（机械电子工程专业论文）液压锥阀的振动特性研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 作为液压传动与控制中非常重要的基础性元件，液压锥阀具有密封性好，抗污染能 力强，构造简单等特点，从而广泛应用于液压系统中。但液压锥阀在使用过程中所产生 的振动、空化、噪声等问题严重影响了其应用场合。随着液压技术的发展，对液压元件 的性能提出了更高的要求，因此，液压锥阀的振动、静态和空化方面的特性得到了学术 界和工业界广泛的关注。 论文主要采用c f d 软件对液压锥阀的内流场进行建模和仿真，重点研究液压锥阀产 生振动的原因以及如何从结构上消振的方法，附带模拟和计算不同结构锥阀的空化特性， 从流体可视化的角度，分析不同结构锥阀易于产生空化的位置和强弱。 论文主要包括五部分内容：( 1 ) 利用s t a r - c d 对简化的锥阀模型进行参数化六面体 网格建模，通过a n s y sc f x 的动态和稳态计算，重点分析锥角“a ”和阀芯圆周直径“b ” 的大小对锥阀振动特性和静态特性的影响。并计算和分析阀口倒角对锥阀性能的影响； ( 2 ) 根据阀芯动力学方程和流量方程，建立锥阀的动态数学模型，并在s i m u l i n k 中搭 建系统的数学模型，分析模型得出稳态液动力的大小和方向是对锥阀动态特性有较大影 响的参数：( 3 ) 对日立建机使用中存在振动问题的锥阀，建立c f d 模型并进行不同开度 下的稳态计算，综合数学模型和不同开度下的压力分布云图，从结构上指出该锥阀易于 产生振动的原因，并对原始结构进行改进，计算改进结构的流场分布并与原始结构比较， 最后通过入口阶跃压力作用下的阀芯动态响应计算，验证了关于振动原因理论分析的正 确性：( 4 ) 对日立建机的原始锥阀结构进行结构优化，研究不同结构参数对锥阀振动特 性的影响，得出除了稳态液动力之外，入口的细长环逢节流也易引起锥阀的振动。根据 振动的影响因素，提出三种优化结构锥阀，分别对其进行稳态和动态c f d 计算，验证了 振动因素分析的正确性；( 5 ) 对原始结构和改进结构锥阀进行c f d 空化模拟，在流场仿 真中加入空化模型以研究不同结构锥阀的空化特性，根据计算结果以及阀芯表面的压力 分布曲线得出：原始结构锥阀易于振动但不易产生空化，优化和改进结构不易振动但却 更易于产生空化，空化现象和振动现象是一对矛盾体存在于锥阀之中。 关键词：液压锥阀；振动；稳态液动力；空化；c f d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t a sa ni m p o r t a n ta n df u n d a m e n t a lc o m p o n e n ti nh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l s y s t e m ，h y d r a u l i cp o p p e tv a l v ei sw i d e l yu s e di nh y d r a u l i cs y s t e mf o rt h er e a s o no fr e s i s t i n g c o n t a m i n a t i o nc a p a c i t y , g o o ds c a l i n gp r o p e r t ya n ds i m p l es 们c t u r e h o w e v e r , t h ep r o b l e mo f v i b r a t i o n , c a v i t a t i o na n dn o i s ei nt h ep o p p e tv a l v ea f f e c ti t sa p p l i c a t i o n ss e v e r e l y a st h e d e v e l o p m e n to fh y d r a u l i ct e c h n o l o g y , i t sp r o p o s e dm o r ea c c u r a t er e q u i r e m e n t sf o rh y d r a u l i c c o m p o n e n t s t h e r e f o r e ，t h ev i b r a t i o n ，s t a t i c a n dc a v i t a t i o np r o p e r t i e so fp o p p e tv a l v ea r c c o n c e r n e db r o a d l yi nt h ef i e l do fe n g i n e e r i n ga n di n d u s t r y i nt h i sp a p e r , t h em a j o rw o r ki su s i n gc f ds o f t w a r et om o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gf o l w f i e l di