（机械电子工程专业论文）纯水液压节流阀及阀口气蚀分离研究.pdf

摘要 摘要 由于水介质的低粘度、高气化压力和腐蚀性，使得研制纯水液压节流阀鲫临 着解决腐蚀、气蚀破坏以及高压下密封困难等诸多技术难题。因此需要充分考虑 水介质特殊的理化性能，从材料、密封形式选择、新型结构设计、加工制造等方 面入手，才能研制出性能优良的纯水液压控制阀。气蚀一直是液压阀中经常发生 的一个严重问题，随着液压系统向高速、高压及微型化发展，特别是纯水液压方 向的迅速发展，气蚀问题显得更为突出。本文研制了两种不同结构的纯水液压节 流阀，针对纯水液压阀中的气蚀及其噪声问题，设计和搭建了纯水液压阀气蚀试 验系统对不同结构阀口抗气蚀性能进行了研究。论文的主要内容如下： 第一章为绪论。论述了纯水液压的技术现状和研究纯水液压元件面临的关键 技术问题，重点分析了关键技术问题之一气蚀问题的国内外研究现状，提出 了减小纯水液压元件气蚀破坏的方法和研究纯水液压阀口气蚀现象的意义。在此 基础上，提出了本论文的主要研究内容。 第二章为纯水液压节流阀的研制。从纯水液压节流阀的结构、材料以及密封 型式选择等方面进行了研究，解决了纯水液压控制阀中腐蚀、气蚀破坏以及高压 下密封等问题，研制了两种d n l 6 纯水液压节流阀。协助设计和搭建了纯水液压 控制阀性能试验系统，并在该系统上对所研制的纯水液压节流阀进行了实验研究。 实验结果表明所研制的纯水液压节流阀动静态特性良好，满足实用要求。 第三章为纯水液压阀气蚀试验系统的设计和搭建。介绍了纯水液压阀气蚀试 验系统的设计思想、气蚀实验装置的设计要求以及实验信号检测与分析，完成了 试验系统数据采集硬件的设计和软件的编写。 第四章针对阀口结构对气穴的影响，研究不同结构节流阀口的抗气蚀性能。 从流场控制的角度，采用c f d 技术对不同结构阀口附近的流场流态进行了仿真， 分析了各种边界条件因素对气穴的影口向。实验研究不同结构节流阀l _ _ i 的压差一流 量特性、阀口临界气穴系数大小，比较分析了不同阀口的抗气蚀性能。实验结果 与仿真结果比较吻合。实验结果表明在相同实验条件下，采用分离原则设计的纯 水节流阀口较常用的锥形节流阀口刚度大，临界气穴系数小，抗气蚀破坏能力强。 最后对全文做了总结，对今后该课题的进一步开展作了一些展望。 关键词：纯水液压，节流阀口，动静态性能，试验系统，气蚀，流场仿真，气穴 系数，频谱务析 a b s r a ct a b s t r a c t d u et ol o wv i s c i d i t y , h i g hv a p o r i z a t i o np r e s s u r ea n de r o s i o no fw a t e rm e d i u m ， w a t e rh y d r a u l i cc o n t r 0 1v a l v e sf a c et e c h n i c a ld i f f i c u l t i e ss u c ha se r o s i o n ，c a v i t a t i o n f a i l u r ea n dl i q u i d p r o o fu n d e rh i g hp r e s s u r e i no r d e rt oi m p r o v et h ed y n a m i ca n d s t a t i cp e r f o r m a n c e so fw a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e s ，n e wo p e r a t i o np r i n c i p l e sa n d i n t e r n a ls t r u c t u r e so fv a l v e sm u s tb ea p p l i e d a l o n gw i t hh y d r a u l i cs y s t e m s d e v e l o p i n gt oh i g hs p e e d ，h i g hp r e s s u r ea n dm i c r os y s t e m s ，e s p e c i a l l yd e v e l o p m e n to f w a t e rh y d r a u l i c s ，c a v i a t i o ni sm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g c o m p a r e dw i t hh y d r a u l i c e l e m e n t s ，t h em e c h a n i s mo f c a v i t a t i o nw i t h i nw a t e rh y d r a u l i ce l e m e n t sc h a n g e s t h et e c h n i c a ls o l u t i o n ss u c ha se r o s i o n ，c a v i t a t i o na n dl i q u i d p r o o fu n d e rh i g h p r e s s u r ei nw a t e rh y d r a u