可监控性油气混合分配器的供油动态特性分析.pdf

第 4期 2 0 1 5年 4月 机 械 设 计 与 制 造 Ma c hi n e r y De s i g nMa n u f a c t ur e 7 7 可监控性油气混合分配器的供油动态特性分析 方桂花 ， 李斌 ， 洪溥 ， 王建波 z 1 内 蒙古科技大学 机械工程学院， 内蒙古 包头0 1 4 0 1 0 ； 2 ．北方材料科学与工程研究院 包头所， 内蒙古 包头0 1 4 0 3 0 摘要 基于单线卸压式油气润滑系统中油气混合分配器对给油动作的不可监控这一缺陷， 设计了一新的给油结构， 其 不但结构简单、 满足系统工作要求， 而且能够通过阀芯动作指示杆观察到给油动作 ， 减少了电气系统的监测， 节约了成 本。 应用A ME S i m软件 H C D液压元件库对供油结构进行仿真分析， 重点研究了输入压力变化、 阻尼孔直径和锥阀弹簧刚 度对出口喷油流速的影响。在 A ME s i m仿真结果基础上， 设定气相速度， 利用F l u e n t U D F s 改变混合器入 口油液喷油速度 变化规律， 进一步仿真研究油气两相环状流的发展过程。为其结构设计及系统工作压力的选择提供依据。 关键词 油气润滑； 油气混合器； 油气分配器； AME s i m； C F D 中图分类号 T H1 6 ； T H1 3 7 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 9 9 7 2 0 1 5 0 4 0 0 7 7 0 4 Th e Dy n a mi c Ch a r a c t e r i s t i c s An a l y s i s o f t h e Mo n i t o r e d Oi l Ai r Di s t r i b u t o r F ANG Gu i h u a ，L I B i n ，HO NG P u ，WANG J i a n b o 1 ． I n s t i t u t e o f Me c h a n i c a l E n g i n e e r i n g ，I n n e r Mo n g o l i a U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ，I n n e r M o n g o l i a B a o t o u 0 1 4 0 1 0 ，Ch i n a ； 2 ． Ba o t o u B r a n c h o f N o r t h e r n I n s t i t u t e o f Ma t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g ，I n n e r Mo n g o l i a B a o t o u O l 4 0 3 0 ， C h i n a Ab s t r a c t B a s e d o n t h e d e f e c t s t h a t o i l a i r d i s t r i b u t o r c a n n o t b e m o n i t o r e d f o r o i l a c t i o n i n s i n g l e l i n e a n d p r e s s u r e u n l o a d i n g o 一 ai r l u b r i c ati o n s t e m．a n e w s t r u c t u r e f o r o i l i s d e s i g n e d ．T h i s s t r u c t u r e is n o t o n l y s i m p l e ．m e e t i n g t h e s t e m r e q u i r e me n t s ，b u t i n d i c a t i o n r o d is o b s e r v e d b y t h e mo v e m e n t s o f t h e v a l v e c o r e ，r e d u c i n g t h e e l e c t r i c s y s t e m m o n i t o r i n g ， a n d s a v i n g t h e c o s t ． The HC D l i b r a r y o f A ME S i m s o f t w a r e i s u s e d t o s i mu l ate ． I t p u t s e m p h a s i s o n e x p o r t i n j e c t i o n v e l o c i t y u n d e r t h e d if f e r e n t i n p u t p r e s s u r e c h a n g e s ， d a m p i n g h o l e d i a m e t e r a n d c o n e v a l u e s p r i n g s t t e s s ． B