液压流体力学三级项目

液压滑阀中液动力的计算与分析班级：机控一班姓名：张浩翔、张振乐、闻彰、陆佳伟指导教师：高殿荣提交时间：2014.12.23一．液压滑阀中稳态和瞬态液动力计算与分析的研究现状在液体动力学中，液动力的研究一直是外界学者所关注的问题。目前已经有很多学者发表了数篇关于稳态液动力与瞬态液动力方面的文章，他们用到了几种方法研究液动力，其中一种是“基于FLUENT的阀芯所受最大液动力的确定”的研究方法，我们这种方法觉得对我们对课题的研究有很大启发。有的学者已经以液氧与煤油补燃循环火箭发动机中流量调节器中滑阀为例，介绍了滑阀稳态液动力的一种计算方法，分析了不同结构参数下稳态液动力的变化规律，得出了滑阀的稳态液动力与滑阀位移、液流出口处的流道形状以及刃边厚度关系的一些初步结论。王林翔等发表的《阀内流道布置对液动力的影响》中对滑阀内部不同流道布置情况下的流动过程进行了分析与比较，并说明了阀芯上的液动力与阀内的流道布置之间存在着联系，通过改变流道布置，可以明显减少液动力而不显著增加阀的压降，从而大幅度改善阀的性能。冀宏傅新杨华勇发表的《非全周开口滑阀稳态液动力研究采用计算流体动力学(CFD)方法，针对两种典型节流槽形式的滑阀进行了三维流场仿真分析研究，获得了不同流动方向下阀口全行程压力流量和液动力特性，井与试验测量结果进行了比较，两者吻合良好；分析比较了流场计算和理论公式计算结果。薛梅法发表的《液动力对滑阀式换向阀的影响》分析了稳态液动力、瞬态液动力对滑阀式换向阀的影响，并以实例说明液动力过大造成的不良后果，提出了具体补偿措施，说明在设计液压换向回路时应考虑液动力对滑阀换向的影响，以使液压系统工作更稳定。液压滑阀通过阀芯阀体的相对移动，控制流体的流量及流动方向。阀芯在移动过程中，受液压力、弹簧力、液动力、摩擦力、惯性力等外力，其中的液动力是由于阀芯的移动，使液流的速度矢量发生改变而产生的外力，其影响了换向阻力及阀的精确控制。因此，对阀芯液动力的准确计算和有效补偿，是提高大流量液压控制阀及其系统操作精确性、舒适性、可靠性、安全性及节能的关键环节之一。二．液压滑阀中稳态和瞬态液动力产生的原因液压滑阀是流体传动与控制技术中重要的基础元件，主要结构及工作原理如图1所示。液动力分为稳态液动力和瞬态液动力，瞬态液动力在阀芯所受到的各种作用力中所占的比重不大，在一般液压阀中通常可以忽略不计。所谓的稳态液动力是指滑阀开口一定（稳定流动）时，由于流经阀腔和阀口的液流截面积及方向的改变（如图1所示）而引起的液流速度的改变，导致液流动量的变化而产生的液动力。稳态液动力又可称为动反力，它可分解为轴向分力和侧向分力。由于一般将阀体的油腔对称的设置在阀芯的周围，因此沿阀芯周围的侧向分力相互抵消了。当流量较大时，稳态液动力会较大，对伺服阀和比例阀的操控有较大的影响，会出现液动力大于操控力而使阀芯动作失效的情况，因此，减小工作时换向阀的最大稳态液动力一直是国内外液压工作者关注的问题。三．计算和分析液压滑阀中稳态液动力和瞬态液动力的大小（一）瞬态液动力的研究与分析图2.1.1图2.1.2对图2.1.2所示流动为进口节流情况，滑阀在开启或关闭过程中所产生的瞬态液动力FLx对阀芯运动的影响，恰好与前一种流动情况相反，即FLx作用方向与阀芯运动方向一致，是促进阀芯运动的力，此种情况瞬态液动力成为负阻尼力。对这种情况，当FLx具有较大值时（相对阀芯运动中其他形式的阻尼力），将危及到滑阀工作的稳定性，在滑阀设计中需给予应有的重视。