l i cc o n t r o lv a l v e sw h e nd e s i g nw a t e rh y d r a u l i cv a l v e s ，a r e s t u d i e di nd e t a i l i nt h i sp a p e r t w ok i n d so fw a t e rh y d r a u l i ct h r o t t l ev a l v e sw i t h d i f f e r e n ti n t e m a ls t r u c t u r e sa r ed e s i g n e d i no r d e rt oe x p e f i m e n t ms t u d yc a v i t a t i o n a n dn o i s ew i t h i nw a t e rh y d r a u l i ct h r o t t l eo r i f i c e s ，w a t e rh y d r a u l i cv a l v ec a v i t a t i o n t e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n db u i l tu p t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r ea s f o l l o w s ： c h a p t e r lp r e s e n t si n t r o d u c t i o n ，w h i c hi n c l u d e st e c h n o l o g y , d e v e l o p m e n t s t a t u s a n dt e c h n i c a ls o l u t i o n sf a c e dt or e s o l v eo f w a t e rh y d r a u l i c s c u r r e n tt e c h n i c a ls t a t u s o fc a v i t a t i o nw i t h i nw a t e rh y d r a u l i ce l e m e n t si sa n a l y z e d ，t h es o l u t i o n st op r e v e n t c a v i t a t i o nd e s t r o ya n dt h em e a n i n g so fi n v e s t i g a t ec a v i t a t i o nw i t h i nw a t e rh y d r a u l i c o r i f i c e sa r ee x p a t i a t e d b a s e do na l la b o v e ，t h em a i nc o n t e n t so ft h i sp a p e ra r e p o i n t e do u t c h a p t e r 2i n t r o d u c e st h ed e s i g n i n ga n de x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fw a t e r h y d r a u l i ct h r o t t l ev a l v e ，w h i c hi n c l u d e sa n a l y s i sa n dc a l c u l a t i n go fw a t e rh y d r a u l i c t h r o t t l e v a l v e ，t h es e l e c t i o no fi n t e r n a l s t r u c t u r ea n dm a t e r i a lo fv a l v e w a t e r h y d r a u l i cc o n t r o lv a l v ec a p a b i l i t yt e s t i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n dp u t t i n gu p ，o nw h i c h t h et h r o t t l ev a l v e sa r ee x p e r i m e n t a li n v e s t i g a l e d c h a p t e r 3 i n t r o d u c e st h ed e s i g n i n ga n db u i l d i n gu po fw a t e rh y d r a u l i cv a l v e c a v i t a t i o nt e s t i n gs y s t e m ，w h i c hi n c l u d e st h ed e s i g n i n gi d e ao fw a t e rh y d r a u l i cv a l v e c a v i t a t i o nt e s t i n gs y s t e m ，d e s i g n i n go