nt h ep o p p e tv a l v e ，t h em a i np o i i l ti st or e s e a r c ht h er e a s o nt h a tc a u s e sv i b r a t i o no f p o p p e tv a l v ea n dh o wt od e c r e a s ev a l v ev i b r a t i o n , a n da l s oc a v i t a t i o nu n d e rd i f f e r e n tv a l v e s 仃u c n i r e si si n c l u d e di nt h es i m u l a t i o n , f r o mt h ep e r s p e c t i v eo ff l u i dv i s u a l i z a t i o n , t h el o c a t i o n a n di n t e n s i t yo fc a v i t a t i o nw i t hd i f f e r e n ts t r u c t u r e sa r ea n a l y z e d t h i st h e s i sc o n s i s t so ff i v ep a r t s ：( 1 ) d e s i g n i n gt h eh e x a h e d r a l m e s hm o d e lo f s i m p l i f i c a t i o np o p p e tv a l v et ob ep a r a m e t e ri ns t a r c d ，u t i l i z i n ga n s y sc f xt om a k e s t a t i ca n dt r a n s i e n ts i m u l a t i o n t h ee f f e c t so fc o n e “a ”a n ds p o o lc i r c u m f e r e n c ed i a m e t e r “b ” o nt h ep o p p e tv a l v e ss t a t i ca n dt r a n s i e n tp r o p e r t i e sa r ca n a l y z e dp r i m a r i l y , a n da l s ot h ee f f e c t s o fp o r tc h a m f e ro np o p p e tv a l v e sp r o p e r t i e si sr e s e a r c h e d ；( 2 ) a c c o r d i n gt ot h es p o o l d y n a m i c se q u a t i o na n df l o w r a t i oe q u a t i o n ，t h ed y n a m i cm a t h e m a t i c a lm o d e l i ss e tu p ，a n dt h e m o d e li sp u t 叩i ns i m u l i n k ，v i aa n a l y s i so fm a t h e m a t i c a lm o d e l ，i t so b t a i n e dt h a tt h e m a g n i t u d ea n dd i r e c t i o no fs t e a d y - s t a t ef l o wf o r c eh a sg r e a te f f e c to nt r a n s i e n tp r o p e r t yo f p o p p e tv a l v e ；( 3 ) t h ec f dm o d e li ss e tu pf o rt h ep o p p e tv a l v ev i b r a t i n gs t r o n g l yi np r a c t i c e b yh i t a c h i ，t h es t e a d yc a l c u l a t i o n i s i m p l e m e n t e di n d i f f e r e n tv a l v ep o r t o p e n i n g ， c o m b i n i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e la n dp r e s s u r ef i e l ds t r u c t u r e ，i t si n d i c a t e dt h er e a s o nw h y t h ep o p p e tv a l v et e n d st ov i b r a t ef r o mt h ep o i n to fs 仃1 l c t u r e ，t h eo r i g i n a lp o p p e tv a l v ei s m o d i f i e di