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液压阀芯节流槽气穴噪声特性的研究

冀宏  
【摘要】:机电系统及装备的环保及舒适性日益引起人们重视并成为推动科技发展的重要动力,作为主要驱动和控制方式之一的流体动力技术也必须适应这个发展要求。控制噪声已成为流体动力技术进一步发展的关键基础性课题之一。液压元件及系统中的激振流态是诱发噪声的根本原因,由于元件内部流道狭小、形状复杂且流动参数变化剧烈,使得液压元件的噪声研究充满困难和挑战。目前,从流场微观层面对液压元件噪声进行深入系统地研究还很少,对于流道结构与噪声之间关系的认识基本上还处于经验性水平。 本论文以液压技术中基本阀口形式之一的节流槽为具体研究对象,采用理论分析、流场仿真、压力分布测量、气穴流动显示和噪声频谱分析相结合的研究方法,对节流槽的噪声特性进行了较系统的分析,发现利用等截面段形成二级节流或采取大楔形角,可以改善节流槽内压力分布,有效地消除气穴啸叫或降低噪声。提出的阀套移动式压力分布测量方法对于高压、高速、小尺寸复杂阀内流场检测具有普适性。通过对由节流槽构成的非全周开口滑阀稳态液动力的研究,研究发现在流入方向时,液动力数值较小并在阀口中间区段使阀口趋于开启,这为控制滑阀液动力提供了新的方法及思路。本文研究成果对于液压阀口噪声控制具有较大的理论价值和显著的工程实用性。 论文的主要内容如下: 第一章,阐述了本课题研究的重要意义和目的;概述了液压元件噪声控制的研究和发展状况及存在的问题;综述了作为液压元件主要噪声源的空化及空化噪声方面主要研究进展;概述了流场数值模拟及流场测量技术在液压技术中的应用现状;概括了本文的主要研究内容。 第二章,从声学、声辐射基本理论及空泡动力学出发分析了液压阀的噪声机理及类型。对于液压阀而言,气穴噪声属于典型单极子声源是最有效的声辐射源,其他的流体动力噪声源如湍流噪声、脉动力等噪声辐射效率低,可以忽略。从声源角度提出了一个气穴噪声的声压简化模型,分析发现气泡尺寸对声压具有决定性的影响。本章为噪声特性和机理分析提供一定的理论基础。 第三章,介绍了阀套移动式液压阀压力分布及噪声测量装置、流动气穴显示试验装置和测量方法。分析了测量系统误差来源以及对测量精度的影响。 第四章,推导了典型节流槽的过流面积计算公式,提出了节流槽的主要结构特征和特征参数,节流槽可分为具有等截面段节流槽和渐扩形节流槽两大类。提出了阀口迁移和节流槽多级节流概念,分析了节流槽部位多级分压、流动回环现象。对由节流槽构成的非全周开口滑阀的稳态液动力进行了研究,通过流场计算和理论分析发现流动方向不同液动力大小和方向均有变化,流入节流槽方向时液动力较小,在阀口中间区段液动力方向使阀口趋于开启。 摘要 第五章,基于流场仿真及压力分布测量结果对节流槽内部流动进行了分析,研究表 明节流槽具有典型的压力分布模式,具有等截面段的节流槽压力恢复迅速,而渐扩形节 流槽压力恢复缓慢。讨论了主要结构参数对节流槽内压力分布、最低压力点位置的影响。 节流槽的气穴流动显示结果表明气穴形态与压力分布、结构特征关系密切。这些研究结 果为揭示节流槽噪声特性奠定了基础。 第六章,通过对大量节流槽的噪声信号测量及频谱分析,总结出影响节流槽噪声的 三个因素;流动方向、阀腔压力和节流槽结构。研究了节流槽主要结构特征参数对噪声 的影响,结合压力分布、气穴显示结果,分析了节流槽结构特征、压力分布模式和噪声 特性之间密切关联。由压力分布及频谱分析发现气泡粒度大小是节流槽气穴噪声的主要 决定性因素,对气泡在节流槽中的成长进行了近似描述。 第七章,提出了适用于典型节流槽的两种流动数学模型:一种是二级阻力模型,一 种是压差流剪切流流动模型。数学模型包括了节流槽主要特征参数和工作参数,反映出 了压力分布的作用。通过上述模型可以对节流槽噪声进行定性预测。同时,对基于流场 仿真结果预测噪声的方法进行了初步探讨。最后,从控制节流槽压力分布、抑制气泡生 长思路出发提出了二种具体的节流槽噪声控制方法和结构。 第八章,对本论文的研究工作和成果进行了总结,展望了未来的研究工作。 关健词:液压阀口;节流槽;气穴;噪声特性;气泡;压力分布测量;流场仿真; 流动显示


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