fv a l v ec a v i t a t i o nt e s t i n gm o d e la n dc o m p i l i n g o f d a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mo f w a t e rh y d r a u l i cv a l v et e s t i n gs y s t e m c h a p t e r 4s u g g e s t st h ei n f l u e n c eo nc a v i t a t i o nw i t h i nd i f f e r e n ti n t e r n a ls t r u c t u r e o fw a t e rh y d r a u l i co r i f i c e s t h ec f d ( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ) i su s e dt o o b t a i ns t a t i cp r e s s u r ed i s t r i b u t i o ni m a g e sn e a rt h ew a t e rh y d r a u l i ct h r o t t l eo r i f i c e s a b s r a c t t h ee x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u tw i t hd i f f e r e n ts u p p l yp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n do p e n i n g o fo r i f i c e s s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tl o wp r e s s u r er e g i o nn e a rt h r o t t l eo r i f i c e s b a s e do ns p e c i a ls t r u c t u r ee x t e n db a c k w a r d sal i t t l e ，a n dp r e s s u r eo fv o r t e xi n c r e a s e ， d e g r e eo fc a v i t a t i o nr e l a t i v e l yr e d u c ec o m p a r e d w i t hc o n e s h a p e do r i f i c ei nc o m m o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o wt h a t t h r o t t l eo r i f i c e sb a s e do ns p e c i a ls t r u c t u r e c a i l e f f e c t i v e l yr e s t r a i nc a v i t a t i o na ts a n l ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s f i n a l l yab r i e fs u m m a r yo nr e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sp r o v i d e d a l s os o m e r e s e a r c h e st h a tn e e dt od ob vn e x ts t e pa r ep o i n t e do u t k e yw o r d s ：w a t e rh y d r a u l i c ，s t a t i ca n dd y n a m i cc a p a b i l i t y ，t h r o t t l eo r i f i c e ， c a v i t a t i o n ，e x p e r i m e n t a ls y s t e m ，c f d ，c a v i t a t i o nc o e f f i c i e n t ，f r e q u e n c ys p e c t r a a n a l y s i s 独创性声明 x 7 7 6 2 7 4 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究： 作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得逝鎏盘鲎或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献 均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：泺伟签字日期：二略甲年。月2 s 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘兰有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和 借阅。