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单级锥阀阀芯运动的流固耦合计算与实验研究

王鸿宇  
【摘要】:单级压力调节锥阀作为液压基础件在工业中有着广泛的应用。其主要由阀芯、阀座和弹簧组成,既可以作为直动式阀在液压系统中直接工作,也可以多级压力调节阀的先导阀使用。作为先导阀使用时,其调压精度、阀芯运动的稳定性对液压系统的影响更大。对于先导级压力调节锥阀,由于自身的阻尼系数较小,因此更加容易受到进口流量变化的干扰,并由此引发振动、空化等不稳定现象,严重时会触发安全事故。因此研究单级压力调节锥阀对于提高整个液压系统工作的可靠性和稳定性具有重要意义。本课题采用可视化试验,Comsol流固耦合仿真以及理论分析的方法,研究了单级压力调节锥阀阀口流场情况,阀芯表面的压力分布情况,阀口的油液流动情况以及浸没在油液中的阀芯的固有频率的问题,具体的研究内容如下:一、依据射流理论对阀口的射流运动进行分析,指出附壁射流的形成和运动是影响阀口流动形状的关键因素。利用可视化试验的方法获得了阀口射流流动的轨迹和阀口流动不稳定现象的图像。在平头阀芯和球头阀芯的阀口流场中,均可以观察到阀口淹没射流的附壁效应,且当附壁射流存在时,在阀芯的凸台处可以形成稳定的环形涡,在阀口倒角处可以形成低压回流区,阀口尾部流场可以观察到成型的稳定的涡流,油液的流动形态较为稳定。当球头阀芯的阀口尾部流场不能形成稳定的涡流区时,阀口的淹没射流不能形成附壁射流是导致阀口尾部流动形态多样化的主要因素。当阀芯采用平头结构时,在阀口处可以形成稳定的附壁射流和涡流区。当阀芯采用球头结构时,一般也能形成附壁射流,但是在少数情况下,球头阀芯无法形成附壁射流和稳定的涡流区,油液的出流形态不唯一,阀口尾部的流场呈现多样化的特征。二、通过流固耦合仿真的方法,研究了平头锥阀阀芯和球头锥阀阀芯的阀芯表面受力情况和阀口的流线形态。通过对阀体设置有无阻尼孔的条件,研究了阻尼孔淹没射流对于阀口流场影响。研究了阀芯表面结构的差别对于阀芯的受力情况和阀口流场情况的差异。得到了带阻尼孔结构平头锥阀流场稳定性好的原因,带阻尼孔结构平头锥阀的阀口前端能形成两个稳定的环形涡,其中一个是因为阻尼孔淹没射流本身的速度分布的差异导致了在阀芯前端平面与锥面交界处的回流,由此产生的涡流区;另一个是因为平头阀芯自身的表面结构特点,由于阀芯前段表面由平面突变为斜面,造成了油液运动方向的变化,从而形成了一个较小的涡流区。这两个稳定的环形涡流使得油液的流动具有较强的规律性,使得阀口流动稳定。根据对于平头阀芯和球头阀芯的仿真结果,结合两者的优势,同时利用了球头阀芯表面受力均匀和平头阀芯涡流区较为稳定的特征,对阀芯的结构做出了改进,并用仿真对改进的结果进行了分析和研究。三、结合阀芯的力学平衡方程,流量方程和连续性方程,应用传递函数法对不带阻尼孔的单级压力调节锥阀进行了动态特性的分析,对其浸没在油液中的阀芯-弹簧单自由度振动系统的固有频率进行了计算。并采用实验的方法获得了实际工作过程中阀芯振动的频率,与计算得到的阀芯固有频率做了比较,发现通过传递函数计算得出的阀芯固有频率要低于实际振动时锥阀的振动频率。然后运用流固耦合仿真的手段,计算了阀芯的固有频率,仿真获得的锥阀阀芯的固有频率与实际振动频率更加接近。据此推断通过流固耦合仿真的手段所获得的的阀芯固有频率接近于阀芯浸没在油液中真实的固有频率。传统的传递函数方法在计算固有频率时,由于稳态液动力计算失真的问题,计算误差在13%左右,通过流固耦合仿真的方法得到的固有频率误差在7%以内。对于固有频率的计算,传递函数法的误差要大于流固耦合仿真的方法。为单级锥阀的选型提供了依据和借鉴,从而避免了耦合共振的发生。本课题研究得到的阀芯表面结构差异对于阀芯受力和阀口油液流动的影响,对于优化阀芯结构改善阀口流场的涡流的稳定性,保证单级锥阀的正常工作具有重要意义;本文对于浸没在油液中的阀芯固有频率的研究为单级压力调节阀的选型和试制提供了借鉴和依据,有利于避免其在系统中的耦合共振。


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