ns t r u c t u r e ，a n di t sf l o wf i e l di sc a l c u l a t e da l s o ，f i n a l l y ；t r a n s i e n ts i m u l a t i o i l si nt h e c a s eo fi n l e tp r e s s u r es t e ps i g n a la r cm a d ef o rb o t ho r i g i n a ls t r u c t u r ea n dm o d i f i e ds t r u c t u r e ， t h et r a n s i e n tr e s u l tv e r i f i e st h a tt h ev a l i d a t i o no ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa b o u tt h ev i b r a t i o nr e a s o n ( 4 ) t h es t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o ni sc o n d u c t e df o rt h eo r i g i n a lp o p p e tv a l v eo fh i t a c h i ，t h e e f f e c to fd i f f e r e n ts t r u c t u r a lp a r a m e t e r so np o p p e tv a l v ev i b r a t i o np r o p e r t yi sr e s e a r c h e d , i t s f o u n dt h a te x c e p tf o rs t e a d y s t a t ef l o wf o r c e ，a ns l e n d e ra n n u l a rc r a c kt h r o t t l i n gi nt h et o po f t h ec o n em a ya l s oc a u s e sp o p p e tv a l v ev i b r a t i o n ，t h et r a n s i e n ts i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 v a l i d a t i o no fr e s e a r c hf o rv i b r a t i o ne l e m e n t ；( 5 ) t h ec f dc a v i t a t i o ns i m u l a t i o ni sc a r r i e do u t f o rb o t ho r i g i n a ls t r u c t u r ea n do p t i m a ls t r u c t u r e s ，t h ec a v i t a t i o nm o d e li si n c l u d e di nf l o w f i e l ds i m u l a t i o nt or e s e a r c ht h ec a v i t a t i o np r o p e r t yo fd i f f e r e n tv a l v es t r u c t u r e s ，t h es i m u l a t i o n r e s u l t sa n dt h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o np r o f i l eo ns p o o ls u r f a c es h o w ：t h eo r i g i n a ls t r u c t u r a l p o p p e tv a l v et e n d st ov i b r a t e ，h o w e v e r , i t sn o tt e n d st og e n e r a t ec a v i t a t i o np h e n o m e n o n ，o n t h eo t h e rh a n d ，t h em o d i f i e da n do p t i m a ls t r u c t u r e sc a nd e c r e a s ev i b r a t i o ni n d e e d , b u t c a v i t a t i o np h e n o m e n o ni sm o r ep r o n et oe m e r g ei ns u c hs t r u c t u r e s ，c a v i t a t i o na n dv i b r a t i o n c o n s i s to fac o n t r a d i c t i o nt h a te x i s ti np o p p e tv a l v e k e yw o r d s ：h y d r a u l i cp o p p e tv a l v e ；v i b r a t i o n ；s t e a d y - s t a t ef l o wf o r c e ；c a v i t a t i o n ；c f d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 本章概括了课题的来源、学术背景及其研究意义，详细阐述了国内外学者关于液压 锥阀振动及其空化特性的研究现状，叙述了计算流体动力学( c f d ) 技术在液压锥阀研究 方面的应用情况。 