本人授权盘垄盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：隶知仰 签字日期：泓哗年d 月汐日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 导师签名 阍哗 签字日期：卯r 年2 - 月巧日 电话 邮编 第一章绪论 第一章绪论 1 1 纯水液压传动技术 1 4 1 纯水液压技术是以天然淡水、海水或自来水代替矿物油作为液压系统工作介 质的新技术。在液压传动技术的发展进程中，水作为动力传递、交换和控制的媒 体曾起着非常重要的作用。 最初的以水作为动力传递、交换和控制的介质的液压传动出现于1 7 世纪末， 在随后的百多年里，液压传动的介质一直是水。水压传动早在电发明之前就已 经作为一种功能强大、不可或缺的传动方式，在液压传动技术的发展进程中起着 非常重要的作用，但发展迟缓。2 0 世纪初，矿物型液压油取代水成为最主要的 液压工作介质并得到广泛应用。4 0 年代，人们开始采用锭子油和汽轮机油作为 工作介质。5 0 年代又采用专用液压油和液压导轨油。这些油有针对性地掺入添 加剂，具有可以抗氧化、消泡、防爬、改进粘度指数等不同性能。随着液压泵向 高压、大流量、低噪音、长寿命的方向发展，6 0 年代又出现了抗磨损液压油。 但是，液压油具有易燃烧和污染生态环境这两个严重缺点，这使得液压传动在 5 0 - 8 0 年代期问丧失了在诸如食品、医疗器械、电子、包装等行业的应用。 2 0 世纪7 0 年代初的“石油危机”表明石油资源有限，已逐渐短缺且彳i 可再生， 这是促使人们研究“无油”介质的重要原因。据1 9 8 1 年在内罗毕召开的新能源及 再生能源会议和1 9 8 3 年在伦敦召开的世界石油会议估计：当时查明的世界石油 总量只够3 0 年的使用。即使由于现在石油开采技术取得了长足的进步，1 9 9 7 年 1 0 月在北京召开的第1 5 届世界石油大会也认为全球已探明的石油储量只能维持 今后4 0 年的需要。这引发了西方国家对难燃介质( 包括高水基乳化液、合成液、 微乳化液和合成微乳化液) 替代矿物型液压油的研究、开发与应用。其中，商水 基液的理化特性与自然水接近，也用得比较广泛，它一般由1 0 左右的多种化学 添加剂溶于9 0 的去离子水中组成，由于采用水基液的优越性较多，以致西方液 压界认为，水基液液压传动是8 0 年代液压技术的重要发展方向。 人类在自己的活动中引起生态环境破坏的历史，同人类利用自然资源的历史 一样悠久。但直到2 0 世纪3 0 年代以来，连续发生了多起造成许多人死亡和疾病 第一章绪论 的重大环境公害事件之后，人类才逐渐认识到环境问题的严重性。认识到社会文 明的发展和进步要求人类赖以生存的环境是一个安全、无污染、高度文明、美好 的环境，因此也要求科学技术向安全化、生态化、艺术化、环境系统优化的日标 发展。1 9 8 7 年世界环境与发展委员会首次提出了可持续发展的概念，1 9 9 2 年6 月通过了里约宣言和2 1 世纪议程，强调社会经济的发展要与环境协调， 保护环境、保持生态平衡、提高人口素质和生活素质，应当既满足当代人的要求， 又不危及后代人满足其要求的可持续发展。大会后一个月内，中国政府就编制了 中国2 l 世纪议程，该议程得到了中国企业界和科技界的热烈响应，提出提高 环境与资源保护意识，实现环境资源的经济价值的概念。这一要求对液压行业也 有着同样的制约作用。 虽然高水基液润滑性好、防锈，但由于它含有诸如防锈剂、乳化剂、助溶剂、 防霉剂和抗泡剂等多种添加剂，所以它的储存、维护和监测要求比矿物油更苛刻 一些。同时，这1 0 的化学添加剂仍存在污染问题，这和社会无公害发展趋势有 着很大的矛盾。并且采用水基液替代液压油，必须对原系统进行改造进而使系统 经济性变差，这也是一个很严重的问题，因此高水基液的研究热潮，随着8 0 年 代石油价格的猛跌而迅速降温。高水基液目前仅限于某些特殊的高温场合使用， 一般多用于冶金和煤矿领域，而在要求更清洁的食品、医药、包装等行业则无法 使用。因此，更理想的工作介质是用自然水( 如自来水或海水) ，它除了可用于上 述场合外，还可用于海洋、内陆湖泊等特殊环境。随着近年来人们对环境保护问 题同益重视，由于纯水具有无污染、来源广泛、节省能源、安全性、难燃等特性， 正好满足了现代社会对工程技术安全性、环境友好性的要求，因此是矿物型液压 油的最具有潜力的替代品。与此同时，新型材料包括高分子材料、精细陶瓷材料 及复合材料的发展也获得了长足的进步，优越的材料性能可以克服原始水压传动 的易腐蚀、易磨损、泄漏大、效率低等缺点。另外，对这些材料进行加工、处理 的新设备和新工艺也逐渐完善和成熟，使得这些材料已逐步进入工程实用阶段， 并在许多工业领域得到充分应用。这些因素促使以水直接作为工作介质的水压技 术再次受到液压界的关注，并取得了质的发展。美国在2 0 世纪6 0 年代术最先 始了对海水液压传动技术的研究，英国也在7 0 年代后期开始进行了对水压技术 的研究。此后，同本、芬兰、丹麦和德国等国也加入这一领域的竞争。8 0 年代 第漳绪论 初期，以自然水或淡水作介质的液压元件如采、马达、缸、压力阀、流量阀、方 向阀和伺服阀等相继问世并不断改进，并已逐步重新进入许多诸如食品、冶金等 严格要求无污染的工业领域。