【正文】 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。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。并與實驗結(jié)果基本吻合。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。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。 西南交通大學的王國志等運用三維流體分析軟件對水壓滑閥的流動狀態(tài)以及閥芯受力情況進行了數(shù)值計算，對可視化的圖形圖像和計算結(jié)果進行了分析研究。仿真計算所得的可視化結(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)計提供了依據(jù)。 浙江大學的王林翔采用湍流模型的kε兩方程模型和有限容積法，對滑閥閥道內(nèi)的流體流動進行了數(shù)值分析。 浙江大學的冀宏，利用理論分析、流場仿真、壓力分布測量等方式相結(jié)合，發(fā)現(xiàn)通過等截面段形成二級節(jié)流或采取大楔形角可以有效的消除氣穴和噪聲。運用FLUENT前處理軟件GAMBIT進行了網(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，分析方法是基于一種半經(jīng)驗的方法，一些理論公式經(jīng)多方簡化，已難以解釋和處理某些實際問題，對節(jié)流閥的開發(fā)和深入研究也存在著許多問題。例如，壓差對節(jié)流閥的流量的影響、溫度對節(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)改進等問題。隨著計算機科學技術(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，對單向節(jié)流閥進行了結(jié)構(gòu)應(yīng)力及壓差流量等各方面模擬分析，對實際上液壓元件的運行進行了精確的計算分析，掌握了很多液壓元件的運行仿真與優(yōu)化設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進等資料。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，不僅從各方面對節(jié)流閥進行技術(shù)上的改進，也從環(huán)保角度對液壓控制元件的質(zhì)量提升有積極的促進作用，并且逐步取得了實質(zhì)性的突破。隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的飛速發(fā)展，它不僅可以充當一種傳動方式，而且可以作為一種控制手段，充當了連接現(xiàn)代微電子技術(shù)和大功率控制對象之間的橋梁，成為現(xiàn)代控制工程中不可缺少的重要技術(shù)手段。 液壓閥對流體的控制是通過內(nèi)部流體的流動來實現(xiàn)對執(zhí)行元件動作的控制，是以流體在閥中流功的運動學和動力學規(guī)律為基礎(chǔ)的，所以應(yīng)當深入研究閥內(nèi)流體的流動狀況以及流體與閥的固體部件之間的動力學聯(lián)系，以提高閥的性能。當液流流經(jīng)液壓閥的閥腔和閥口時，由于液流速度發(fā)生變化，將有液動力作用在閥芯上。液動力不僅會影響閥的操縱力，而且還可能引起閥的自激振動，影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，它是設(shè)計、分析液壓控制閥及液壓系統(tǒng)的重要因素之一。 目前對三維模型的研究也只是對閥芯在固定開口度狀態(tài)時的流場特性進行仿真，對閥芯在運動過程中閥內(nèi)部流場的規(guī)律、特點的理論分析還很少。對于閥瞬態(tài)液動力的研究工作較少，而且未見統(tǒng)一的理論計算公式。應(yīng)用流場數(shù)值模擬及可視化方法進行分析，要研究清楚節(jié)流閥流場的流動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)計提供可靠的理論依據(jù)。對于保證整個使用高水基介質(zhì)傳動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)實意義。根據(jù)所研究的側(cè)重點，確定研究對象的初始狀態(tài)。 參數(shù)化建模，可方便地修改機 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。 Fluent 對導入的網(wǎng)格進行仿真分析。可采用自適應(yīng)網(wǎng)格 根據(jù)流場的特性局部細化網(wǎng)格。本章主要介紹了課題研究的背景和意義，分析了當前單向節(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，在現(xiàn)代先進的科學技術(shù)支持下，我們也對單向節(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，克服復位彈簧作用在閥芯上的阻力，推動閥芯向右移動，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，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，實現(xiàn)微量調(diào)節(jié)。 