1 1 引言 液压技术利用液体的压力进行能量传递，具有动作迅速、功率密度大、运动平稳、 元件布置灵活、便于控制、机械性能好、效率高、易于实现过载保护等优点，在工业及 施工中得到了广泛的应用【卜3 1 。在大驱动功率场合，如土程机械，建筑机械，压力机和各 种机械加工设备中，液压技术具有显著优点。在重载荷、大功率驱动的工程机械、建筑 机械和重型机械中，液压技术几乎处于垄断地位。 近些年来，因为采用了微电子技术、信息技术、微机技术、自动控制技术、摩擦磨 损技术及新工艺、新材料等，液压传动和控制技术取得了新的发展，液压元件和系统在 水平上有了极大的提高。目前，液压传动技术已经成为工业机械，工程建设机械和国防 尖端产品中不可缺少的重要传动手段，是上述各领域向自动化、高精度、高效率、高速 化、高功率密度( 小型化，轻量化) 方向发展，不断提高其可靠性和竞争能力的关键性 问题【4 】。 在一个液压控制系统中，液压阀主要用来控制流体的流向、压力及其流量，从而控 制整个液压系统的工作性能，例如系统的工作压力，液压缸或液压马达的运动次序，工 作部件的运动速度、方向，以及变换频率等等。所以，液压控制阀的工作性能对整个液 压系统有直接的影响。各种液压阀都是通过控制腔室内油液的流动来实现对系统的控制。 液压锥阀由于其关闭时和阀座形成线密封，不仅密封性能好，而且阀口开启时没有“死 区 ，阀芯稍有位移阀即开启，动作灵敏，因此在工程上有着广泛应用【5 羽。 液压控制阀种类众多，按功能分类，主要可分为压力控制阀、方向控制阀、流量控 制阀、电液伺服阀以及电液比例阀。各类控制阀虽然实现的功能不同，但其内部构造大 都包含先导级或控制级，而先导级和控制级的结构大都采用锥阀，另外，不同功能的液 压阀类均可由标准化的阀座配以不同形状的阀芯和阀套插装组合来完成不同的功能，即 为插装阀，插装阀的阀芯多为锥阀式阀芯，可见，锥阀在液压系统中有着十分广泛的应 用。 作为液压传动与控制中非常重要的基础性元件，液压锥阀具有密封性好，抗污染能 力强，构造简单等特点，从而广泛应用于液压系统中，其典型结构如图1 - 1 所示。液压锥 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 阀的用途主要包括以下几个方面： ( 1 ) 作为方向控制阀，锥阀可作为单向阀，与弹簧组合后控制液压系统中液体的流 动方向。 ( 2 ) 作为直动式溢流阀，在阀芯尾部安装弹簧后与阀座配合，直接构成溢流阀，这 种溢流阀的调节压力受弹簧刚度和预压缩量的影响。 ( 3 ) 作为先导级控制阀，与功率级主阀共同组合成先导式控制阀，在这类控制阀中， 锥阀作为先导部分，通常弹簧刚度较大，开启压力较高，为功率级主阀的开启提供先导 信号。 ( 4 ) 作为插装阀的阀芯，由于插装阀在高压大流量的液压系统中应用广泛，其元件 均以标准化，将几个插装元件组合起来，便可组成复合阀，由于开启迅速，插装阀的阀 芯大都采用锥阀结构。 i 。 l 、。i 。_ - 广 一 5 。 目 b 毫 - 净 l 馏 - i 、蟹 i i 一 1 图1 1液压锥阀示意图 锥阀在液压系统中应用虽广，但锥阀在工作过程中出现的剧烈振动、气蚀和高频噪 声等现象，严重影响其应用场合。液压锥阀产生振动的原因主要是不合理阀腔内流道设 计导致阀芯受力与弹簧力不平衡所引起，而液压锥阀产生的噪声主要是空蚀引起的流体 动力噪声，即空蚀噪声川，事实上，锥阀内的空蚀及空化现象在很大程度上也是由于阀 腔内流道设计不合理导致局部负压过大而产生的，因此，锥阀芯以及阀座的结构设计是 否合理对于提升液压锥阀的性能以及消振有着十分重要的影响。 1 2 液压锥阀特性的研究现状 对于液压锥阀振动、空蚀、液动力以及稳态特性的研究，国内外学者作了大量的工 作。 1 2 1 液压锥阀特性的国外研究状况 市川常雄和大岛茂针对不同形状的阀口对锥阀空蚀噪声的影响情况进行了试验【引。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 分别对渐扩型锥阀节流口和收缩型锥阀节流口的阀口情况进行了大量的试验研究，得出 了不同的阀芯与阀座夹角组合对锥阀空蚀噪声的影响曲线，并通过试验数据指出，渐扩 型阀口较收缩型阀口更容易产生空蚀噪声，锥阀产生的噪声与阀座上的压力分布有一定 关系。 s h i g e m o s h i m a ，t i m o l e i n o 在水压锥阀气穴流场的试验研究一文【9 】中，对水压 锥阀的内流和外流两种情况进行了试验研究，并和作者以前研究的油压式锥阀进行比较 分析。