这表明纯水或自然淡水在不远的将来将会逐步代臀 矿物油作为液压介质而普遍应用于各个工业部| 、j 。 适用、可靠、干净、安全和低成本的纯水传动技术，是最具发展潜力的绿色 液压技术，已成为当今国际液压行业的一大前沿研究课题，也是近年来本学科发 展的热点和新的经济增长点，在世界工业领域起着日益扩大的作用。巴克教授预 计水压技术的经济效益在今后将占整个世界液压行业的1 0 。纯水液压技术是以 过滤后的自来水代替矿物油作为液压系统的工作介质，不含任何添加剂，具有米 源广泛、环境友好、清洁安全的独特优势，是2 1 世纪的新型绿色传动技术，也 是国际上流体传动及控制领域最新的发展方向之- - ”，1 。 纯永传动技术的特点与研究内容如图1 1 所示。纯水具有价格低廉、干净卫 生、安全性好、节约能源等优点，这使得纯水液压传动技术因为生产成本低、使 用费用低、应用范围广而具有极大的市场潜力，但相对矿物型液压油来说，纯水 的理化缺点是粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高，因此纯水液压技术的 研究，应包括机理研究、应用基础研究以及产品技术开发等，主要集中在介质、 材料、元件、控制等方面，介质的研究主要包括细菌控制、硬度和酸碱度控制、 去除污染物、提高润滑性等；材料的研究主要包括选用不生锈、抗腐蚀、i 耐磨损、 耐气蚀破坏和耐流体高速冲蚀的材料；零件的研究主要包括新材料的试验及新结 构的研制；控制的研究主要包括比例控制及伺服控制。所有研究的目的就是尽量 克服这些纯水的理化缺点所带来的不便，并且使纯水液压元件和系统的使用寿命 延长，使得这一绿色产品技术发挥更大的作用。 总之，丌展纯水传动技术关键技术的研究，不仅具有重要的学术科学意义， 还具有非常广阔的应用前景，将给我国的国民经济建设带来巨大的经济效益和良 好的社会效应，同时可以节约能源、保护环境，这也正符合我国可持续发展的战 略需要。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室自从上世纪9 0 年代开展纯水 液压传动技术的研究以来，在纯水液压元件研究和系统应用开发等方面取得了一 定的成果。 第博绪论 1 2 纯水液压元件研究现状及面临的关键问题 1 2 1 纯水液压元件的研究现状i ，一1 西方发达国家于二十世纪7 0 年代开始研究海水液压动力工具，由于早期的 材料主要局限在金属( 包括台金) 材料，金属在海水下的摩擦、磨损性能有限， 因而研究工作缓慢。8 0 年代后期，工程陶瓷和高分子材料相继投入使用，解决 了海水液压元件面临的腐蚀与摩擦磨损两大关键技术难题，使研究工作取得了突 破性进展。 在基础研究方面，德国汉堡工业大学在陶瓷材料的应用方面走在前面，通过 对陶瓷构件进行有限元分析，对其形状进行优化，降低拉应力。通过试验，研究 材料的可靠性和最优制造加工工艺。元件应用陶瓷材料后，容积效率有了明显的 提高。一种新型的陶瓷材料r b a o ( r e a c t i o nb o n d e da 】u m i n u i mo x i d e ) 具有广阔 的应用前景。 在生产应用方面，德国的豪亨科( h a u h i n c o ) 公司，目前生产的e h k 一3 k 系 列t r i p l e x 柱塞泵其输出流量、压力从8 l m i n 、8 0 到7 0 0 l m i n 、1 5 m p a 。适用 于粘度从0 5 到4 m m 2 s 范围内的所有天然流体，从i f a 流体到海水。r k p 系列 径向柱塞泵输出流量从3 l m i n 到2 4 0 l m i n ，压力高达3 2 b l p a 。品种齐伞的纯水 第一章绪论 液压阀，包含球阀( b a l ls e a t ) ，锥闷( b e v e ls e a t ) 和捎阀( s p o o lt y p e ) 三种形式。 并日己r 泛应用于焊接机器人的液压动力源和金属压力成型等设备。 判麦的丹福氏( d a n f o s s ) 公司平u 丹麦理工大学( d t u ) 合作，从1 9 8 9 年起 ，l ：始纯求液压传动研究，已经设计生产i 山了 系列纯水液压元件。出了广泛采月j 了不锈钢、 释塑料、更紧的配合，正常工作压力选1 4 m p a ，流量从1 5 到1 4 0 l i n i n 。 而且，效率和寿命达到甚至超过矿物型液压油型液压7 l 件。如轴向柱塞杂( 六柱 鏖) ，其排量从4 到8 0 c m 3 r e v ，最大连续运转压力为】q1 6 m p a ，最大功率为 1 、63 3 k w 。轴向柱塞马达( 五柱塞) ，其排量从4 到1 2 ，5c 一r e v ，最大连续运 转压力为1 4 m p u ，转数3 0 0 4 0 0 0 r p m ，最大输出功率3 2 - 8 k w ，最大扭矩为 8 32 5 nm ，而重量仅有41 k g 。此外，还有各种控制阎，如流量调节阀，压力 控制阀，方向控制阀。并已应用到些实际工业系统中，比如锻压机，食品加l ： 机械，造纸机械，消防机械和器材以及水处理工业等。图t 。2 和l 。3 分别为德国 h a u h i n e o 公司研制的方向、流量阀和t i e f e n b a c h 公司研制的比例溢流阀。 