（机械电子工程专业论文）阀芯阀套间缝隙内部流场的cfd计算.pdf

太原理上大学硕士研究生学位论文 阀芯阀套间缝隙内部流场的c f d 计算 摘要 滑阀是各类液压阀类中采用最多的一种结构形式，滑阀阀芯阀套之间 具有一定的配合间隙，配合问隙内的流场特性直接影响阀的性能，特别是 阀芯具有锥度且阀芯中心线与阀套中心线存在偏心距时的内部流场对阀的 工作性能有很大的影响。 本文根据实际中可能存在的间隙情况，应用a u t o c a d 软件对阀芯阀套 间不同形状的缝隙建立了二维几何模型，导入f l u e n t 前处理软件g a m b i t 中进行编辑使之生成三维模型，然后运用g a m b i t 进行网格的划分。在阀芯 固定不动和阀芯运动过程两种状态下，对流体在阀芯阀套问隙的流动状态 进行了仿真研究。 在对径向力进行仿真研究时，分别研究了阀芯上有锥无锥，有锥时是 顺锥还是倒锥，有槽无槽，阀芯与阀套中心线有无偏心距等不同的情况下 设定相应的边界条件，对其流场进行仿真研究。在对阀芯上有均压槽的缝 隙流场进行仿真过程中，使用了白适应网格技术，即在计算过程中，根据 压力梯度进行了网格的局部细化，有助于提高解的精度。进一步比较分析 了阀芯所受卡紧力的理论计算结果和仿真计算结果。 阀芯阀套之间缝隙的泄漏量，与许多因素有关。当阀芯不动和阀芯运 太原碰上人学硕士研究生学位论文 动时分别对阀芯阀套之间间隙的流场进行仿真计算得出泄漏量的仿真结 果。阀芯不动时，分别研究了阀芯阀套之间间隙长度大小，阀芯直径大小， 间隙大小，两端压差大小，以及液压油动力粘度大小等因素不同时，设定 相应的边界条件，对其流场进行仿真研究。阀芯运动时，分别定义了阀芯 运动方向与压降方向一致或相反两种情况，在速度大小不同时，设定不同 的边界条件，对阀芯运动过程中阀芯阀套之间的间隙进行流场的仿真分析 与研究。再对阀芯不动和阀芯运动时的泄漏量进行理论分析和计算，并分 析比较了理论计算结果和仿真计算结果。建立的阀芯阀套之间间隙的模型 在本文给定的边界条件下，泄漏量的值可正可负，正的泄漏量指的是：油 液沿着压降的方向流出的流量；负的泄漏量指的是：油液逆着压降的方向 流出的流量。过大的泄漏量不但能造成能量损失，同时影响执行机构的正 常工作和运动速度。因此探讨缝隙中有关影响泄漏量的因素，总结出其中 的规律，对阀芯阀套的设计和分析有一定的帮助。 上面所进行的研究工作为以后阀的设计和性能优化提供了依据。 本研究工作获得了国家自然科学基金“液压阀液动力补偿方法、计算 公式的完善及应用研究”，项目批准号5 0 6 7 5 1 4 7 的资助。 关键字：液压阀，泄漏量，径向力，卡紧力，c f d i j 太原理工人学硕士研究生学位论文 c f ds t u d yf o rt h ef l o wf i e l db e t w e e n t h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v e a b s t r a c t t h es p o o lv a l v ei su s e dm o s tf r e q u e n t l ya m o n ga l lk i n d so fh y d r a u l i cv a l v e t h es p o o lv a l v eh a sam a t ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v e s l e e v ea n dt h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei n n e rf l o wf i e l di nt h ec l e a r a n c ec a nd i r e c t l y i n f l u e n c et h ev a l v e sp e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l yf o rt h ec o n ev a l v ew h i c hh a sa e c c e n t r i c i t yb e t w e e n t h ec e n t r a la x e so f t h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v e i nt h i sp a p e r , t h e2 - d g e o m e t r i cm o d e lo f t h ec l e a r a n c ew h i c hh a sd i f f e r e n t s h a p e si se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h e a c t u a lc i r c u m s t a n c e s ，a n dt h e ni ti s i m p o r t e di n t ot h eg a m b i tw h i c hi st h ef o r e p r o c e s s o ro f t h ef l u e n tf o rg e n e r a t i n g 3 - dg e o m e t r i cm o d e la n di t sm e s h t h eh y d r a u l i co i lf l o wi nt h ec l e a r a n c e b e t w e e nt h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v ei ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yw h e nt h e v a l v ec o r ei ss t a t i co rm o v i n g i nt h es i m u l a t i o ns t u d yo fr a d i a lf o r c e ，t h ef l o wf i e l do ft h ec l e a r a n c e b e t w e e nt h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v ei ss i m u l a t e du n d e rt h ed i f f e r e n t b o u n d a r yc o n d i t i o n sa n dw i t hm a n yd i f f e r e n tm o d e l s t h em o d e l si n c l u d et h e i 太原理工人学硕士研究生学位论文 v a l v ew i t hc o n eo rn o t ，o b v e r s ev a l v eo ri n v e r s ev a l v e ，t h ev a l v ew i t hg r o o v eo r n o t ，e c c e n t r i c i t yb e t w e e nt h ec e n t r a la x e so f t h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v e o rn o t ，e c t i nt h ep r o c e d u r eo ft h es i m u l a t i o nt ot h ec l e a r a n c ef l o wf i e l do ft h e v a l v ec o r ew i t hg r o o v e s ，t h ea d a p tm e s hi sa d o p t e d ，w h i c ht h eg r a d i e n to ft h e p r e s s u r ei sd e s i g n e dt o t h ea d a p tf u n c t i o n t h ea d a p tm e s hi s h e l p f u lt o i m p r o v i n gt h ep r e c i s i o n f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t e da n ds i m u l a t e d r e s u l to ft h e l o c kf o r c eo nt h ev a l v ec o r ea r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h el e a k a g ec a p a c i t yo ft h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h ev a l v ec o r ea n dt h ev a l v e s l e e v ei sr e l a t e dt om a n yf a c t o r s t h ef l o wf i e l di nt h ec l e a r a n c eb e t w e e nt h e v a l v ec o r ea n dt h ev a l v es l e e v ei ss i m u l a t e dr e s p e c t i v e l yw h e nt h ev a l v ec o r ei s s t a t i co rm o v i n ga n dw ec a no b t a i nt h er e s u l to ft h el e a k a g ec a p a c i t ya c c o r d i