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)有較強的腐蝕性，因此節(jié)流閥所用材料應(yīng)具有較強的耐腐蝕性能。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12kPa)比液壓油(50℃)高1O倍，因此水壓控制閥中起主導作用的是汽化氣蝕。當閥的工作壓力較高時，主閥口和先導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。當高速流體中攜帶污染顆粒時，其破壞作用大大加劇。4. 振動、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、噪聲對單向節(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的表達式為 （21）式中，為節(jié)流閥入口壓力；為節(jié)流閥出口壓力；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口壓力值。與單級閥口的氣穴系數(shù)δ相比， 、分別因出口壓力提高和入口壓力降低而減小。 圖22 兩級錐閥式節(jié)流閥口在本次設(shè)計中，單向節(jié)流閥在解決氣蝕問題方面，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，就會發(fā)生空穴現(xiàn)象。具體措施有以下：（1）理設(shè)計閥口的形狀和結(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。相對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。對外流式錐閥，當錐角較小時，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。實驗研究表明，當閥芯錐角小于閥座錐角時，閥口較容易出現(xiàn)氣穴和流量飽和現(xiàn)象。實驗研究表明，該結(jié)構(gòu)在小開度時每級閥口都承擔了壓差，因而可減小氣蝕。一般而言，閥心受到的氣蝕破壞比閥座嚴重，因而在選擇閥心與閥座的材料時，閥心材料通常比閥座的硬度高。 泄漏、拉絲侵蝕問題的解決措施本次設(shè)計在結(jié)構(gòu)上采取了以下措施：(1) 在主閥心 與主閥套之間加組合密封件增加密封件后,主閥心上的摩擦力增加,對閥的靜態(tài)性能稍有影響,但可減小泄漏,并防止拉絲侵蝕的破壞。(2) 閥口處選擇合適硬度的材料配對 材料的硬度越高,抗拉絲侵蝕的能力越強。、噪聲和工作穩(wěn)定性問題的解決措施關(guān)于節(jié)流閥噪聲產(chǎn)生的原因,許多學者已進行了相應(yīng)的分析和研究。(2) 氣穴現(xiàn)象 當發(fā)生氣穴現(xiàn)象時，氣泡的破裂會產(chǎn)生高頻噪聲；另一方面，氣泡破裂產(chǎn)生的沖擊波會導致閥心振擺。(4) 通過閥口的高速液流與周圍液體之間產(chǎn)生剪切流、渦流而發(fā)出噪聲。針對油壓節(jié)流閥的振動、噪聲和工作穩(wěn)定性問題，相關(guān)文獻提出了多種解決措施，如減小錐閥半錐角、減小錐閥前腔體積、節(jié)流閥前腔加消振墊或消振塞等，但這些措施對于節(jié)流閥并不能從根本上解決問題。一方面，節(jié)流閥芯與節(jié)流閥體的導向配合面可減小節(jié)流閥芯因受不平衡徑向力引起的偏振；另一方面，節(jié)流閥心運動時，阻尼開口內(nèi)的壓力變化使閥心的運動阻尼增加，從而提高單向節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性。在結(jié)構(gòu)上主要采用了在節(jié)流閥入口設(shè)置固定節(jié)流孔和二級節(jié)流主閥口以減小氣蝕；閥心上加組合密封件減小泄漏和拉絲侵蝕；節(jié)流閥芯尾端設(shè)置阻尼腔以抑制振動、噪聲，提高節(jié)流閥的工作穩(wěn)定性等措施。使用這套簡單易學的工具，機械設(shè)計工程師能快速地按照其設(shè)計思想繪制出草圖，嘗試運用特征與尺寸，及制作模型和詳細的工程圖。（2）通常，您從繪制草圖開始，然后生成基體特征，并在模型上添加更多的特征。） （3）您可以隨意添加特征、更改特征以及將特征重新排序，進一步完善您的設(shè)計。（5）您隨時可在設(shè)計過程中生成工程圖或裝配體。 （7）單擊主菜單欄上的工具、選項，顯示可用的系統(tǒng)選項和文件屬性標簽。 （9） 自動恢復選項可以自動保存關(guān)于激活零件、裝配體或工程圖文件的信息，從而不會在系統(tǒng)死機時丟失數(shù)據(jù)。在系統(tǒng)選項標簽上，單擊備份，選擇保存自動恢復信息每 (n) 次變更。 Solid Works軟件的特點：?。?） 第一個在Windows操作系統(tǒng)下開發(fā)的CAD軟件，采用Windows系列，與Windows系統(tǒng)全兼容，是Windows的OLE/2產(chǎn)品?！　olid Works一共只有60多個命令，其余所有命令與Windows命令是相同的；下拉菜單一般只有二層，（三層的不超過5個）；圖形菜單設(shè)計簡單明快，非常形象化，一看即知。動態(tài)引導具有智能化，一般情況下無須用戶去修改。裝配約束所有的概念非常簡單且容易理解。對實體的放大、縮小和旋轉(zhuǎn)等操作全部是透明命令，可以在任何命令過程中使用，實體的選取非常容易、方便。