【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有一定的指導(dǎo)意義。 西南交通大學(xué)的王國(guó)志等運(yùn)用三維流體分析軟件對(duì)水壓滑閥的流動(dòng)狀態(tài)以及閥芯受力情況進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，對(duì)可視化的圖形圖像和計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了分析研究。通過(guò)數(shù)值計(jì)算和可視化研究可以較容易獲得在理論上很難計(jì)算的滑閥閥芯所受的液動(dòng)力。仿真計(jì)算所得的可視化結(jié)果與理論數(shù)據(jù)基本吻合，其結(jié)果為水壓滑閥的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 燕山大學(xué)的高殿榮首次將有限元方法應(yīng)用于液壓技術(shù)中各種異形斷面流道，并對(duì)液壓集成塊內(nèi)部的復(fù)雜流道、滑閥和錐閥流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，還從流安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 體力學(xué)的連續(xù)性方程和 Navierstokes 方程出發(fā)，并根據(jù)流函數(shù)和渦量與 流速之間的關(guān)系式，推導(dǎo)出了以流函數(shù)和渦量 w 為變量的 NS 方程的變形公式，并對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱化。 浙江大學(xué)的王林翔采用湍流模型的 kε 兩方程模型和有限容積法，對(duì)滑閥閥道內(nèi)的流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值分析。 北京化工大學(xué)的沈晶，闡述了水錘現(xiàn)象產(chǎn)生的原因，通過(guò)對(duì)閥芯結(jié)構(gòu)的改進(jìn)減小水錘對(duì)液壓閥壽命的影響。 浙江大學(xué)的冀宏，利用理論分析、流場(chǎng)仿真、壓力分布測(cè)量等方式相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)通過(guò)等截面段形成二級(jí)節(jié)流或采取大楔形角可以有效的消除氣穴和噪聲。 太原理工大學(xué)的王芳，采用 AutoCAD 和 UG 軟件，按照 先導(dǎo)閥的實(shí)際結(jié)構(gòu)和參數(shù)，結(jié)合計(jì)算數(shù)學(xué)模型的可行性，分別建立了閥的二維和三維幾何模型。運(yùn)用 FLUENT 前處理軟件 GAMBIT 進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。在 FLUENT 軟件中對(duì)兩種模型的流場(chǎng)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)數(shù)值模擬。 單向節(jié)流閥的未來(lái)發(fā)展 目前，液壓系統(tǒng)和元件的設(shè)計(jì)，分析方法是基于一種半經(jīng)驗(yàn)的方法，一些理論公式經(jīng)多方簡(jiǎn)化，已難以解釋和處理某些實(shí)際問(wèn)題，對(duì)節(jié)流閥的開發(fā)和深入研究也存在著許多問(wèn)題。在理論分析中，很多內(nèi)外界因素都未加以考慮，很多因素在不斷影響著液壓控制元件，也在不斷困擾著研究人員對(duì)液壓控制元件的理論分析與研究 。例如，壓差對(duì)節(jié)流閥的流量的影響、溫度對(duì)節(jié)流閥的流量的影響、節(jié)流閥節(jié)流口的堵塞、節(jié)流閥節(jié)流口的空穴現(xiàn)象以及節(jié)流閥的閥口漏油現(xiàn)象和節(jié)流閥的內(nèi)部結(jié)構(gòu)改進(jìn)等問(wèn)題。 因此，先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究和攻克。隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，研究人員逐漸開發(fā)了一系列的流體分析軟件，應(yīng)用 CFD方法，采用 Fluent流體軟件及 ANSYS有限元分析軟件，對(duì)單向節(jié)流閥進(jìn)行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力及壓差流量等各方面模擬分析，對(duì)實(shí)際上液壓元件的運(yùn)行進(jìn)行了精確的計(jì)算分析，掌握了很多液壓元件的運(yùn)行仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)改進(jìn)等資料。因此，各種 更先進(jìn)的、更節(jié)能的、更優(yōu)化的液壓控制元件業(yè)相繼問(wèn)世，給現(xiàn)代的工業(yè)發(fā)展提供了更好的動(dòng)力。 隨著高壓，高速，大流量和高效率液壓系統(tǒng)發(fā)展的需要，對(duì)節(jié)能型、低噪聲和環(huán)保型節(jié)流閥的研究也日益增多，不僅從各方面對(duì)節(jié)流閥進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)，安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 也從環(huán)保角度對(duì)液壓控制元件的質(zhì)量提升有積極的促進(jìn)作用，并且逐步取得了實(shí)質(zhì)性的突破。 選題的目的和意義 20 世紀(jì)是流體傳動(dòng)與控制技術(shù)逐步走向成熟的時(shí)代。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當(dāng)一種傳動(dòng)方式，而且可以作為一種控制手段，充當(dāng)了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制對(duì)象 之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。能量轉(zhuǎn)換、動(dòng)力傳動(dòng)以及傳動(dòng)控制依然是 21 世紀(jì)全球經(jīng)濟(jì)的重要組成部分，流體傳動(dòng)與控制技術(shù)也依然是其中極為重要和積極的角色。 液壓閥對(duì)流體的控制是通過(guò)內(nèi)部流體的流動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)執(zhí)行元件動(dòng)作的控制，是以流體在閥中流功的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)規(guī)律為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)當(dāng)深入研究閥內(nèi)流體的流動(dòng)狀況以及流體與閥的固體部件之間的動(dòng)力學(xué)聯(lián)系，以提高閥的性能。近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)理論的發(fā)展，應(yīng)用 CFD 方法，對(duì)液壓閥內(nèi)部的流場(chǎng)進(jìn)行仿真計(jì)算和可視化分析，成為液壓技術(shù)領(lǐng)域 新的研究熱點(diǎn)，研究工作對(duì)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)和流道的優(yōu)化沒(méi)計(jì)具有重要的實(shí)際意義。 當(dāng)液流流經(jīng)液壓閥的閥腔和閥口時(shí)，由于液流速度發(fā)生變化，將有液動(dòng)力作用在閥芯上。液壓控制閥的操縱力必須能夠克服閥的各種阻力，它包括慣性力、摩擦力、彈簧力和液體動(dòng)力等，其中液動(dòng)力所占的比例最大。液動(dòng)力不僅會(huì)影響閥的操縱力，而且還可能引起閥的自激振動(dòng)，影響整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它是設(shè)計(jì)、分析液壓控制閥及液壓系統(tǒng)的重要因素之一。采用各種流場(chǎng)數(shù)值計(jì)算方法，對(duì)閥的流道內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算來(lái)準(zhǔn)確計(jì)算液動(dòng)力是最近幾年閥液動(dòng)力研究的熱門課題，它可 以用于改進(jìn)閥的過(guò)流結(jié)構(gòu)，對(duì)進(jìn)行閥的液動(dòng)力的補(bǔ)償提供理論依據(jù)。 