n g t ot h es i m u l a t i o n w h e nt h ev a l v ec o r ei ss t a t i c ，t h ef l o wf i e l di ss i m u l a t e dw i t h m o d e l so ft h ed i f f e r e n tl e n g t ho ft h ec l e a r a n c e ，t h ed i s t i n c td i a m e t e ro ft h ev a l v e c o r e ，d i v e r s ec l e a r a n c ed i m e n s i o n ，d i s p a r a t ep r e s sd r o pa n dd y n a m i cv i s c o s i t yo f t h eh y d r a u l i co i lu n d e rt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s w h e nt h ev a l v ec o r e i sm o v i n g ，t h ef l o wf i e l di ss i m u l a t e dw i t hm o d e l sa td i f f e r e n ts p e e dm a g n i t u d e a n dd i r e c t i o nu n d e rt h ed i f f e r e n tb o u n d a r yc o n d i t i o n s t h e nt h el e a k a g e c a p a c i t yi sc a l c u l a t e dw i t hf o r m u l a f u r t h e r m o r e ，t h ec a l c u l a t e da n ds i m u l a t e d r e s u l ta r ec o m p a r e da n da n a l y z e d t h el e a k a g ec a p a c i t yo ft h ee s t a b l i s h e dm o d e lu n d e rt h ep a p e r sb o u n d a r y c o n d i t i o n sm a y b ei sp o s i t i v eo rn e g a t i v e p o s i t i v el e a k a g ec a p a c i t ym e a n st h eo i l f l u xa l o n gt h ed i r e c t i o no f p r e s s u r ed r o p n e g a t i v el e a k a g ec a p a c i t ym e a n st h e 太原理j ：= 人学硕士研究生学位论文 o i lf l u xa g a i n s tt h ed i r e c t i o no fp r e s s u r ed r o p e x c e s s i v el e a k a g ec a p a c i t yn o t o n l yb r i n ge n e r g yl o s sb u ta l s oi n f l u e n c ew e l l - b a l a n c e dw o r ka n ds p e e do ft h e o r g a n i z a t i o n t h e r e f o r e ，s t u d y i n gt h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h el e a k a g ec a p a c i t y a n ds u m m a r i z i n gt h er u l ea r eh e l p f u lt ot h ev a l v ed e s i g na n da n a l y s i s t h es t u d yf o rt h ev a l v eh a so f f e r e dt h es i g n i f i c a n tr e f e r e n c et od e s i g n i n g t h ev a l v ea n do p t i m i z i n gt h ep e r f o r m a n c e t h e p r o j e c ti st h es t u d yc o n t e n to f t h en a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c e f o u n d a t i o n o fc