液压集成块直角孔道局部压力损失的仿真及实验研究.pdf

2 0 1 2年 1 2月 第4 0卷 第 2 3期 机床与液压 MACHI NE T OOL HYDRAUL I CS De c ． 2 01 2 Vo 1 ． 4 0 No ． 2 3 D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 2 ． 2 3 ． 0 1 0 液压集成块直角孔道局部压力损失的仿真及实验研究 林 义忠 ，唐 忠盛 ， 1 ．广西大学机械工程学院，广西南宁 5 3 0 0 0 4； 黄光永 ，陈丽莉 2 ．广西恒 日科技有限公 司，广西南宁 5 3 0 0 0 0 摘要直角孔道是液压集成块内部常见的结构类型，分析其局部压力损失的规律对优化设计集成块意义重大。针对工 程实际中存在的3种典型直角孔道 ，利用 F L U E N T软件对不同结构孔道的压力损失进行对 比仿真。通过实验测量直角孔道 的压力降，绘制了3种直角孔道局部压力损失与流速关系曲线，采用最小二乘法拟合得到正交无工艺孔容腔直角孔道的局 部阻力系数与流速的关系式，为集成块的进一步优化设计提供理论依据。 关键词集成块 ；直角孔道 ；局部阻力系数 中图分类号T H1 3 7 文献标识码A 文章编号1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 2 2 3 0 3 8 4 Si mu l a t i o n a n d Ex p e r i me nt a l S t ud y o f Lo c a l Pr e s s ur e Lo s s a t Ri g ht Ang l e Ch a nn e l i n s i d e Hy dr a u l i c M a ni f o l d Bl o c ks L I N Yi z h o ng ，TANG Zh o n g s h e n g ， HUANG Gua n g y o n g ， CHEN L i l i ‘ 1 ． Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g C o l l e g e o f G u a n g x i U n i v e r s i t y ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 4，C h i n a ； 2 ． G u a n g x i H e n g r i S c i e n c eT e c h n o l o g y C o ． ，L t d ． ，N a n n i n g G u a n g x i 5 3 0 0 0 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e rig h t a n g l e c h a n n e l i s a c o mmo n s t r u c t u r e o f t h e h y d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k s ． T o a n a l y z e t h e ru l e o f l o c a l p r e s s u r e l o s s i s s i g n i fi c a n t f o r o p t i m i z i n g t h e d e s i g n o f m a n i f o l d b l o c k s ．F o r t h e t h r e e t y p i c a l fi g h t a n g l e c h a n n e l s i n a c t u al p r o j e c t ，p r e s s u r e l o s s e s i n d i f f e r e n t s t r u c t u r e c h a n n e l s we r e s i mu l a t e d b y F L U ENT ．T h e p r e s s u r e l o s s e s o f t h e ri g h t a n g l e c h a n n e l s we r e me a s u r e d b y e x p e r i me n t ．T h e r e l a t i o n g r a p h s b e t we e n t h e fl o w v e l o c i t y a n d t h e l o c a l p r e s s u r e l o s s o f d i ff e r e n t r i g h t a n g l e c h a n n e l s we r e d r a wn ．