Solid Works與IDEAS、ANSYS、Pro/Engineer、AutoCAD等之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換均非常成功、流暢。（5）特征管理器 　特征管理器(Property Manager)是Solid Works的獨特技術(shù)，在不占用繪圖區(qū)空間的情況下，實現(xiàn)對零件的操縱、拖曳等操作。（7）比例縮放技術(shù) 可以給模具零件在X、Y、Z方向給定不同的收縮而得到模具型腔或型芯。設(shè)計者亦可裁減曲面、延長曲面、倒圓角及縫合曲面。本人先是根據(jù)前人的設(shè)計經(jīng)驗，把節(jié)流閥的內(nèi)部工作原理模型進行分析，在它的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，從而得到結(jié)構(gòu)和內(nèi)部流道優(yōu)化過的，各項性能都比較好的單向節(jié)流閥的模型。下面將把單向節(jié)流閥的內(nèi)部簡化型腔和閥芯給大家介紹一下。開始時我認為要對整個單向節(jié)流閥進行系統(tǒng)其具體地建模，但后來我才發(fā)現(xiàn)，只有對節(jié)流閥內(nèi)部流道進行簡化建模才能更有利于接下來的內(nèi)部流場數(shù)值模擬分析。第四章 單向節(jié)流閥的模擬仿真 任何流體運動的規(guī)律都是以能量守恒、動量守恒和質(zhì)量守恒三大定律為基礎(chǔ)的。把這些積分或者微分用離散的代數(shù)形式代替，使得積分或微分的形式變?yōu)榉匠袒蚍匠探M，然后借助于電子計算機來求解方程或方程組，從而得到流場在離散的時間或空間上的數(shù)值解。 研究流體力學的方法一般是實驗研究、理論分析與數(shù)值模擬三種。近年來，隨著高速巨型并行計算機的出現(xiàn)，計算方法的不斷創(chuàng)新，計算流體力學更有了日新月異的進展。 計算流體動力學，就是在電子計算機上求解流體動力學基本方程的學科，通過數(shù)值求解各種簡化的或非簡化的流體動力學基本方程，獲取各種條件下流場的數(shù)據(jù)和作用在繞流物體上的力和熱量。模擬的目的就是對流場做出預測和獲得知識，理論地預測出自于數(shù)學模型的結(jié)果，而不是出自于一個實際的物理模型的結(jié)果。在流體力學基本方程中的微分和積分項中包括時間、空間變量以及物理變量?？臻g變量的離散對應(yīng)著把求解域劃分為一系列的格子，稱為單元體或控制體。由此可見，CFD得到的不是傳統(tǒng)意義上的解析解，而是大量的離散數(shù)據(jù)。 作為研究工具，計算流體力學具有其獨特的優(yōu)點。相對于實驗研究，具有成本低、速度快、資料完備、可以模擬真實及理想條件等優(yōu)點。在初步設(shè)計階段，用計算流體力學可以較快地進行技術(shù)可行性分析，多種方案的篩選。在對某個方案進行具體設(shè)計階段時，計算流體力學更方便進行優(yōu)化設(shè)計。另外，計算流體力學可以方便靈活地改變初始條件、邊界條件以及幾何邊界條件，并且可直接獲取基本方程的解，可以獲得整個流場中任意一點處的詳細情況，給出流場包括力，速度，密度，溫度等所有詳盡的數(shù)據(jù)，能方便的識別一些關(guān)鍵參數(shù)的影響和探索力學現(xiàn)象相互作用的結(jié)果和規(guī)律，研究流動機理很方便。過去計算流體力學只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在計算流體力學技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計部門。流體的基本控制方程包括質(zhì)量守恒方程、動量守恒方程、能量守恒方程，以及這些方程相應(yīng)的定解條件。這里的計算方法不僅包括微分方程的離散化方法及求解方法，還包括貼體坐標的建立，邊界條件的處理等。 (3) 進行計算 這部分工作包括計算網(wǎng)格劃分、初始條件和邊界條件的輸入和控制參數(shù)的設(shè)定等。 (4) 顯示計算結(jié)果 計算結(jié)果一般通過圖表等方式顯示，這對檢查和判斷分析質(zhì)量和結(jié)果有重要參考意義。 Fluent軟件簡介 過去CFD只是研究和發(fā)展部門的專家使用的工具，現(xiàn)在CFD技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)計部門。 Fluent軟件根據(jù)用戶的需求，針對各種流動的物理問題的特點，用戶可采用不同的離散格式和求解算法，可使用單、雙精度計算，使計算速度、穩(wěn)定性和精度等各方面達到最佳。 Fluent 程序的結(jié)構(gòu) Fluent 程序軟件包主要由以下幾個部分組成： (1) Gambit —用于建立幾何結(jié)構(gòu)和網(wǎng)格的生成。 (3) PrePDF —用于模擬燃燒過程。 (5) Fliters —轉(zhuǎn)換其他程序生成的網(wǎng)格。對二維流動，可以生成三角形和矩形網(wǎng)格。結(jié)合具體計算，還可生成混合網(wǎng)格，其自適應(yīng)功能，有三角形和四面體的等角適應(yīng)網(wǎng)格、懸掛節(jié)點適應(yīng)網(wǎng)格功能，能對網(wǎng)格進行細分或粗化，或生成不連續(xù)網(wǎng)格、可變網(wǎng)格和滑動網(wǎng)格。 Fluent求解器具有良好的人機界面，單位的換算有極大的靈活性，采用有限體積法作為求解NS方程組的方法，有“分離”和“耦合”兩種求解器，有多種紊流模型可以選擇，如Spalart Allmaras粘渦模型，包括standard k——ε模型，