h i n a “i m p r o v i n ga n da p p l i c a t i o ns t u d yo nf l o wf o r c e sc o m p e n s a t i n g m e t h o d sa n dc a l c u l a t i n gf o r m u l ao ft h eh y d r a u l i cv a l v e ”f o u n d a t i o np r o g r a m n u m b e r ：5 0 6 7 51 4 7 k e y w o r d s ：h y d r a u l i cv a l v e ，l e a k a g ec a p a c i t y , r a d i a lf o r c e ，l o c kf o r c e ，c f d v 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：兰! l ! 垒日期：塑21 墨! 三三 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保管、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容( 保密学位论文在解密后遵守此规定) 。 签名：望! 查玺日期： 竺玉一查二兰三 导师签名： 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 自然界中各种物体都是相互联系、相互作用的，有作用必有反作用，物体间的作用 和反作用这一对矛盾的斗争，引起了物体的机械运动，我们把引起运动的原因抽象为力。 所谓的力学就是研究物体机械运动的科学，由于研究的对象不同，力学有许多分支。流 体力学是以流体为对象，主要研究流体和流体及流体与固体之间的作用和反作用，也就 是研究流体机械运动的规律，并把这些规律应用到有关的工程技术部门中去的力学分 支。涉及流体的工程技术部门是多方面的，例如农田灌溉、水利水电、城市给排水、船 舶航运、石油开采、流体输送、液压传动等等，这些部门不仅流体种类各异，而且外界 条件也有差别，这都对流体的运动有一定的制约，因此各部门都有不同的特殊问题。 液压传动是以油液为工作介质，通过人为的控制，达到按预定要求有控制的传递和 转换能量。在液压元件或整个液压系统中的特定环境下，油液的能量转换或传递过程中， 不可避免的将出现一些不同于其它部门的特殊问题，了解这些问题使我们在设计使用液 压元件和液压系统时，增加合理性，减少盲目性“1 。 1 1 液压流体力学发展概况 人的认识是客观存在的事物在人的主观意识里的反映，即认识依赖于实践。自然科 学是人类在改造自然界的实践过程中建立和发展起来的，我们的祖先在与洪水搏斗，在 开河修渠，引水灌溉，水能利用，在海上航行等等与自然界的斗争过程中，逐渐地发现 了流体运动的规律，从而产生了液压流体力学这门学科。 自然现象往往是错综复杂的，仅凭观察、实验和实践只能建立感性认识，必须根据 十分丰富的感性材料分析事务的矛盾，并加以抽象简化，即抽出现象中的主要矛盾和矛 盾的主要方面，略去其他次要矛盾，然后综合起来，加以归纳，形成概念，得出普遍的 原理或定律。为了进一步的为生产实际服务，还需在所得到的普遍原理或定律的基础上， 针对不同的具体条件，加以推理演绎，得出某些具体的结论来由于流体力学中注意的 主要是量的关系，因此在推理演绎时，往往要广泛采用数学工具，例如从经典力学的几 太原理- l 人学硕士研究生学位论支 个基本定律，经过数学演绎而得出反映流体运动普遍规律的连续性方程，能量方程和动 量方程( 下面将进行具体的介绍) ，又从这些基本方程中推演出各种具体的计算公式。 由于许多问题的复杂性，仅凭借严格的数学演绎推理并不能完全解决问题，流体力学往 往还要依靠科学实验的方法，统计、分析、综合实验所得的数据，归纳成修正理论的系 数，或直接建立经验的或半经验的计算公式。 从1 8 世纪的理想流体动力学中的不考虑粘性影响的流体动力学基本方程欧拉方程， 到1 9 世纪的粘性流体动力学问题的纳维一斯托克斯方程、雷诺平均的纳维一斯托克斯 方程和以后研究建立的可压缩流体动力学的基本方程组。到此，经典流体动力学理论框 架就已经建立了。经典流体动力学主要成就之一就是给出了三大守恒定律的严格数学形 式。流体力学问题的解就是对描述流体运动动力学特性的三大守恒定律( 质量守恒律、 动量守恒律和能量守恒律) 的微分方程在特定边界条件下的解。由于对于一些复杂流体 力学问题的，仅凭借严格的数学演绎推理并不能完全解决问题，流体力学往往还要依靠 科学实验的方法，统计、分析、综合实验所得的数据，归纳成修正理论的系数。但是即 使是实验也不能完全满足所有相似参数的要求，有的甚至无法求出。 随着科学技术和信息化的飞速发展，计算机软硬件的技术也快速发展起来。