【正文】 義書簽。 單向節(jié)流閥的模擬仿真基礎(chǔ)知識 .................................... 錯誤 !未定義書簽。 模擬仿真主要數(shù)值方法 .............................................. 錯誤 !未定義書簽。 模型的仿真 ........................................................................ 錯誤 !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 .............. 錯誤 !未定義書簽。 單向節(jié)流閥節(jié)流口開口寬度為 4mm 時的流道分析 ................................ 31 第五章 總結(jié)與展望 ................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計（論文） IV 參考文獻 ....................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 致謝 ............................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄一：英文科技文獻翻譯 ....................................................... 錯誤 !未定義書簽。 附錄二：畢業(yè)設(shè)計任務(wù)書 ........................................................... 錯誤 !未定義書簽。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計（論文） 1 第一章 緒論 引言： 社會的發(fā)展，要求人類賴以生存的環(huán)境是一個安全、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，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與控制的各類主機系統(tǒng)，為社會生產(chǎn)力的發(fā)展做出了巨大的貢獻。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液壓執(zhí)行元件的安全。由于在實際工作中，泵提供的流量往往要大于工作流量，對有節(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)、液壓和控制知識為優(yōu)化節(jié)流閥內(nèi)部流場做理論研究。 本設(shè)計的主要內(nèi)容分為：原理部分、三維實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（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，以達到調(diào)節(jié)管路壓力和流量的目的。 1. 對節(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，外泄露量也要小； 調(diào)節(jié)力矩小，動作敏捷。 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（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)流閥沒有流量負反饋功能，不能補償由于負載變化所造成的速度不穩(wěn)定，一般僅僅用于負載變化不大或?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)流流道進行簡化簡化建模，以便于分析計算。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計（論文） 4 節(jié)流口堵塞原因 （ 1）油液中的機械雜質(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，會被液流沖刷掉，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； （ 3）閥口壓力差較大時，因閥口溫度高，液體受擠壓的程度增強，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 （ 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)流閥的安裝與維護應(yīng)注意以下事項： 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； 安裝時要注意介質(zhì)方向與閥體所標箭頭方向保持一致。 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（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，其缺點是閥芯上的徑向力不平衡，旋轉(zhuǎn)閥芯時較為費勁，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，閥芯作軸向移動即可改變開口的大小。 在液壓傳動系統(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)流閥和溢流閥相當于兩個并聯(lián)的液阻，液壓泵輸出流量不變，流經(jīng)節(jié)流閥進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，來改變進入液 壓缸的流量，從而調(diào)節(jié)液壓缸的運動速度；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，因此液壓缸的運動速度不變。所以，節(jié)流元件用來調(diào)節(jié)流量是有條件的，即要求有一個接受節(jié)流元件壓力信號的環(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)來補償節(jié)流元件的流量變化。 節(jié)流閥的剛性表示它抵抗負載變化的干擾，保持流量穩(wěn)定的能力，即當節(jié) 流閥開口量不變時，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載（亦即其出口壓力）變化的影響，不能保持執(zhí)行元件運動速度的穩(wěn)定，因此只適用于工作負載變化不大和速度穩(wěn)定性要求不高的場合，由于負載的變化很難避免，為了改善調(diào)速系統(tǒng)的性能，通常是對節(jié)流閥進行壓力補償，即采取措施使安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè) 計（論文） 6 節(jié)流閥前后壓力差在負載變化時始終保持不變。節(jié)流閥的壓力補償有兩種方式：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。這兩種壓力補償方式是利用流量變動所引起油路壓力的變化，通過閥芯的負反饋動作，來自動調(diào)節(jié)節(jié)流部分的壓力差，使其保持不變。 液壓傳動系統(tǒng)對節(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）當閥前、后壓力差發(fā)生變化時，通過閥的流量變化要小，一保證負載運動的穩(wěn)定； 3）油溫變化對通過閥的流量影響要??； 4）油液通過安全閥時的壓力損失要?。?5）當閥口關(guān)閉時閥的泄露量要小。 單向節(jié)流閥的歷史研究成果及應(yīng)用 對單向節(jié)流閥的研究內(nèi)容，主要包括理論研究，實驗研究和數(shù)字仿真。國內(nèi)外從六十年代初開始對單向節(jié)流閥進行研究。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)時的人身安全和工作效率 。研究成果對高壓節(jié)流閥的失效進行了分析，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，尤其是計算流體動力學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對節(jié)流閥進行流場數(shù)值模擬成了目前對節(jié)流閥進行優(yōu)化設(shè)計的重要手段。 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液壓閥口高速流場的速度和壓力分布進行了仿真，結(jié)果得到了實驗 的驗證。同時對閥腔內(nèi)壓力分布，氣穴與噪聲的關(guān)系進行了研究。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。背壓對閥腔內(nèi)壓力分布有著直接的影響，同時決定了腔內(nèi)氣泡形態(tài)與噪聲聲級的大小。因此在實際運用的液壓閥中，可通過檢測閥內(nèi)流體壓力的方法預(yù)測氣穴可能發(fā)生的區(qū)域。另外，在閥內(nèi)流道設(shè)計時，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（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。此項研究對節(jié)流閥結(jié)構(gòu)設(shè)計及系統(tǒng)內(nèi)氣穴噪聲的預(yù)防都有著重要的參考價值。 國內(nèi)外利用 CFD 軟件對液壓閥的研究狀況 針對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)者對液壓閥的內(nèi)部流場及特性己經(jīng)進行了大量的研究工作，對進一步發(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 等對水用錐閥與油用錐閥在各個特性上進行了比較分析，詳細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，這對理論研究和數(shù)值模擬都是一個很好的參考。 , 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算了閥的穩(wěn)態(tài)液動力，根據(jù)公式估計了瞬態(tài)液動力和穩(wěn)態(tài)液動力兩者的比例。 Yoshinari NAKAMURA 等通過實驗的方法對錐閥的靜態(tài)特性和動態(tài)特性進行了詳盡的研究 。 用三種不同介質(zhì)對液壓滑閥的內(nèi)部流場 分別作了實驗和數(shù)值分析 。 用不同的二維和三維模型對液壓閥在不同的錐角下進行了數(shù)值模擬，并與實驗結(jié)果基本吻合。 Priyatosh Barman 對三維的滑閥模型進行了仿真研究。指出滑閥在流量很大，壓差很大時，閥內(nèi)部的流動區(qū)域可能形成汽化，當氣泡破裂時對閥體和閥芯表面形成氣蝕。使用 STRACD 流場仿真軟件進行了兩相流動的仿真。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。