F u n c t i o n b e t we e n l o c a l r e s i s t a n c e c o e f fi c i e n t o f n o c r a f t wo r k h o l e o r t h o g o n al ri g h t a n g l e c h a n n e l an d v e l o c i t y wa s d e d u c e d b y u s i n g l e a s t s q u a r e me t h o d ． I t p r o v i d e s t h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e f u r t h e r o p t i mi z e d d e s i g n o f t h e h y d r a u l i c man i f o l d b l o c k s ． Ke y wo r d sHy d r a u l i c ma n i f o l d b l o c k ；Ri g h t a n g l e c h a n n e l ；C o e ff i c i e n t o f l o c a l r e s i s t a n c e 液压集成块外部需要安装各类板式阀、插装 阀、 管接头、压力表等元件，集成块内部布置纵横交错的 圆柱孔道，这些孔道与集成块外部安装元件底面孔道 相通构成实现某种功能的液压回路。随着液压系统的 集成化程度越来越高，集成块的优化设计变得更加复 杂。液压集成块的设计是外部布局和内部布孔相结合 的过程u ，以往集成块优化设计的指标主要是考虑 其体积、工艺孔数 目及孔道长度。 评价一个设计方案的优劣 ，不仅要依据块体体 积、工艺孔数 目及孔道长度等结构指标 ，还要分析该 设计方案下的连通孔道是否具有好的通流品质 。液 压集成块的孔道一般采用钻、扩、铰、镗、攻等机械 加工方法 ，加工连通的孔道时，由于加工条件的限 制 ，无法加工成理想的s型流道而采用直角转弯结构 连接。在实 际加工两相通孔道 ，有 以下两种情形 I 由于外部液压元件的安装限制 、阀块的结构要 求、加工误差等情况 ，导致两垂直相交孔道的中心线 不相交； 2 加工两正交孔道后存在刀尖容腔和一 定长度的工艺孔容腔。在研究过程中，多数研究者只 是理论上分析并且在模型中简化了刀尖容腔和工艺孔 容腔 。 作者在理论分析与软件仿真的基础上，通过实验 分析孔道之 间偏心距 的大小和工艺孔容腔对直角孔道 流通品质的影响，并对直角转弯孔道的局部阻力系数 进行 了深入的研究 。 1 直角孔道局部压力损失的分析与仿真 1 ． 1 直角孔道局部 阻力 系数 液体在管道 的能量损失主要表现形式为压力损 失。压力损失分为液体在等径直管内由液流黏性摩擦 阻力引起的沿程压力损失和液体流经局部障碍 如 弯头、接头、管道截面突然扩大或者收缩 速度与 方向突然改变，引起液体互相碰撞及摩擦产生的局部 压力损失。由于集成块内部孔道长度一般较短 、直角 孔道多 ，孔道的压力损失以局部压力损失 △ p ， 为主， 收稿 日期 2 0 1 11 1 0 4 基金项目广西壮族自治区自然科学基金项目 2 0 0 9 A M 6 0 1 1 ，桂科自0 9 9 1 0 5 2 ；广西科技攻关项目 1 1 1 0 7 0 0 2 1 3 作者简介林义忠 1 9 6 4 一 ，博士，教授，研究方向为机器人技术、机电液自动控制。 Em a i l h u a n g g y 2 0 1 2 s i n a ． c n 。 第 2 3期 林义忠 等液压集成块直角孔道局部压力损失的仿真及实验研究 ’ 4 1 流在其 内部 的流 动 复杂 化 ，产 生涡 流 强度 大 ，最终 导致压力损失增大。与仿真流速为 3 ． 3瑚 s 局部压力 损失对比，实际单个直角弯道局部压力损失比仿真单 个直角弯道的结果大几倍。该实验也验证了在同一流 道内，存在两个以上局部损失时，因相互干扰实际总 压力损失大于单个损失之和 。 3 块液压集成块局部 阻力系数 与流 速之 间 的拟 合 曲线 如 图 8所 示。可 1 一 正交有工艺孔容腔转弯孔道 2 一 正交无工艺孔容腔转弯孔道 3 一非正交无工艺孔容腔转弯孔道 知 在 相 同的流 速 下 ，正 交无工艺孔容腔转弯孔道 的集成块局部阻力系数明 箍 显小于其他结构，非正交、 无工艺孔容腔转弯孔道的 集成块 局 部 阻力 系数 最 大。因此 设 计 直 角 孔 道 图8 单个孔道局部阻力系 时，应尽量采用正交无工 数与流速拟合曲线 艺孔容 腔转 弯孔道。针对此 孔道的局部阻力系数相关 文献提及较少 ，或者在高流速下给出参考值。