图i 2h a u h l n e o 公司方向、施避肚j 幽i3t j e f e n b a 曲公司比制溢流蒯 在纯水液压控制阀研究方两，德国、川麦、芬兰、日本等发达固家的厂商七 r 年代开始研究，纯水控制阀产品已经t l 市。如d a n f o s s ，e 1 w o o d ，h a u h i r i c o r o o g 等公司都有不同压力和流量范围的产品。些研究院所就纯水液压控制阀 性能的提高进行了有益的探索。其中纯水液压控制阀中的三大阀类主要研究现状 如下：纯永开关阀一产品压力和流量范围较广，埽丈压力可达2 1 p a 。最大漩 量可达1 5 0 l m i n ，但其性能和寿命有待进一步提高；纯水比例阀产品的流 量和压力范围比较有限。其性能已经接近了现有油压比例阀的水平：纯水液压倒 第一章绪论 服阀现有产品极少虽然取得了很大进步，但也只停留于实验样机，其控制 性能和町靠性与油压产品差距非常大，不能达到实用水平”。 国内水液压技术的研究开展较晚。浙江大学、华中科技大学于九十年代初率 先在国内丌展水液压技术的研究。目前华中科技大学致力于海水介质的研究，所 研制的控制阀品种和规格较少，其控制阀压力较低( 额定压力1 0 m p a 以下) ，流 量低于4 0 l m j n 2 1 - 2 6 。浙江大学研制的纯水控制元件种类多包括纯水方向控制 阀、纯水压力控制阀和纯水流量控制阀以及柱塞泵，特点是控制压力高( 额定压 力为1 4 m p a ) ，流量大( 可达1 5 0 l m i n ) ，不同排量大小的纯水柱塞泵；而且规格 多包括6 通径、1 0 通径和1 6 通径等【1 5 引。图j 5 和1 6 分别为浙江大学研制的 纯水液压控制阀和纯水液压柱塞泵的实物照片。 圈1 4 浙江大学研制的纯水液压阀 圈1 5 浙江大学研制的纯水液压泵 1 2 2 纯水液压元件面临的关键闯触1 3 , 3 1 3 1 水介质固有的粘度低、润滑性差、导电性强、汽化压力高等理化特性，给纯 水液压控制元件的研究与开发带来了很多技术难题。 1 气蚀与气蚀磨损 由于水介质的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在纯水液压阀中很 容易产生气蚀。气蚀对材料表面的破坏作用主要是气泡崩溃后产生的压力波对零 件表面产生很强的冲击作用，由于水的密度大，可压缩性小，i 司矿物油相比，水 在( 泡破裂时产生的压力冲击更大，破坏力更强，这种冲击压力虽高日_ j 甚至可以 超过】g p a l 3 5 1 。 气蚀的破坏速度不仅与材料的机械性能关系密切，而且材料的疲劳强度、阀 芯的形状、阀口丌度、出口背压等对气蚀都有影响。表】1 是不同阀芯在不同丌 第章绪论 度下工作5 0 h 之后的重量损失情况，尽管是在高水基介质中的试验结果，但对水 压元件中的气蚀破坏研究同样具有参考价值。 表1 1 不同阀芯在不同开度的重量损失对比袁 硬铝台金试件在油包水乳化液中 阀芯形状开度( m m ) 实验5 0 h 的重量损失( g ) 阀芯阀座 1 2 50 8 2 0o 1 5 4 锥阀芯 0 1 2 50 2 9 00 0 6 5 1 2 503 6 0 0 0 4 5 球阀芯 o 1 2 50 0 8 000 0 9 1 2 50 2 1 00 1 7 4 平板阀芯 0 1 2 5 0 0 9 00 1 0 8 i i 拉丝侵蚀和冲蚀 产生拉丝侵蚀的原因主要有两种，一种是由于水的粘度低，在相同的条件下 阀口的流速比油压阀高，在小开度、大压差情况下更是如此，流速有时高达 2 0 0 m s 。这么高的流速流过节流口时，会对阀芯与阀座产生严重的冲刷作用。另 一一种是由于介质中的细小颗粒被高速水流携带着冲向零件表面，而刮出条条痕 迹。 i i i 泄漏与效率 由于水介质的粘度大约是油的1 3 0 1 4 0 ，因而在相同过流面积和压差作用 下比油的泄漏量大。泄漏对纯水液压元件会造成以下影响。 使系统的容积效率下降，从而降低总的效率； 使阀的加工困难。为了减小配合间隙，势必要提高加工精度，这将使加 工难度和加工成本提高。 在压力很高的情况下，通过微小缝隙泄漏的流速非常高，易造成拉丝侵 蚀。 i v 压力冲击、振动与噪声 水介质的弹性模量大约是液压油的1 5 2 4 倍，水中声速比液压油中高约 1 0 ，因此水的压缩性小、刚性大，压力冲击波在水中的传递速度快而衰减慢。 第青绪论 当系统中液流速度及方向突然发生变化时会产生压力冲击，并形成压力冲击波在 系统中快速传递，同时，“生剧烈的振动和噪声，即水击现象。水击会降低元件和 系统的性能，导致元件误动作，引起接口松动，甚至引发灾难性事故。因此，要 尽可能避免液流速度及方向的突变，且在系统合适的位置设置吸能元件( 如蓄能 器等) ，以有效吸收压力冲击能。 研制纯水液压元件面临的关键技术问题总结为图1 6 所示： 图1 6 纯水液压元件关键技术问题 1 3 液压元件气穴及其噪声问题i 蚋：i 随着人们对环保日益关注的今天，液压传动对环境的噪声污染问题也成为制 约液压技术发展的“瓶颈”，特别是液压技术向高速、高压和大功率方向的发展， 液压系统的噪声也日趋严重。在通常液压系统中，液压阀的噪声仅次于液压泵。 