于是， 人们通过计算机利用数值方法求解描述流体运动的数学方程，揭示流体运动的物理规 律，研究定常流体运动的空间物理特性和非定常流体运动的时空物理特征的学科就应 运而生了，我们把它叫做计算流体力学。在计算流体力学中，研究流体运动规律的手 段是采用数值计算方法，求解描述流体运动基本规律的数学方程，以数值模拟的结果为 依据研究流体运动的物理特性。数值计算方法是计算流体力学的基础。数值计算方法已 经出现了有限差分法、有限体积法、有限元法、特征线法、涡量法等多种。目前计算流 体力学已建立了较完整的理论体系，即稳定性理论、数值耗散和色散分析、网格生成和 自适应技术、迭代和加速收敛方法等。实验研究、理论分析和数值模拟方法是研究流体 运动的三种基本方法，它们的发展是相互依赖相互促进的。随着计算技术的提高，计算 流体力学在2 0 世纪7 0 年代有了突飞猛进的发展，而且正以更快的速度前进。 液压传动是以油液为工作介质，通过人为的控制，达到按预定要求有控制的传递和 转换能量。油液作为工作介质，在液压传动中是不可缺少的，液压传动迅速完成动力的 传递以及运动主要是借助于流体的流动性。因此，充分掌握工作介质的流体力学规律是 了解和分析液压元件、系统工作原理和性能，以及进行动力计算的理论基础n 。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 液压传动技术是专门研究用液体来进行能量传递和转换的一门科学。随着液压技术 的发展，对生产动力、传递动力和控制动力的各种元件和系统的性能要求越来越高，机 械也越来越复杂，比如对液压技术中的噪声、气蚀、阀的振动和响应等问题的研究，这 样就需要我们对液压流体在元件和系统中流动的动力学做详细的研究。特别是近几年 来，液压技术向高速、高压、大功率化发展，更给液压流体力学带来一些新的研究领域。 随着液压技术的发展，需要流体力学上的专业知识也在不断扩大，如边界层理论，流体 波动理论，流体润滑理论、多相流理论等流体力学基本理论都不断应用在液压技术上解 决了实际问题。 由于数值计算方法所得到的液压技术中流体流动有关物理量的数据量是十分巨大 的。所以必须借助于计算可视化技术，把计算所得到的大量数据转变成便于对流场直观 分析和研究的可视化图形或图像形式，可以有效的利用计算数据对流场进行正确的理解 和认识，对流场进行正确的优化。在流场的数值计算中计算可视化技术也是很重要的。 1 2 缝隙流场的文献综述 滑阀在液压控制系统中的应用非常普遍，滑阀机构是各类液压阀类中采用最多的 一种结构形式，滑阀液压元件缝隙之间的卡紧故障问题和泄漏问题一直是液压系统中 最为常见的两种问题。国内外学者对缝隙中有关运动的规律进行了大量的研究工作，对 进一步改进和完善液压元件的设计和分析提供了一定的帮助。 赵艳平在文献 4 中分析了圆柱滑阀副中产生液压卡紧力的边界条件，并用公式进 行了详细的叙述，指出在圆柱滑阀副中开均压槽( 如图1 1 ) 、利用柱体的锥度来获得 对中力以及使滑动副产生“颤振”运动可有效的减小液压卡紧力；并指出槽的位置对卡 岫 弩 对_ 位， ，日晰_ 峥开- 囊捌噜i i - _ - 筝并卉。蛐童十位t l c 拜毫囊 分， 翦岬鳓岬猢商 太原理j 二大学硕士研究生学位论文 图1 1 均压槽对液压卡紧力的影响 f i g l 一1t h el o c kf o r c ew i t hb a l a n c eg r o o v e 紧力的影响。柱塞泵中柱塞摩擦副的液压卡紧力过大容易造成滑靴与柱塞球头间的脱 落，导致泵的机械效率降低、液压系统的温升进一步增高并影响元件的使用寿命。在柱 塞或缸孔中开均压槽可使这一问题得到有效解决；手动伺服变量机构中伺服阀芯摩擦副 的液压卡紧力过大，将导致其操纵困难甚至卡住，开均压槽可使这一问题得到有效解决。 谢明，刘学敏在文献 5 中讨论了径向不平衡力引起的卡紧现象( 如图1 - 2 ) 和加 工质量引起的液压卡紧现象( 如图1 - 3 ，1 - 4 ) 等。 图1 2 形位误差图1 3 环形槽深浅不一 图1 4 阀芯抬肩误差 f i g l - 2t h ee r r o ro ff i g u r e f i g l 一3a n n u l a rg r o o v ed e p t hd i f f e rf i g l - 4t h ee r r o ro fv a l v ec o r e s h o u l d e ra n dp o s i t i o n 同时给出了消除液压卡紧现象的几项措施，其中包括：在滑阀阀芯上开均压槽( 如图1 - 5 ) 来达到消除卡紧力的目的。 图1 5 环形均压槽改善径向平衡 f i g l 一5t h ea n n u l a rg r o o v ei m p r o v e sr a d i a le q u i l i b r i u m 陈虹微在文献 6 中对卡紧力产生的原因，液压卡紧诊断技术以及减小液压卡紧力 的解决方法进行了详细的叙述。液压卡紧力产生的主要原因是：滑阀副几何形状误差和 同心度变化引起的径向不平衡力( 图1 - - 6 ) 。