閥體和閥芯表面形成氣蝕。使用 STRACD 流場仿真軟件進(jìn)行了兩相流動(dòng)的仿真。文中給出閥內(nèi)流場的壓力分布，速度分布和氣體體積分布圖。這對(duì)優(yōu)化滑閥的閥腔結(jié)構(gòu)，阻止氣蝕現(xiàn)象的發(fā)生有一定的指導(dǎo)意義。