为设计低振动噪声、低成本的纯水液压元件，推动纯水液压技术的广泛应用，对 纯水液压阀的气穴及其噪声进行研究是十分必要的。 噪声是一种是使人听起来不舒服和令人烦躁不安的声音，直接危机到人的情 绪、健康和周围环境。噪声分为流体噪声、机械噪声和电磁噪声。其中液压元件 的噪声主要是流体噪声和机械噪声。机械噪声是由于固体振动而产生的；流体噪 声是由于流体质点振动而产生的，当流体中有了涡流或发生了压力突变等情况， 就会引起流体的扰动，由于流体的扰动而产生的噪声就是流体噪声。由于流体中 的气泡在高压区溃灭而产生局部压力阶跃升高，使元件或管道壁面产生剥蚀破坏 的现象，叫做气蚀。发生气蚀时会产生强烈的噪声，这种噪声就称为气蚀噪声i 矧。 第一章绪论 气蚀分为分离气蚀和沸腾气蚀两种1 5 “。由于液压油的气化压力很低，很难 产生沸腾气蚀，所以液压阀的气蚀主要表现为分离气蚀，其根源在于液压油中溶 解的空气含量很高。而相同条件下空气在水中的溶解度仅为液压油的2 0 ，水的 气化压力油比液压油高数千万倍，因此纯水液压控制阀中分离气蚀的影响较小， 起主导作用的是沸腾气蚀。纯水液压阀与油压阀中气蚀本质的不同，决定了纯水 液压阀中气蚀的危害性比油压阀的严重。当阀口处的压力降至水的气化压力时， 就会发生沸腾气蚀。 气蚀现象一直是液压阀中经常发生的一个严重问题，随着液压系统向高速， 高压及微型化发展，特别是纯水液压方向的迅速发展，气蚀问题显得更为突出。 由于水介质的高饱和蒸汽压特性，纯水液压元件遭受的气蚀破坏程度要比油压元 件强上百倍，元件的噪声大，振动剧烈，性能和寿命均受到严重影响。相对于油 压元件而言，纯水液压元件的气蚀机制发生了变化，元件内部流场的气穴特性与 对材料的侵蚀程度产生了显著差异。而且纯水液压技术本身是近十年内才发展起 来的，流体动力领域学者没有系统深入研究纯水液压元件的气蚀破坏，研究结果 较少，纯水液压元件的气蚀噪声和振动问题仍然非常突出。 1 3 1 油压元件气穴及其噪声问题 液压传动的噪声问题也成为液压技术发展必须面对的一个重要问题。特别是 随着液压传动向高速、高压和大功率方向的发展，液压系统的噪声也同趋严重， 成为当今液压界面临的一个难题。计算流体力学和流动显示技术的发展和广泛应 用，为揭示液压系统内流体噪声的形成机理，探求有效的控制方法提供了重要手 段。从流体微观分析入手，研究液压控制元件内部气穴、漩涡等典型激振流态诱 发噪声的机理，进而实现液压控制元件的低噪声优化元件，已成为当前液压控制 元件流体噪声控制的发展趋势。 液压控制元件噪声主要指液压控制元件内部流道中激振流场诱发的流体振 动和噪声。液压控制元件种类众多，从结构上分为滑阀、锥阀、球阀等。噪声较 大的是溢流阀、节流阀等压降较大的阀类。在液压控制元件所产生的噪声中，流 道内部激振流场诱发的流体噪声占很大比重，这部分噪声主要源于气穴流动、喷 流振动、旋涡振动、液压冲击以及流体的压力和流量脉动。 液压阀的流体噪声主要来自阀内节流口，当油液通过节流阀曰时，流速的急 第一章绪论 剧上升使压力能转换成动能，导致压力的骤然下降，油液中的气体分离出来，j _ _ j 现te 穴现象，气穴在高压区渍灭，产生气蚀，并诱发噪声。此外，阀口的高速喷 流和旋涡分离引起的流体耦合振动也是阀内噪声的主要诱发因素。 一般情况下，当液体的压力低于浚温度下的饱和蒸汽压时，液体就会剧烈蒸 发产生很多蒸汽泡，这种现象就是气穴现象。虽然油的蒸汽压很低，但实际上在 比它高很多的压力下就会产生很多气泡，这是溶解在油中的空气分离出来的缘 故。在常温和大气压下，水中溶解气体不超过2 ( 体积比) ，而液压油中气体溶 解量可达6 - 1 2 。因此，对于水通常以饱和蒸汽压为判断气穴与否的标准，而 液压油则以空气分离压为气穴的判断标准。气穴噪声是液压阀的主要噪声源。国 内外早期的研究主要集中于认识气穴的特性，采用临界气穴系数来判别液压阀的 气穴性能，用试验来获得气穴与压力、流量、温度等物理量的关系。如m a r t i n l 8 5 】 等人对方向控制阀内气穴特性进行了研究，作者定义了与雷诺数有关的气穴系 数，通过高频压力传感器检测气穴的发生，研究了气穴、噪声和能谱之间的关系； a o y a m a f 9 1 1 对锥阀的实验研究得出进出口压力变化对气穴系数的影响。 针对油压元件和系统中的气蚀破坏，经过国内外研究学者不懈努力，已经从 研究气穴的外部特性逐渐深入到了流场诱发气穴的微观机理认识。气穴现象最先 于1 7 5 4 年在欧拉( e u l e r ) 的水轮机理论中被预见到。1 9 0 7 年由怀极巴 ( w ，w e g e n b e o h ) 发表了气穴会对材料产生侵蚀或者破坏的第一次记录。针对阀内 的气穴现象，国内外早期的研究工作主要集中于用临界气穴系数来衡量液压元件 的气穴性能。 目前针对油压阀内气蚀研究表明，对于液压阀内气穴现象及气穴诱发流体振 动的机理，仅从气穴系数不能从本质上描述这种机理，需要从流场分析入手，研 究流场流态与流体振动的内在联系。近十年来，计算流体动力学和流场仿真t j 流 动显示技术的发展为人们从微观的层面认识气穴现象及其诱发流体振动的机理提 供了科学的手段。o s h i m as h i g e r u 【8 6 】采用半切锥阀模型，对内流式和外流式油压 阀内的气穴现象及气穴对流动特性和噪声特性的影响进行了详细的实验研究。 