目前對(duì)三維模型的研究也只是對(duì)閥芯在固定開口度狀態(tài)時(shí)的流場(chǎng)特性進(jìn)行仿真，對(duì)閥芯在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中閥內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律、特點(diǎn)的理論分析還很少。液動(dòng)力是設(shè)計(jì)、分析液壓控制閥的重要因素之一，在國(guó)內(nèi)外的研究中，大都是關(guān)于穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的機(jī)理研究和理論計(jì)算公式的推導(dǎo)，對(duì)穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力也提出了很多有效的補(bǔ)償措施。對(duì)于閥瞬態(tài)液動(dòng)力的研究工作較少，而且未見(jiàn)統(tǒng)一的理論計(jì)算公式。本論文主要研究高水基節(jié)流閥的流場(chǎng)特性。應(yīng)用流場(chǎng)數(shù)值模擬及可視化方法進(jìn)行分析，要研究清楚節(jié)流閥流場(chǎng)的流動(dòng)特性 和力特性及其影響因素，確定出該閥所受穩(wěn)態(tài)液動(dòng)力的大小，漩渦和脫流附壁現(xiàn)象產(chǎn)生的區(qū)域，找出閥結(jié)構(gòu)中的薄弱環(huán)節(jié)，以分析閥的性能，并為此類節(jié)流閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供可靠的理論依據(jù)。這對(duì)于降低安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 實(shí)驗(yàn)研究費(fèi)用，縮短前期研發(fā)周期，加快高水基技術(shù)發(fā)展的進(jìn)程，對(duì)于提高閥的使用壽命和工作性能，提高閥的通流能力，減小泄漏和壓力損失，改善加工工藝設(shè)計(jì)，解決節(jié)流閥存在的一些主要問(wèn)題等都有一定的指導(dǎo)意義 。對(duì)于保證整個(gè)使用高水基介質(zhì)傳動(dòng)的液壓支架電液控制系統(tǒng)和煤礦安全而高效地生產(chǎn)都具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。 本文的研究?jī)?nèi)容 對(duì)液壓元件內(nèi)部 流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬，本課題中使用 CFD 軟件來(lái)進(jìn)行仿真研究。 參數(shù)化建模，可方便地修改機(jī) 構(gòu) 參數(shù)，如開口度變化，流道性狀， 閥結(jié)構(gòu)等變化，建模簡(jiǎn)單，快捷。 可從 CAD/CAE 系統(tǒng)中直接讀入 數(shù)據(jù)，具有靈活方便的幾何修正功 能和功能強(qiáng)大的網(wǎng)格劃分工具。 對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析。用戶 可根據(jù)自己的特殊需要編制 自己 的 UDF，定制特殊的邊界條件、實(shí) 現(xiàn)動(dòng)網(wǎng)格等?？刹捎米赃m應(yīng)網(wǎng)格 根據(jù)流場(chǎng)的特性局部細(xì)化網(wǎng)格。 根據(jù)所研究的側(cè)重點(diǎn)，確定研究對(duì)象的初始狀態(tài)。 確定參數(shù)特征，即具體 尺寸。 SolidWorks Gambit Fluent 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 本次設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容有： 單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)； 單向節(jié)流閥的流道分析； 流道流場(chǎng)模擬分析； 單向節(jié)流閥的三維建模圖； 畢業(yè)論文一篇。 本章小結(jié) 本章主要介紹了課題研究的背景和意義，分析了當(dāng)前單向節(jié)流閥的主要方向，給出了單向節(jié)流閥所面臨的主要技術(shù)難題并提出了基本的解決方案，確定了本課題的主要工作和采取的技術(shù)路線。 