【正文】 ................................................................................... 22 Fluent 軟件簡介 ............................................................................................. 23 Fluent 程序的結(jié)構(gòu) .................................................... 錯(cuò)誤 !未定義書簽。 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。 模型的仿真 ......................................................................... 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。 致謝 ................................................................................................ 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。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。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)。 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。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(chǎng)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(chǎng)分析部分。 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。 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。節(jié)流閥和單向節(jié)流閥是簡易的流量控制閥。 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(chǎng)合。 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。 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。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。 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。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。 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(chǎng)合。 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。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。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。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。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。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）。 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。 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(chǎng)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。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。 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。經(jīng)歷了定性和定量研究階段。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。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。 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(chǎng)及氣穴現(xiàn)象的深入研究還很少。目前，研究人員用湍流模型對(duì)液壓閥口高速流場(chǎng)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。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。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。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。 Shigeru OSHIMA。 , 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。 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。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。文中給出閥內(nèi)流場(chǎng)的壓力分布，速度分布和氣體體積分布圖。 西南交通大學(xué)的王國志等運(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。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)。 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。 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。運(yùn)用 FLUENT 前處理軟件 GAMBIT 進(jìn)行了網(wǎng)格的劃分。 單向節(jié)流閥的未來發(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)多方簡化，已難以解釋和處理某些實(shí)際問題，對(duì)節(jié)流閥的開發(fā)和深入研究也存在著許多問題。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)等問題。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。 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。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。 液壓閥對(duì)流體的控制是通過內(nèi)部流體的流動(dòng)來實(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。 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。 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)過程中閥內(nèi)部流場(chǎng)的規(guī)律、特點(diǎn)的理論分析還很少。對(duì)于閥瞬態(tài)液動(dòng)力的研究工作較少，而且未見統(tǒng)一的理論計(jì)算公式。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)。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。 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，建模簡單，快捷。 對(duì)導(dǎo)入的網(wǎng)格進(jìn)行仿真分析?？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。 確定參數(shù)特征，即具體尺寸。 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。 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。 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，油液通過徑向孔從通口 Pj2 流出。 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。通過改變節(jié)流口三角槽的通流面積，以改變液阻，來控制通過節(jié)流閥的流量，實(shí)現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。 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。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。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，變成氣泡。 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。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。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。當(dāng)高速流體中攜帶污染顆粒時(shí)，其破壞作用大大加劇。 4. 振動(dòng)、噪聲和工作穩(wěn)定性問題 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。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。 氣蝕問題的解決措施 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。由式 (1)可知，要減小 d，只有降低入口壓力或提高出