详细列出了不同压差下节流口处的压力变化、流量系数和质量流量的变化关系曲 线，以及阀芯上的压力分布图。 t e t s 枷r 0 t s i l 0 0 2 0 0 2 o 0 1 8 o 0 2 o 0 1 2 o 0 2 0 0 2 0 0 2 0 0 1 2 发散 表2 5 不同结构锥阀的超调量列表 1 5 m m4 7 7 0 4 3 6 7 3 4 1 1 3 9 4 5 1 6 m m 1 7 m m 1 8 m m 3 0 1 1 4 5 5 9 4 5 7 5 4 4 4 1 4 0 7 4 4 3 8 5 3 9 6 6 4 8 4 6 5 2 5 7 4 4 2 6 3 7 4 5 发散 由表2 _ 4 可知，当b = l s m m 时，不论锥角a 取何值，阀芯的动态调整时间均较长， 且当a = 1 2 0 。时，阀芯在阶跃压力作用下呈发散势：当b 1 8 m m 时，阀芯均能在计算 时间内回到新的平衡位置，其中a - - - 9 0 。，b = 1 5 m m 时，阀芯的调整时间最短，只需0 0 0 8 s 即可回到平衡位置，除了a - - - 9 0 。，其余锥角下b = 1 6 m m 的调整时间均大于b = 1 5 m m 和 b = 1 7 m m 。因此，从缩短调整时间的角度考虑，b = 1 5 m m 和1 7 m m 的结构优于b = 1 6 m m 的结构，b - - 1 8 m m 的结构调整时间最长。 表2 5 是不同a 和b 组合下的阀芯超调量比较，由表可知，a = 6 0 。，b = 1 6 m m 时， 阀芯的超调量最小，只有3 0 1 l ，其次是a - - 9 0 。，b - 1 5 m m 的组合，超调量为3 4 1l ， 锥角a 和阀芯圆周直径b 的变化对超调量的影响均是非线性的，没有明显的规律。 综合表2 - 4 和表2 5 ：b = 1 8 m m 时，锥阀的调整时间和超调量均大于其他结构，动 西南交通大学硕士研究生学位论文第16 页 态性能最差；在b 1 8 m m 的情况下，阀芯圆周直径b 的大小对调整时间的影响不大， 阀芯都能在较短时间内回到平衡，但其值对超调量的大小有一定影响。综合调整时间 和超调量两方面的性能，a = 9 0 。，b = 1 5 m m 的结构动态性能优于其他结构，其超调量为 3 4 11 ，而调整时间可短达0 0 0 8 s 。 根据阀芯动态响应图2 5 ，2 6 ，2 7 和2 8 可知，锥角a 对锥阀的动态响应曲线形状 影响不大，液压锥阀的动态响应曲线快速收敛或是发散主要取决于阀芯圆周直径b 值， b 的取值小于1 8 m m 时，动态特性较好，锥阀可以很快的回到新的平衡位置，而b 值 等于1 8 m m 时，锥阀的动态特性最差，阀芯在平衡位置附近往复振动，需要较长时间 才能回到平衡位置，某些锥角组合下甚至达到了等幅振荡甚至发散。 提取a = 1 2 0 。，b = 1 5 m m 时，两种不同开度下的阀腔内流场速度分布图和压力云图 如图2 - 9 中a ) ，b ) ，c ) ，d ) 所示。由速度分布图a ) ，c ) 可知，油液在流经阀口时，速度变化剧 烈，在节流口的后方形成了强烈的漩涡，造成能量损失，最后油液从低压端流出；由 压力分布云图c ) 和d ) 可知，油液在流经锥阀口时，存在巨大的压力梯度，这是由于阀 口处的油液流速急速升高，压力能大量转换为动能，导致压力在阀口处急剧下降，节 流位置主要发生在锥阀入口处。 1 1 a ) 开度x = 1 0 m m 速度分布 b ) 开度x = 1 0 m m 压力分布 c ) 开度x = 1 5 m m 速度分布d ) 开度x = 1 5 m m 压力分布 图2 - 9a = 1 2 0 。b = 1 5 m m 时流场分布图 西南交通大学硕士研究生学位论文第17 页 a = 1 2 0 。，b = 1 8 m m 时的速度和压力分布如图2 1 0 中a ) b ) ，c ) ，d ) 所示。比较图2 - 1 0 与图2 - 9 中的速度矢量分布图可知，在同样的阀口开度下，b = 1 8 m m 时的锥尾射流较 b = 1 5 m m 的锥尾射流要竖直的多，这是由于阀芯圆周直径b 的增大导致锥阀尾部细长 的环形缝隙引起导流作用，将油液的射流方向偏正。且锥阀后方流场涡旋流较小。b ) 和d ) 图分别表示了b = 1 8 m m 时两种不同开度下的压力分布云图，图中油液流经锥阀口 时，由于面积突然缩小，产生节流作用，因此压力梯度较大，但不同于图2 - 9 中的压 力分布，由于b 值较大，在锥阀的尾部和阀座之间形成细长环形缝隙，油液流经此处 时也会产生节流作用，因此在此处亦存在一定的压力降，这点不同于b = 1 5 m m 的情况。 窿溪 r 造 簟。0 0 0 e o o 造c 笤 鏖b 一 r 6 1 枷0 2 笞 随司纂 b ) 开度x - - 1 o m m 压力分布 c ) 开度x = 1 5 r m n 速度分布d ) 开度x = 1 5 n u n 压力分布 图2 1 0a = 1 2 0 。，b = 1 8 m m 时流场分布图 前文瞬态计算结果表明，随着b 值的过大，锥阀的动态特性会变差，在阶跃输入 的作用下振荡越来越强烈。为