ase d o n t h e A ME s i m s i m u l ati o n r e s u l t s ， t h e g a s p h ase v e l aci t y i s s e t and t h e o i l i n j e c t i o n v e l o c i t y v a r i a t i o n i s c h a n g e d b y F l u e n t U D F s ， a t t d t h e d e v e l o p m e n t o f t h e o i l air t w o - p h ase a n n u l a r fl o w i s s t u d i e d ． The a b o v e r e s u l t s gv e d s c i e n t ific f o u n d at i o n t o t h e s t r u c t u r e d e s i gn a n d t h e c h o i c e ofs t e m w o r k i n g p r e s s u r e ． Ke y W o r d s Oi l _ _ Ai r Lu b r i c a t i o n； Oi l _ _ Ai r M i x e r ； Oi l _ Ai r Di s t r i b u t o r ； AM Es i m ； CF D 1 引言 目前 ， 油气润滑系统由于它润滑效能高、 运行可靠、 机电一 体化程度高、 适用范围逛等优点已经广泛应用到冶金、 钢铁 、 造纸 等行业 。油气润滑系统的控制形式很多， 其中单线卸压式油气 润滑系统主要由油气站、 电控箱、 单线卸压式油气分配混合器以 及管路和附件组成， 适用于润滑点较少的场合。在油气混合分配 器内部有运动部件和密封件 ，其主要弊端在于给油动作没有监 控， 不给油或渗油不易发现， 会导致润滑点因供油不足的问题而 使降低摩擦副的使用寿命{ 。在这种单线点对点润滑系统中， 若 为每点配设电气信号检测 ， 则电气系统复杂， 投资大[3 1 。 A ． P a r v a r e h 等采用了 C F D仿真和 E R T试验检测得方法， 研究了简单混合结 构气液} 昆 合的情况 ， 文献对混合器进行了新的设计 ， 但是都未 考虑其给油过程的可视化监控。结合工厂实际情况， 对油气混合 分配器实现再设计， 通过 自身油压力实现对润滑点供油动作的监 控 ，减少了电气系统的监测 ，节约了成本 ；并建立新结构的 A ME s i m仿真模型， 在此基础上研究不同参数对供油性能的影响 及结合 C F D方法仿真混合效果。 2油气混合分配器的结构及工作原理 该油气混合分配器适用于单线卸压式油气润滑系统，在该 系统中油气供应站有一根供油主管和一根供气主管， 所有的单线 卸压式油气分配混合器的进油口和进气口分别并接在供油主管 和供气主管上。 在系统工作时， 供气主管内压缩空气常通， 供油主 管按系统设定的时间间隔交替保压和卸压， 在每个压力上升阶段 实现供油， 并在油气混合腔与压缩空气混合， 通过管道输送到各 个润滑点处 ； 卸压时完成下一周期的储油。 在传统无监控的单线卸压式油气混合分配器的基础上 ， 基 来稿 日期 2 0 1 4 1 0 1 0 基金项目 内蒙古自 治区高等学校科学技术研究项目 N J Z Y 1 2 1 0 9 ； 包头市重大科技发展项目 2 0 1 2 Z 1 0 0 6 2 作者简介 方桂花， 1 9 6 2 一 ， 女， 内蒙古包头人， 教授， 主要研究方向 流体传动与控制领域的教学与科研工作 7 8 方桂花等 可监控性油气混合分配器的供油动 态特性分析 第 4期 于油定量分配原理及气液两相环状流形成机理 ， 优化并改进了 其内部几何结构， 并在此基础上提出了一种新的可监控式油气混 合分配器 ， 如图 1 所示。 a 定量给油部分 5 6 b 油气混合部分 1 ． 阻尼孔 2 ． 密封圈 3 阀 座 4 ． 阀体 5 ． 右端盖 6 锥 阀弹簧 7 ． 阀芯动作指示杆 8 ．指示杆套 9 ．左端盖 l 0 ． 主阀芯 l 1 ． 主阀复位弹簧 1 2 ． 锥阀阀芯 1 3 昆 合体 1 4 ．空气调节螺母 图 1单线卸压式油气} 昆 合分配器结构图 F i g ． 1 Th e S t r u c t u r e o f Oi l-Ai r Di s t r i h u t o r 图 中 油 口 卜 出油 口。 2 ． 1油气混合分配器的结构 给油部分主要 由两部分组成 ， 左边部分为主阀， 右边部分 为 锥 。 主阎由阀体 阻尼孔 、 主阀芯和复位弹簧组成。 主阀芯为阀 芯动作指示杆、 活塞杆和活塞的一体结构。 锥阀结构由阀体、 阀芯 和弹簧组成。 2 ． 2 工作 原理 给油结构的有三个工作状态， 分别为给油状态 、 保持状态、 卸压状态。给油时指示杆随主阀芯右移， 指示杆停止达到保压状 态 ， 卸压时指示杆随主阀芯向左移动 。不同的状态下指示杆的位 置不同，从指示杆的位置可以判断油气混合分配器的工作状态， 实现对给油过程的可视化监控。 