本章對(duì)節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)、特點(diǎn)、應(yīng)用和發(fā)展方向等進(jìn)行了側(cè)重分 析，并提出了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，尤其是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)及流體分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用，對(duì)單向節(jié)流閥的各方面技術(shù)等的改進(jìn)起著至關(guān)重要的作用。 同時(shí)，在現(xiàn)代先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)支持下，我們也對(duì)單向節(jié)流閥的發(fā)展提出了各種良好期望與憧憬。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 第二章 單向節(jié)流閥的設(shè)計(jì) 單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu)和工作原理 : 單向節(jié)流閥根據(jù)油液流動(dòng)方向的不同，既可以作單向閥使用，又可以作節(jié)流閥使用，其結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要由調(diào)節(jié)桿、止推、閥體、閥芯和彈簧組成，節(jié)流通道呈軸向三角槽式。 單向節(jié)流閥的工作原理如下： 圖 21 單向節(jié)流閥的結(jié)構(gòu) 原理圖 假設(shè)外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的液壓油從通口 Pj1 流入，產(chǎn)生的油壓力作用在閥芯左端面，克服復(fù)位彈簧作用在閥芯上的阻力，推動(dòng)閥芯向右移動(dòng)，打開節(jié)流閥閥口，油液通過(guò)徑向孔從通口 Pj2 流出。油液從通口 Pj1 流到通口 Pj2的過(guò)程中，油液不節(jié)流，可以自由流通，此時(shí)單向節(jié)流閥主要起單向閥作用。 假設(shè)外界（液壓泵或者液壓閥）輸出的油液從通口 Pj2 流入節(jié)流閥，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)桿，以克服彈簧作用在閥芯上的阻力，使閥芯作軸向移動(dòng)，打開閥口。此時(shí)，油液經(jīng)過(guò)閥芯上的三角槽和孔道，從通道口 Pj1 流出。通過(guò)改變節(jié)流口三角槽的 通流面積，以改變液阻，來(lái)控制通過(guò)節(jié)流閥的流量，實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。油液從通口 Pj2 流到通口 Pj1 的過(guò)程中，油液要節(jié)流，不可以自由通流，此時(shí)，單向節(jié)流閥主要起到節(jié)流閥的作用 。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 單向節(jié)流閥研究所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)： 1. 腐蝕和腐蝕磨損問(wèn)題 由于介質(zhì)有較強(qiáng)的腐蝕性，因此節(jié)流閥所用材料應(yīng)具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能。對(duì)于中間主閥口、節(jié)流閥口及主閥導(dǎo)向面處，腐蝕與磨損同時(shí)存在，兩者相互促進(jìn)，將使零件加速失效。顯然，單向節(jié)流閥的材料難以滿足腐蝕及腐蝕磨損的要求。 2. 氣蝕問(wèn)題 當(dāng)液流流經(jīng)節(jié)流口的喉部位置時(shí)， 根據(jù)伯努利方程，該處的壓力要降低。如壓力低于液壓油工作溫度下的空氣分離壓，溶解在油液中的空氣將迅速地大量分離出來(lái)，變成氣泡。這些氣泡隨著液流流到下游壓力較高的部位處時(shí)，會(huì)因承受不了高壓而破滅，產(chǎn)生局部的液壓沖擊，發(fā)出噪聲而引起振動(dòng)，當(dāng)附著在金屬表面上的氣泡破滅時(shí)，它所產(chǎn)生的局部高溫和高壓會(huì)使金屬剝落，使表面粗糙，或出現(xiàn)海綿狀的小洞穴，節(jié)流口下游部位可發(fā)現(xiàn)這種腐蝕的痕跡，這種現(xiàn)象稱為氣蝕。 單向節(jié)流閥隨著工作介質(zhì)的不同，氣蝕分為氣體氣蝕和汽化氣蝕兩種。由于液壓油的汽化壓力很低，同時(shí)空氣在液壓油中的溶解度較高， 所以油壓閥的氣蝕主要表現(xiàn)為氣體氣蝕。