结合实 验数据 ，采用最小二乘法拟合得出了正交无工艺孔容 腔直角转弯孔道的局部阻力系数与流速的关系式 一 1 ． 7 v 1 5 ． I v 一4 3 v 4 0 ． 5 ∈ 2 ． 5 m ／ s ， 3 ． 4 m ／ s 6 从公式 6 可知 在测量 的流速范围内，正交 无工艺孔容腔直角孔道局部阻力系数随流速增大而增 大 ，这与一些文献对于特定结构形式只对应唯一不变 的局部阻力系数不相符。该关系式为优化设计集成块 直角孔道提供更精确的局部阻力系数值。由于实验条 件限制 ，测量直角转弯孔道的流速范围较窄，对于更 低速和高速的局部阻力系数还有待进一步研究。 3 结论 结合实验分析影响液压集成块内部直角孔道局部 压力损失因素，提出优化结构方案在设计时，增大 两处直角孔道之间的距离 ，减少因两处孔道相互干扰 增大的局部压力损失；尽量减少工艺孑 L 容腔结构的数 目及工艺孔容腔的长度 ；机加工两相交直角孔道过程 中出现的偏心距对局部压力损失影响明显，应尽量提 高机械加工的加工精度。经实验及数据分析，得到在 不同的流速下直角孔道局部阻力系数与流速的函数关 系 ，为进一步优化设计集成块提供参考。 参考文献 【 1 】 F E N G Y i ， L I L i ， T I A N S h u - j u n ． O p t i m i z a t i o n D e s i g n o f H y d r a u l i c Ma n i f o l d B l o c k s B a s e d o n Hu ma n c o mp u t e r C o o p e r - - a t i v e G e n e t i c A l g o r i t h m[ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f Me c h a n i c a l E n g i n e e ri n g E n g l i s h E d i t i o n ， 2 0 0 3 ， 1 6 3 3 1 73 2 0 ． 【 2 】 X I A N G W， C H U E N C W， WO N G C M， e t a 1 ． A G e n e r a t i v e F e a t u r e b a s e d C AP P ／ CN C S y s t e m f o r Hy d r a u l i c Ma n i f o l d B l o c k s S o u r c e [ J ] ． I n t e rna t i o n a l J o u rna l o f A d v a n c e d M a n u f a c t u r i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 2 ， 1 9 1 1 8 0 5 8 1 1 ． 【 3 】张宏， 王永安 ， 田树军， 等． 以C F D方法研究液压集成块 设计策略 [ J ] ． 大连理工大学学报， 2 0 1 0 ， 5 0 1 7 0 73． 【 4 】高殿荣， 王益群． 液压集成块内弯曲流道流场数值计算 与分析[ J ] ． 机床与液压， 2 0 0 1 6 3 4 3 5 ． 【 5 】王永安， 张宏 ， 田树军 ， 等． 液压集成块内部孔道流场的 C F D仿 真分 析 [ J ] ． 系统 仿真 学 报， 2 0 0 7 ， 1 9 1 7 4 0 6 14 0 6 4 ． 【 6 】 徐莲秋． 液压阀块直角孔道阻力分析 [ J ] ． 大重科技 ， 1 9 9 8 2 3 6 3 7 ． 【 7 】王福军． 计算流体动力学分析[ M] ． 北京 清华大学出版 社 ， 2 0 0 4 ． 【 8 】张宏， 田树军， 刘万辉， 等． 基于 C F D的液压集成块典型 流道液阻仿真研究[ J ] ． 中国机械工程， 2 0 0 7 ， 1 8 1 8 2 2 2322 2 6． 上接第 2 1页 6结束语 所设计的室内大空间自动寻的灭火系统通过实验 室调试和现场实验验证，完全达到了及时有效发现和 扑灭室内大空间早期火灾的设计要求，今后将进一步 将其纳入到联动控制模式 ，便于主控制室统一监控管 理。该系统具有误报率低 ，响应迅速 ，定位准确。扑 灭及时等优点 ，灭火效果非常理想 ，具有广阔的市场 应用前景 。 参考文献 【 1 】 刘斌． 室内消火栓系统以及自动喷水灭火系统设计施工 中存在问题分析[ J ] ． 消防技术与产品信息， 2 0 0 6 9 1 01 2． 【 2 】中华人民共和国公安部． G B 5 0 0 8 4 - 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