在管路内运输的气液环状流必须 具有一定的均匀度和稳定性，在气流中尽量避免液滴的夹杂， 就 要提高喷油流量、 流速的稳定性 。 3给油结构数学模型的建立 根据其结构和工作原理，可以列出定量供油结构的动态方 程主要有 主阀芯的动态平衡方程、 锥向阀阀芯的动态平衡方程 、 主阀左腔流量连续性方程、 主阀右腔流量连续性方程。 3 ． 1主阀芯的动态平衡方程 J2 P1 Al 2 A 2 。 c1 wDs i n 2 x p x p l l C I r D s i n p x 、 ／ K x x 0 忆 1 式中 p r _ - 主阀进口压强； 4 ， A 广一 主阀芯左腔和右腔的受力面积； 一 主阀芯的位移大小； 一 主阀弹簧的预压缩量； 一 主阀 中与阀芯配合的阀座孔直径的大小； f 一主阀进油口与出口 之间的距离 ； K 『 _ _ 主阀弹簧刚度； 一主阀芯的阀芯质量 ； C ，一 主阀 口流量系数 ； 一 主阀的阀芯半锥角 。 3 _ 2锥阀阀芯的动态平衡方程 2 P2 “I T一 Ⅱ 。 2 川 C 2 d s i n P 2 Y d t ／9I3d sin cx x V J 誓 【 2 式中 p 厂堆 阀进口压强； 出锥阀阀座孑 L 的直径大小； K _锥 阀 的弹簧刚度； 广 罐 阀弹簧的预压缩量； y 锥阀的开口度大 小 ； C 厂锥 阀口的流量系数； 一油液的出射流角 ； f 厂 一 睢阀 进V I 和出口的轴向长度； m 锥阀阀芯的质量； p 一液压油的 密度 。 3 ． 3主阀右腔的连续性方程 g “ 。 一 V 一 2d p 2 3 式中 g 厂- 通过阻尼孑 L 的流量； q 厂 流过锥阀阀座孔的流量； 厂 主阀右腔体积的大小； 一油液的弹性模量； L4 厂 主阀右腔 的受力面积 ； r 主阀芯运动的时间。 3 ． 4主阀左腔的连续性方程 g q ， 4 式中 q 一主阀进口流量； V 一主阀左腔体积大小。 4给油结构仿真模型及主要参数 根据实际情况， 设定人 口的P的最小压力为 7 ．7 b a r ， 工作时 要求主阀芯向右移动时单向阀打开，主阀弹簧复位时锥阀关闭。 且要求 出油 V I 流量 、 流速在有限的范 围内波动 ， 建立 A ME s i m仿 真模型并通过 A M E s i m本身的参数优化功能设定主要参数。 4 ． 1仿真模型 通过AM E s i m建立的仿真模型， 如图 2 所示。 ④ 一 。 图 2给油结构 AME s i m模型 F i g ． 2 Th e AMEs i m Mo d e l o f t h e Oi l F e e d i n g Pa r t 4 _ 2主阀参数 主阀阀芯活塞直径 d 1 4 m m，阀芯左腔指示杆直径 d 5 ． 5 m m、 指示杆长 1 1 3 0 ram， 阀芯右 腔活塞杆 直径 9 、 杆长 ／ 2 7 mm， 主阀复位弹簧刚度 0 ． 5 7 2 N ／ m m， 预紧力f 1 9 N， 主阀芯 最大位移 l 8 m m，主阀阀芯质量 M O ． 0 2 2 k g ，阻尼孔直径 d 0 ． 5 7mm。 4 ． 3锥阀参数 阀芯锥体直径d 8 mr n ， 锥杆直径d 6 -- 3 m m， 锥体半角 5 4 。 ， 弹 簧刚度 K y 2 3 0 N ／ m m， 预紧力 ． 8 ．2 N， 锥阀阀芯质量 m 0 ．0 1 5 k g 。 5出口流速特性及油气混合效果仿真 为了研究不同因素对出油口压力、 流速 、 流量的影响情况 ， 8 0 机 械 设 计 与 制 造 No ． 4 Ap r ． 2 01 5 较小 。 C N 2 0 1 4 0 4 7 7 5 [ P ] ． 2 0 1 0 - 0 2 1 7 ． 3 当锥阀弹簧刚度为k 2 5 0 N ／ ra m时， 出口流速相对稳定， 波幅较小。 4 在气相速度为 6 0 m ／ s 情况下， 喷油速度在小于 1 0 m m ／ s 内变 化时， 对环状流的形成影响 比小 。 参考文献 [ 1 ] 孔祥东， 姚静， 余滨 由 气润滑发展综述E J 3 ． 润滑与密封 ， 2 0 1 2 ， 3 7 6 9l 一 9 5 ． K o n g Xi a n g d o n g ， Ya o J i n g ， Y u B i n ．S u m ma ry o f o i l a i r l u b ri c a t i o n s y s t e m d e v e l o p m e n t [ J ] ． L u b ri c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 ， 3 7 6 9 1 9 5 ． 【 2 ] 杨和 中， 刘厚 飞．T U RB OL U B油气润滑技术 三 [ J ] ．润滑与密封， 2 0 0 3 3 9 2 9 4 ． Y a n g H e z h o n g ， L i uH o u f e i ，O i l a i r l u b ri c a t i o nt e c h n o l o g y T h r e e j [ J ] ． L u b r i c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 3 3 9 2 - 9 4 ． [ 3 ] 田秀平．