若以VLqAV；/2pDxCq代入式（7—11），可得dtpxdDLCdtdqLdtdVLAFVLLx)2(假定constp，则dtdxpDLCdtdxpLDCFLx22式中C——节流口流量系数；D——节流边圆周直径；L——阀腔内液流轴向有效流动距离；p——节流口两端压差；x——节流口开度。上式中dtdx/又表示了阀芯的运动速度，按图2.1.1、图2.1.2所示情况，当dtdx/为正值时，表示滑阀的开启过程，当dtdx/为负值时，表示滑阀的关闭过程。按图示所选x坐标，dtdx/可代表阀芯的运动方向，但它不能确定阀内液流的加速度方向，既无法由dtdx/的正负来判别FLx为正阻尼还是负阻尼。为此，可冠以L正负号。如图2.1.1，当阀腔内液流方向与滑阀开启方向一致时，L为正号，则上式右端的负号表示FLx与阀芯的运动方向相反，此时FLx为正阻尼力。如图2.1.2，当阀腔内液流方向与滑阀开启方向相反时，L为负号，则上式右端的负号与L的负号相抵消，表示FLx与阀芯的运动方向一致，此时FLx为负阻尼力。L又常被称为阻尼长度。将三级项目书中的数据带入公式，得：dtdxpDLCdtdxpLDCFLx22=10.95N（二）稳态液动力的研究与分析图2.2为液压系统示意图。滑阀在工作时，阀芯由闭合逐渐开启过程中，由于溢流阀的调定压力的作用会出现两个工况——恒压过程、恒流过程。恒压工况的特点：由于溢流阀的溢流定压作用，系统压强不变，通过溢流阀的流量随开口的增大而增大。恒流工况的特点：当通过阀口的流量达到泵的额定流量，此时溢流阀不再溢流，系统的压强随着开口的增大而逐渐减小。两个工况的液动力的分析如下所述。图2.2液压系统示意图1．恒压过程在图2.2中，阀芯由闭合到逐渐开启过程中，当滑阀开口很小时，泵排出的部分液体通过溢流阀溢出，系统近似为一个恒压系统，通过滑阀开口的流量q随着开口x而改变。阀芯受到的稳态液动力Fs的通用表达式即为：式中———流出阀口的速度；ρ———流体的密度；q———通过圆柱滑阀阀口的流量。负号表示稳态液动力的方向与相反,为液流角。式中———速度系数，一般=0.95～0.98；Δp———流通过圆柱滑阀阀口的压力损失。式中W———滑阀开口周长，又称过流面积梯度，对于理想滑阀W=πd；x———滑阀的开度、为阀芯直径。所以上式又可写成:考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数Cq可取为常数，且令液动力系数常数，则上式又可写为：当压差Δp一定时，由上式可知，稳态液动力与阀口开度x成正比。所以由闭合到开启的初始阶段阀芯所受到的液动力是线性增加的。2.恒流过程当阀口开大到一定程度后泵排出的液体不再通过溢流阀溢出，系统成为一个恒流量系统，即通过滑阀开口的流量基本上保持不变，但流速随开口增大而减小。液动力可写作：整理公式，得：同样，考虑到阀口的流速较高，雷诺数较大，流量系数Cq可取为常数，设液动力系数常数，则上式又可写成：当流量q一定时，由上式可知稳态液动力与阀口开度x成反比。表明当系统的压力到调定值时液动力与开口度x成反比。综上所述，阀芯在开启过程中液动力先随着开口的增大而线性增加，当系统压力达到溢流阀的调定值时，液动力与开口度成反比的减小，可以得出图3曲线。在这个过程中，最大液动力出现在恒压工况与恒流工况的转换位置。将三级项目书中的数据带入公式，得：s2cos0.06166xdvFCCDxpN可见，瞬态液动力的大小远小于稳态液动力的大小。