t s u k i j i 【g ”( 1 9 9 6 ) 从提升阀内流场分布，研究了阀芯运动对气穴特性的影响，并研 制出了低噪声提升阀。r e g i a n e f o r t e s p a t e l l s l 8 8 1 ( 1 9 9 8 ) 利用弹塑模型对流场流态进 o 第一章绪论 行动态仿真，提出了估计气蚀能量的新方法。b o r g h im f 8 9 】( 2 0 0 1 ) 研究了流场计 算模型关于气穴分析的精度。 国内通过流场可视化的研究液压元件内气穴及其噪声方面还处于起步阶段， 其中哈工大、浙大、西交大、燕大、华中理工、北航在液压阀内流场可视化的研 究方面做了一些有益的探索。浙江大学流体传动及控制国家重点实验室从流场数 值模拟和实验可视化角度研究了锥阀与球阀阀口的气穴流动，以及溢流阀中的气 穴噪声【5 6 “8 1 。 1 3 2 纯水液压元件气穴及其噪声问题 在水压元件气蚀研究方面，b e r g e rj 的“使用h f a 液压装置的汽蚀破坏及 其预防措施”研究吲是第一篇针对水介质液压元件的系统基础性研究论文，其论 述了材料特性、流体特性对气蚀损坏的影响，以及主动解决气蚀问题的两条基本 原则：高压原则( h 原则) 和多级原则( s 原则) 。这些研究结果被后来很多后 来者所引用。 p a o l u z z i re 9 0 】( 1 9 9 9 ) 从分析纯水液压溢流阀内部流场出发，试验研究了气 穴与性能之间的关系，提出了可以用c f d 方法为纯水液压元件的结构改进提供 依据。亚琛第三届流体动力会议上，d i p l i n g h c u p p e r s 研究的二位二通方向阀， 将它的阀芯头部做成了抛物面球体，如图1 7 所示，采用抛物面球体头阀芯的纯 水方向阀，用水介质运行两年后，都未见到丝毫气蚀损坏的痕迹。g l u c k a u f b e n k e n b e r g 公司设计的旋入式带流量调节阀的纯水压力阀，如图1 8 所示，锥阀 阀域部做成球状，阀座相应部分做成球面正切面，形成o 5 2 m m 的过流阀口( 密 封带) 。实践证明阀口处采用一些异型结构，可把集中的气蚀冲击从密封带处向 后延伸出去，使射束气蚀的产生与损坏部位不一致，保护最重要的过流阀口，减 小气蚀的产生【1 0 l 。 图1 7 采用抛物面球体头阀芯的纯水方向阀图1 8 旆入式带流彗调节阀的纯水压力刚 另外德国比较系统地研究了高水基介质液压元件的气蚀破坏与防止措施 第一章绪论 【3 6 l ，但这些添加剂本身就有较强的防蚀抗泡性能，这与不含任何添加剂的过滤 自然水在性能上存在较大差别。总的来说，在纯水液压元件气蚀破坏研究方面， 系统的实验研究结果还较少。 在国内，有关纯水液压元件气蚀研究方面，华中科技大学张铁华、刘银水 4 7 - - 5 0 ( 2 0 0 1 ) 等人讨论了二级水压圆锥式节流阀口结构，对二级节流的网4 度特性和气 蚀特性进行了理论分析和以水作为工作介质时其流量压力特性进行了实验研究， 并将其与一级节流进行了比较。实验结果表明这种节流形式比相同形状的一级节 流具有更强的抗气蚀性能。华中科技大学周华阶6 8 】等初步研究了海水液压泵的 气蚀初生特性，分析了气蚀初生与出口压力脉动的机理，并对海水液压泵进行了 气蚀初生特性的试验研究，通过识别气蚀和内泄对出口压力脉动信号时域和领域 3 个特征量的影响，得到了泵的气蚀初生判别规则。浙江大学流体传动及控制国 家重点实验室高红等采用c f d 方法纯水液压锥阀的气穴流动特性4 3 1 ，分析了纯 水液压锥阀的阀e l 开口大小、半锥角、进口速度等因素对阀口气穴流动的影响。 1 3 3 纯水液压元件减小气蚀破坏的方法 相对于油压元件而言，纯水液压元件的气蚀机制发生了变化，元件内部流场 的气穴特性与对材料的侵蚀程度产生了显著差异，这种差异不能通过简单的参数 修正和材料改变来克服。为了减轻或防止气蚀破坏，国内外研究人员经过大量研 究，总结出一些可以有效抑制气蚀的措施1 2 0 】。避免或减轻汽蚀以及汽蚀损坏的 措施可分为主动型和被动型。主动措施之一是液阻应避免出现临界压差，其一二是 用个干扰流束来影响液阻的汽蚀主流束。被动措施之一是研究影响汽蚀的j = 要 结构参数，其二是抗汽蚀材料的选用。实践证明，在纯水控制阀中采用一止j 如球 头形、抛物面形等特殊的结构形式对于提高性能、延长其使用寿命是非常有效的 措施。目前解决纯水液压元件中气蚀破坏问题最突出的方法是采用新型的结构形 式和新型的工程材料。 在运用新型材料方面，随着纯水液压技术的迅速发展，工程陶瓷、工程塑料 等也迅速成为研究热点，其同时也可以解决由于水介质固有的粘度小、气化压力 大、导电率高等特性带来的一些问题。由于纯水液压元件内部气蚀发生的机制t j 油压元件的不同，因此为了避免或减轻纯水液压元件的气蚀破坏，必须从元件的 材料和结构两方面同时考虑，即除了采用耐蚀性能好的材料外，还要研究新型的 第j 章绪论 结构，使气蚀的产生及其危害降至最低。 在新型结构方法方面，采用避免出现临界汽化压差、分离关键部位确聂坏位 置的纯水液压元件新结构可以尽量减小或避免气蚀现象的产生。其中主要有基于 多级原则( s 原则) 、高压原则( h 原则) 和过流阀口保护原则( 分离原则) 的二 种新型结构。 1 ) 多级原则( s 原则) 在节流部位设计多个节流口，使多个节流口串联，共同分担节流