棒线轧机油气润滑应用浅析[ J ] _冶金设备， 2 0 0 4 1 1 4 6 1 4 9 ． T i a n Xi u p i n g ．Ap p l i c a t i o n a n a l y s i s o f t h e o i l a i r l u b ri c a t i o n o f t h e b a r a n dw i r e r o d r o l l i n gmi l l[ J J _Me t a l l u r g i c a l E q u i p me n t ， 2 0 0 4 1 1 4 6 1 4 9 ． [ 4 ]P a r r a r c h A， R a h i m i M， A l i z a d e h d a k h e l A， A l s a i r a f i A A．C F D a n d E R T i n v e s t i g a t i o n s o n t wo - p h a s e flo w r e g i me s i n v e r t i c a l a n d h o r i z o n t a l t u b e s l J J ． I n t e r n a t i o n a l C o m mu n i c a t i o n s i n He a t a n d Ma s s T r a n s f e r ， 2 0 1 0 ， 3 7 3 3 0 4 3 1 1 ． [ 5 j 沈海勇．新型油气混合器 中国， C N 2 0 3 3 8 4 6 2 2 U [ P ] ．2 0 1 4 0 1 0 8 ． S h e nH a l 一 To n g ． An e wt y p e o f o i l a i r m i x e r C h i n a ， C N 2 0 3 3 8 4 6 2 2 Ul P ] ． 2 0 1 4 0 1 - 08 ． [ 6 ] 余强光 ， 吕浩军 ， 朱建敏 ．油气 混合 器 中国， C N 2 O 1 4 0 4 7 7 5 [ P] ．2 0 1 0 一 O 2 1 7 ． Y u Qi a n g gna n g ， L v Ha o- j u n ， Z h u J i a n- rai n ． O i l - a i r mi x e r C h i n a ， [ 7 ] 孙启国， 王莹， 曾宪文．一种新型油气混合器 中国， c N 1 O 3 8 O 7 5 8 6 A [ P ] ． 2 O 1 4 一 O 5 21 ． S u n Q i - g u o ， Wa n g Y i n g ， Z e n g X i a n w e n ．A n e w t y p e o f o i l a i r mi x e r C h i n a ， C N l 0 3 8 O 7 5 8 6 Al P J ．2 0 1 4 0 5 2 1 ． [ 8 ] 李志宏 ， 孙启 国， 吕洪波油 气润滑系统水平管路 中环状流的形成过程 及特性研究[ J ] ． 润滑与密封， 2 0 1 2 7 4 9 5 2 ． L i Z h i - h o n g ， S u n Q i g u 0 ， L v H o n g - b o ．T h e c h a r a c t e ri s t i c s a n d t h e s h a p i n g p r o c e s s o f t he a n n u l a r flo w i n t h e h o r i z o n t al p i p e o f t h e o i l - a i r l u b ri c a t i o n s y s t e m [ J ] ．L u b r i c a t i o n E n g i n e e r i n g ， 2 0 1 2 7 4 9 5 2 ． [ 9 ] 袁土豪 ， 殷晨波 ， 刘世豪 ．基于 A ME S i m的平衡 阀动态性能分析[ J ] ．农 业机械报， 2 0 1 3 8 2 7 3 2 8 0 ． Y u a n S h i- h a o ， Y i n C h e n- b o ， L i u S h i h ．d 0 ． Wo r k i n g p r o p e rt i e s o f c o u n t e r b a l a n c e v a l v e b a s e d o n A ME S i m c o d e [ J j ． T r a n s a c t i o n s o f t h e C h i n e s e S o c i e t y f o r A g r i c u l t u r a l Ma c h i n e r y ， 2 0 1 3 8 2 7 3 - 2 8 0 ． [ 1 0 ] 张生 昌， 王怊东 ， 邓鸿英． 气液单 向阀弹簧刚度对开启特性的仿 真分 析[ J 1 ．