四．给出减小液压滑阀中瞬态和稳态液动力的措施并加以分析（一）减小瞬态液动力措施及其分析由以上分析可知，瞬态液动力与阀芯位移的变化有关，与节流口上的压力降Δp有关，习惯上往往忽略压力变化对瞬态液动力的影响，这是造成滑阀在某种场合使用时不能可靠工作的直接原因。比如系统中外负载惯性较大，或者阀口堵塞使用，这些情况下，阀在工作或者切换过程中将产生液压冲击，此时压力变化对瞬态液动力影响不容忽视。瞬态液动力的方向由阀中流体变速时的加速度方向判定。综上分析，瞬态液动力的方向指向使减小的方向，它直接阻碍阀总运动。如果阀的驱动装置是交流电磁铁，则切换时可能会由于磁铁芯悬空而遭致烧毁。一般电磁阀设计时仅考虑到稳态液动力，因此系统设计中应注意避免产生大瞬态液动力。（二）减小稳态液动力措施及其分析(1)滑阀的稳态液动力与滑阀节流口处流道的形状有很大的关系，在滑阀工作区域，节流口为圆形时的滑阀的稳态液动力大于相同节流面积下节流口为三角形时的滑阀，而壳体选择方案A时在位移较小处滑阀的稳态液动力大于相同节流面积下选择方案B时滑阀的稳态液动力，在位移较大时则有相反的结论。(2)滑阀的稳态液动力与滑阀位移有关，当压降为定值时，三角形节流口的滑阀稳态液动力随着滑阀位移的增加而减少，而圆形节流口的滑阀稳态液动力随着滑阀位移的增加先增加后减少。(3)滑阀的稳态液动力与滑阀刃边厚度有关，随着刃边厚度的增加而增加，且成近似的抛物线关系。参考文献[1]金朝铭液压流体力学国防工业出版社1994[2]张作状,李建楠,陈媛媛关于滑阀与锥阀中稳态液动力方向的比较分析液压与气动2009[3]何存兴.液压元件.机械工业出版社,1982[4]曾贤启．工程流体力学基础[M]．航空工业出版社．1993．心得体会通过这次三级项目，增强了我们的动手能力，认识了团队精神的重要性和科学研究的严谨性，掌握了新型的思维方法，认识了滑阀中稳态液动力和瞬态液动力的相关知识，这对日后的工作有很大的帮助，我们小组成员学在其中，乐在其中。在此，我们小组成员十分感谢老师对我们辛勤和耐心的指导。张浩翔：在完成这份三级项目的过程中，我和其他的几个成员，相互合作，彼此配合，很快的完成了任务，这让我对他们几个充满了信任，加深了我们彼此之间的友谊。此外，我还了解了稳态液动力与瞬态液动力的计算方法，这对我日后的学习有很大的帮助。闻彰：首先，我在本次三级项目中研究了稳态也动力与瞬态液动力的计算方法，是我对所学的知识有了深入了解。其次，通过与其他组员的合作，我们之间加深了友谊，彼此之间相互信任，这对我们日后的合作会有很大的帮助。再有，通过本次三级项目，我对一些基本的液压元件有了初步的了解，了解了一些液压元件的作用及使用方法，意义非凡。张振乐：在看到这份三级项目指导书的时候，我们都觉得这个项目太复杂了，根本不知道从何入手，以至于迟迟没有动手，但是当我们静下心来认真做之后才发现其实也没有想象的那么难。所以，我觉得做任何事都不能有畏难情绪，只要我们想做，没有什么困难是克服不了的。此外，通过这次的学习，我还了解了影响滑阀中稳态液动力与瞬态液动力的因素及减小它们的措施，让我所学的知识更进一步。陆佳伟：在完成项目的时候，我深深感受到，一个人的力量是有限的，一个人的想法也总是局限的，此次项单靠我们中的任何一个人恐怕都是不可能完成的。通过此次实践让我更加认识到了团队合作的重要性。组内互评：张浩翔5张振乐5闻彰4陆佳伟4