相同條件下空氣在水中的溶解度約為液壓油的 2O倍，而水的汽化壓力 (50℃ 時(shí) 12kPa)比液壓油 (50℃時(shí) )高 1O倍，因此水壓控制閥中起主導(dǎo)作用的是汽化氣蝕。水壓閥與油壓閥氣蝕本質(zhì)的不同，決定了其危害性比油壓閥的氣蝕嚴(yán)重。當(dāng)閥的工作壓力較高時(shí)，主閥口和先導(dǎo)閥口將在較大的壓差下工作，使閥口流速很高，極易發(fā)生汽化氣蝕。 3. 拉絲侵蝕和泄漏問(wèn)題 在單向節(jié)流閥中，高速流體會(huì)對(duì)配合面產(chǎn)生很強(qiáng)的沖刷作用，久而久之會(huì)在零件表面形成一條條絲狀凹槽，這種現(xiàn)象稱為拉絲侵蝕。當(dāng)高速 流體中攜帶污染顆粒時(shí)，其破壞作用大大加劇。主閥口、節(jié)流閥口及主閥芯導(dǎo)向面處都是易產(chǎn)生泄漏和拉絲侵蝕的部位。 4. 振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問(wèn)題 由于介質(zhì)的壓力沖擊，在單向節(jié)流閥中易產(chǎn)生水錘現(xiàn)象。噪聲會(huì)給工作環(huán)境帶來(lái)噪聲污染；振動(dòng)會(huì)引起節(jié)流閥表面損傷，并導(dǎo)致節(jié)流閥的靜態(tài)性能下降、控制壓力失調(diào)等后果，反過(guò)來(lái)又加劇了振動(dòng)和噪聲。因此節(jié)流閥的振動(dòng)、噪聲對(duì)單向節(jié)流閥的工作性能、可靠性和使用壽命都有很大影響。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 解決措施及設(shè)計(jì) 針對(duì)單向節(jié)流閥的上述關(guān)鍵技術(shù)難題，設(shè)計(jì)了下面的解決方法。 氣蝕問(wèn)題的解決措 施 節(jié)流閥氣穴發(fā)生的程度可用氣穴系數(shù) δ 表示 。 δ 越大，氣穴現(xiàn)象越嚴(yán)重。 δ的表達(dá)式為 121 vpppp? ?? ? （ 21） 式中， 1p 為節(jié)流閥入口壓力； 2p 為節(jié)流閥出口壓力； vp 為飽和蒸汽壓。 為減小氣穴的發(fā)生及其危害，應(yīng)盡量使 δ 小。由式 (1)可知，要減小 d，只有降低入口壓力或提高出口壓力值。這種方 法的實(shí)際應(yīng)用就是把單節(jié)流閥口設(shè)計(jì)成兩級(jí)節(jié)流閥口的形式，則每級(jí)閥口的氣蝕系數(shù)分別 1 121 1 vpppp? ?? ? （ 22） 12 22 12 vpp? ?? ? （ 23） 式中， 12p 為兩節(jié)流閥口間的壓力。 與單級(jí)閥口的氣穴系數(shù) δ 相比， 1? 、 2? 分別因出口壓力提高和入口壓力降低而減小。較典型的例子是日本設(shè)計(jì)的兩級(jí)：平板式節(jié)流閥口的形式和芬蘭采用的兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口 (如圖 21)。 圖 22 兩級(jí)錐閥式節(jié)流閥口 在本次設(shè)計(jì)中，單向節(jié)流閥在解決氣蝕問(wèn)題方面，主要采取了以下措施： 在液壓系統(tǒng)中的任何地方，只要壓力低于空氣分離壓，就會(huì)發(fā)生空穴現(xiàn)象。為了防止空穴現(xiàn)象的發(fā)生，就是要防止液壓系統(tǒng)中的壓力過(guò)度降低。具體措施有以下： （ 1）理設(shè)計(jì)閥口的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù) 閥芯與閥座的形狀和結(jié)構(gòu)參數(shù)與氣蝕有密切關(guān)系。為減 弱氣蝕，單向節(jié)流閥安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 閥口在結(jié)構(gòu)上主要有以下特點(diǎn)：① 主閥芯采用帶圓弧的平端錐閥結(jié)構(gòu)。相對(duì)于圓錐形和球形錐閥結(jié)構(gòu)，平端錐閥 (截去圓錐 )的抗氣蝕性能較強(qiáng)。② 主閥的錐角較小，并且閥芯錐角大于閥座錐角。對(duì)外流式錐閥，當(dāng)錐角較小時(shí)，由于流體收縮小，出口壓力較高，因而不易出現(xiàn)氣穴現(xiàn)象。由于壓力最低處一般位于收縮部位附近，此處流速很高，當(dāng)閥芯錐角小于閥座錐角時(shí)，氣穴發(fā)生在閥口處，反之，則發(fā)生在閥口下游。實(shí)驗(yàn)研究表明，