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压力调节锥阀阀芯振动与空化的可视化研究

闵为  
【摘要】:锥阀是液压技术中常用的阀结构形式之一,通常由阀芯、阀座和弹簧组成,主要作为压力调节阀以调节或限定系统压力。在液压系统中,压力调节阀经常会出现失稳振动,所引起的压力波动幅值可达±5MPa以上,而由于其失稳振动机理尚无定论,严重影响了液压系统的调压精度和工作可靠性。直动式压力调节阀的阀芯振动直接导致了系统调节压力的波动,而多级压力调节阀的失稳振动主要由其导阀的大幅振动引起,因此,以先导级压力调节锥阀为对象,研究其阀芯的振动过程和阀口空化问题,对于直动式压力调节阀和先导式压力调节阀来说均具有极为典型的代表性意义。本文采用流固耦合计算与流场可视化实验相结合的方法,对不同结构压力调节锥阀的阀芯振动过程及其对应的流场特征进行了深入研究。通过对带阻尼孔结构锥阀的流固耦合计算,发现阀芯表面可分为射流冲击区和静压区两个动态特征完全不同的区域,静压区的压力波动相位超前于阀芯位移的相位,射流冲击区的压力波动相位滞后于阀芯位移的相位,当射流冲击区与静压区的压力波动可相互补偿时,射流冲击区所产生的液压力波动可增加阀芯轴向运动阻尼;当阀芯失稳振动时,阀芯表面并无负阻尼力产生,虽然射流冲击区的液压力仍可增加阀芯的动态阻尼,但由于静压区的面积较大,其对压力波动幅值的放大作用仍可使阀芯维持较大的振动幅值。通过对压力调节锥阀轴向振动的流场可视化实验研究,发现阀芯的失稳振动可分为撞击阀座、不撞击阀座和过渡区等三种型态,且振动型态与流量密切相关;当阀芯撞击阀座时,即使阀口压差较低(低于空化初生压力),在锥阀阀口尾部仍可产生剧烈的空化现象,且由于阀口瞬间断流,气泡在阀口处快速溃灭,并产生回弹现象。另外,通过对压力调节锥阀的振动位移和系统压力等信号的频率分析,发现锥阀开启时调节过程的阀芯振动频率主要由管路系统本征频率决定;同时,阀腔内工作介质的可压缩性、液压泵的流量(压力)脉动和管路系统的耦合振动均可导致锥阀产生失稳振动。本文揭示了压力调节锥阀的失稳振动型态及其对应的流场瞬态特征,获得了导致压力调节锥阀失稳振动的关键因素,研究成果对提高压力调节阀的稳定性具有重要的理论指导意义和实际应用价值。论文的主要工作如下:1、采用流固耦合的方法计算了带阻尼孔结构的锥阀在外部扰动因素作用下的阀芯振动过程,分析了在阻尼孔的淹没射流作用下阀口前端阀芯表面的压力分布及其动态变化规律,揭示了带阻尼孔结构锥阀稳定性增强的主要原因;通过对比不同阀芯和阀体结构锥阀的流场参数特征,获得了影响阻尼孔射流冲击效应的关键因素。同时,以实验条件为基准,模拟了由阀腔介质可压缩性所导致的阀芯失稳振动现象,揭示了带阻尼孔结构锥阀维持大幅振动的动力学机制。2、运用高速摄像机实现了对阀芯振动和阀内瞬态流场的可视化的观测,研究了带阻尼孔和不带阻尼孔两种阀体结构的锥阀阀芯失稳振动型态及其对应的流场瞬态变化特征,得到了阀芯失稳振动型态与流量之间的关系。3、运用频谱分析的方法,研究了锥阀开启调节过程的阀芯振动现象,揭示了调节过程中引起阀芯振动的关键激励因素;研究了压力调节锥阀失稳振动时的系统压力和阀芯位移等信号的频率特性,获得了引起锥阀失稳振动的主要原因。


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