液压气动与密封， 2 0 1 4 2 1 9 2 1 ． Z h a n g S h e n g - c h a n g ， Wa n g Z h a o - d o n g ， De n g Ho n g - y i n g e t c ．S i mu l a t i o n o n e f f e c t o f g a s l i q u i d c h e c k v a l v e s p ri n g s t i f f n e s s t o o p e n i n g c h a r a c t e r i s t i c s [ J ] ．H y d r a u l i c s P n e u m a t i c s ＆S e al s ， 2 0 1 4 2 1 9 2 1 ． [ 1 1 ] 曹文琴， 朱海燕， 向毅． 传递函数法的直动式锥型溢流阀动态特性研 究 [ J ] ．机械设计 与制造 ， 2 0 1 3 1 2 1 3 8 1 4 0 ． Ca o We n q i n， Zh u Ha l- y a n， Xi a n g Yi ．Dy n a mi t i c c h a r a c t e r i s t i c s r e s e a r c h o f t h e d i r e c t a c t i n g t a p e r e d r e l i e f v a l v e b y t h e t r a n s f e r f u n c t i o n me t h o d [ J ] ．Ma c h i n e r y D e s i g n Ma n u f a c t u r e ， 2 0 1 3 1 2 1 3 8 1 4 0 ． l 1 2 j L u o Z h i - g u o ， Ni B i n g ．T h e s i m u l a t i o n o f g a s - l i q u i d t w o - p h a s e fl o w i n m o l d w i t h F L U E N T [ J ] ．I n d u s t ri a l H e a t i n g ， 2 0 0 8 ， 3 7 1 6 - 7 ． 上接 第 7 6页 了该悬架在车轮上下跳过程中悬架刚度性能与车轮参数变化规 律。 悬架的运动特性符合实际运动规律。 同时， 动力学仿真是基于 有限元模型， 且动力学仿真与试验符合， 有限元仿真合理； 利用计 算机仿真技术分析悬架强度、 动力特陛， 满足设计要求 ， 优化结构 具有实际应用价值意义， 为同类型的扭力梁悬架前期开发设计降 低成本并提供借鉴与参考价值。 参考文献 [ 1 ] 张枭鹏， 刘艳华， 戴竣． 含弹簧、 减震器的扭力梁的有限元分析[ c ] ． 第 九届中国C A E工程分析技术年会专辑， 2 0 1 3 4 ． Z h a n g X i a o p e n g ． L i u Y a n h u a ， Da i J u n ．T h e f i n it e e l e me n t a n al y s i s o f t h e t w i s t b e a m w i t h t h e s p r i n g a n d t h e s h o c k a b s o r b e r[ c] ．T h e 9 t h C h i n a C A E E n g i n e e r i n g A n a l y s i s T e c h n o l o gy C o n f e r e n c e Al b u m， 2 0 1 3 4 ． [ 2 ] 于开平， 周传月， 谭惠丰． H y p e r M e s h 从入门到精通[ M] B 京 清华大 学出版社， 2 0 0 9 ． Y u K a i p i n g ， Z h o u C h u a n y u e ， T a n I t u i - f e n g ． H y p e r Me s h fr o m E n t r y t o t h e Ma s t e r [ M] ． B e i j i n g S c i e n c e P r e s s ， 2 0 0 5 ． 『 3 。I 庄茁， 由小川． 基于 A B A Q U S的有限元分析与应用[ M] E 京 清华大 学出版社， 2 0 0 9． Z h u a n g Z h u o ， Yo u Xi a o c h u a n ．F i n i t e E l e me n t A n a l y s i s a n d A p p l i c a t i o n B a s e d o n A B A Q U S [ M] ． B e i j i n g T s i n g h u a U n i v e r s i t y P r e s s ， 2 0 0 9 ． [ 4 ] 李增刚． A D A MS 入门 详解与实例[ M] ．北京 国防工业出版社， 2 0 0 6 ． L i Z e n g - 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