以水为介质阻尼孔气穴流动理论和试验研究水.pdf

第4 3 卷第2 期 2 0 0 7 年2 月 机械工程学报 v 0 1 ．4 3N 啦 C H I N E S EJ O U R N A L0 FM E C H A N I C A LE N G I N E E R I N G F e b ．2 0 0 7 以水为介质阻尼孔气穴流动理论和试验研究水 刘银水杨友胜朱玉泉李壮云 华中科技大学机械工程学院武汉4 3 0 0 7 4 摘要针对水的汽化压力高、容易发生气穴的特点，应用气穴模型理论对阻尼小孔中以水作为工作介质时的流动 特性进行理论分析。在此基础上，用可视化方法对阻尼小孔中的气穴流动特性进行试验，研究阻尼孔中的气穴发 生过程，分析阻尼孔内径和长径比对气穴的影响。研究结果表明阻尼孔的气穴首先在进口部位产生，并随着两端 压差的增大向出口推移。大长径比的阻尼孔相对小长径比的阻尼孔而言不容易发生气穴。在相同长径比的情况下， 孔径大的阻尼孔相对孔径小的阻尼孔更容易发生气穴。研究结果对阻尼小孔的选择设计具有一定的参考意义。 关键词水压传动阻尼孔气穴流动气穴模型 中图分类号 T H l 3 7 O 前言 在水压元件和系统中，经常利用阻尼孔起节 流、调压、缓冲和防振等作用。在流体动静压支承 设计中，如水压泵滑靴，也经常采用阻尼孔来获得 所需的压力流量特性。然而，水和油的理化性能差 异[ 1 五】，特别是水的粘度低，使得水流在阻尼孔中流 动一般为紊流；水的汽化压力高，使得水流在阻尼 孔中流动时很容易发生气穴。因此有关以油为工作 介质时阻尼孔的流动和气穴特性的研究结果在以水 为工作介质时并不能完全引用。 目前，关于阻尼孔流动特性的研究多以矿物油 作为工作介质【3 圳，而以水作为工作介质研究阻尼孔 流动特性的文献并不多见。Y A M A G u c H I 掣5 】研究 了流体介质 包括水和高水基流体 特性和阻尼孔材 料对阻尼孔气穴特性的影响，但对阻尼孔内部流场 并没有进行深入的理论和试验研究。2 0 0 1 年华中科 技大学对圆管阻尼孔的流量特性进行了一系列试验 研究【6 】，但最高压力只有3 ．5M P a 左右，不能满足一 般现场应用的要求。 为了给水压元件中阻尼孔的设计提供科学依 据，应用气穴模型理论对阻尼孔中的流动进行了仿 真分析，研制了专门的试验装置，对以水为工作介 质时阻尼孔的气穴流动特性进行了深入的试验研 究，并总结出阻尼孔的几何尺寸对气穴流动特性影 响的规律。 1 阻尼孔的气穴流动理论分析 针对水的汽化压力高、容易发生气穴的理化特 国家自然科学基金资助项目 5 0 4 0 5 0 3 1 。2 0 0 6 0 3 0 8 收到初稿 2 0 0 6 0 9 0 3 收到修改稿 点，将汽化质量、气体体积方程引入I ⅢG 七一s 湍 流模型，并与两层近壁模型相结合，应用F L U E N T 软件对阻尼孔在有背压情况下的流动和气穴特性进 行了仿真模拟。 气穴模型属于多相流模型之一。对于两相可以 互相渗透的流体，模拟当局部压力低于汽化压力时 气泡的形成，存在两相间的质量转移。假设相与相 之间无滑动，气穴模型包含混合物的动量方程和气 相的体积比方程。 体积比方程是由连续性方程推导出来的，气相 的体积比方程如下 昙％ 毒 删2 去祝- 1 瓦％ 瓦‘％ur 2 瓦朋s 1 【1 式中 ％气相体积百分比 运用正交设计方法研究了喷嘴直径、串联固定阻尼孔直径、阀芯直径及其运动速度、喷嘴挡板与喷嘴之间初始距离等参量对水压桥 路特性的影响.结果表明,喷嘴直径以及喷嘴与挡板之间中位距离越小,阀芯与阀套之间配合间隙越大,阀芯直径越大,阀芯与阀套之间叠合长度越短,压力 源压力越高,桥路控制的线性度越好;对于采用二级节流的水压伺服桥路,第一级固定阻尼孔直径越小,第二级固定阻尼孔直径越大,喷嘴前端流道直径越小 ,阀芯与阀套之间配合间隙以及阀芯直径越大,桥路响应就越快.这些研究结果为水压伺服阀样机的研制奠定了理论基础. 2.学位论文 黄雪峰 直动式水压溢流阀压力特性研究 2008 以海淡水作为工作介质的水压传动技术由于具有无污染、不燃烧、工作介质易于获取等突出优点，日益受到国内外工程界的重视。然而，水压传 动技术的应用必须以性能优良的水压元件为前提，而直动式水压溢流阀阀口的压力特性对水压控制系统有着重要影响。本文对4种常见的阀芯结构对直动 式溢流阀压力特性的影响作了深入分析和研究。 通过加工出溢流阀4种阀口的实物模型，进而根据物理模型建立其数学模型；利用MATLAB/SIMULINK进行动态仿真，可以直观地研究阀芯各参数对阀 口压力特性的影响；为了验证仿真的正确性和实物加工的精确度，对实物样品进行了现场试验分析；将试验结果与仿真结果进行了对比分析，得出结论 。该方法可以缩短开发周期、降低经济成本、在以后的水压元件的开发中为设计者提供仿真和试验指导依据。 本文第一部分阐述了纯水液压的发展历程、现状及水压阀面临的关键技术问题。第二部分通过给定的性能要求和试验要求，进行结构设计，加工工 艺设计，几何尺寸计算和静态性能估算。最终加工出一款总长142mm，公称压力14MPa，可更换4种型式阀芯和2种型号阀座的纯水溢流阀。第三部分分析 了作用在液压阀阀芯上的各种作用力。在此基础上建立了数学模型，利用MATLAB/SIMULINK搭建系统的仿真框图，通过改变不同的参数值，比较得出阀结 构的各参数对4种型式阀口的压力响应影响。第四部分为溢流阀的静态试验和动态试验。静态性能测试包括4种型式阀口的阀内部泄露、调压范围及压力 稳定性试验、启闭特性、压力损失、压力振摆、压力流量特性试验；动态试验包括在两种型号的阀座下，4种型式阀口在一系列阻尼孔条件下的压力阶跃 响应。最后对仿真和试验进行了对比分析，修正了仿真结果。 通过上述几个方面的分析，得出了阀各结构参数对4种型式阀口压力特性的影响规律，探讨了水压溢流阀结构设计的依据，对直动式水压溢流阀的开 发起到一定的参考作用。 本文链接 授权使用太原科技大学tykjdx，授权号b5044f28-9281-43b6-b220-9e21012800f1 下载时间2010年11月1日