并解释了阀芯停歇时间及软杂质( 图1 - - 7 ) ， 进口压力( 图1 8 ) ，阀芯材料( 图1 - 9 ) 等对卡紧力的影响。 一科一一葛复诲一一咤疆l 再一 ，- 7 7 7 _ 7 ，7 ，7 乃7 7 7 7 ，7 7 7 7 _ 万刀7 7 7 _ 7 7 r 刀7 7 7 7 ，艿7 7 ：_ _ 7 ， 太原理工人学硕士研究生学位论文 图1 6 阀芯形状误差的影响 f i g l 一6t h ee f f e c to i lt h ee r r o ro f v a l v ec o r ef i g u r e 避n 压j j i i t i h 喜 差 杨存花在文献 7 中不仅讨论了使径向产生不平衡力的各种情形( 见图1 - - 1 0 ) ，还 讨论了油液中由于极性分子的吸附作用而产生液压卡紧的机理，并提出了几项消除液压 卡紧力措施，例如：提高加工精度，在阀芯表面开槽等。 漩xr 汝xp 隧 喾辱棼鼍：势删电黔辨 ，蓐x 露冀幕一 图1 1 0 阀芯上产生径向不平衡液压力的各种情形 f i g l 1 0d i v e r s i f i e dg a s e so f v a l v ec o r eb r i n gr a d i a li m b a l a n c ef o r c e 王达文在文献 8 中推算了阀芯阀套中心线有一定偏心距，且阀芯上有锥度时液压 卡紧力的计算公式，并利用公式中的参数解释了什么时候出现液压卡紧，什么时候不会 产生液压卡紧，以及防止液压卡紧所采取的措施。 刘庭楷在文献 9 中分析了液压凿岩机活塞产生卡紧的几种原因，主要是源于径向 力和油液污染，并对这两个原因进行了详细说明。作者还叙述了1 消除液压卡紧力可采取 的方法包括把阀芯加- i - 成顺锥，在阀芯上开均压槽等。对改进后的液压凿岩机活塞所受 的径向力进行分析，说明所采取的方法是行之有效的。 李伟波等在文献 1 0 中针对电液比例阀中常见的阀芯卡紧故障，从电液滑阀内部的 5 太原理j ：人学硕j 研究生学位论文 电磁动态过程出发，引入了基于电反射的无传感器检测方法来直接反馈故障信息。在对 卡涩故障进行理论建模研究的基础上，利用仿真软件分析了颤振电流波形和频率对无传 感器检测灵敏度的影响，该检测方法无需专门的传感器件且可在线检测，对预测卡涩故 障，具有良好的工程应用前景。 程晓蒙等在文献 1 1 中利用c a e 软件m s c m a r c 对液压阀内流场进行有限元分析， 在m s c m a r c 中分别建立了两种滑阀结构形式的几何模型，根据算得的参数，在参数化 特征建模原理指导下，利用p r o e 建立液压阀几何体，将三维几何体转化为二维的机械 加工图。 裴祥等在文献 1 2 中提到把转阀和滑阀锥阀相比，有其独特的优越性，但由于其径 向力不易平衡，它的使用受到了一定的限制。文中对转阀以及滑阀的各种卡紧现象进行 ，臼，翻， 爹；爹画蟹 l 侈少啦到，蚓 ( - ) 目巷与两套不存在信心( b ) 阿芯与圈套存在倔心 图l 1 1 转网径向力分析 f i g l - 1 1t h ea n a l y s i so f r o t a t e dv a l v er a d i a lf o r c e ( 1 ) 蕞小问芯台庸的宽度且 ( b ) 增加低压槽宽度 图1 1 2 减小转阀卡紧的措施 f i g l 1 2t h em e a s u r e m e n ta b o u tm i n i s h i n gt h e l o e kf o r c co f t h er o t a t e dv a l v e 了比较，比较发现两者之间有相似的地方也有不同的地方，并着重对转阀的径向不平衡 力使用公式进行了理论分析，根据理论分析得知：产生卡紧力的原因是阀芯阀套存在偏 心( 图1 1 1 ) ，并针对性提出减小转阀卡紧力的若干项措施( 图1 - 1 2 ) 。 一 王尚勇在文献 1 3 中分析了在高压共轨电控喷油系统中，电控喷油器是最关键的部 件之一，要实现理想的喷油特性，尤其是高压喷射和超高压喷射，必须解决喷油器精密偶 件的泄漏问题。其中动密封的泄漏尤为重要。作者对其结构及工作原理进行了详尽的叙 述，在进行泄漏分析时，应用了油液在同心圆环缝隙中流动的泄漏量公式，考虑了柴油 的粘压效应、粘温效应，并对油液的粘度随压力、温度变化时的缝隙流动问题作了分析， 得出结论是：考虑柴油的粘压特性、粘温特性后，实际泄漏量是减小了。作者又分析了 6 太原理上人学硕士研究生学位论文 油液的极化效应，缝隙起始段以及均压槽等对泄漏量的影响，并用公式进行了推导计算， 得出：油液的极化效应、缝隙进口起始段以及液压挺杆上环形槽( 均压槽) 对于减少精 密偶件的实际泄漏量都有一定作用。 王者文等在文献 1 4 中提到螺旋密封是一种先进的非接触式密封，其最大优点是 密封部件之间即使有较大间隙也能有效地起到密封作用。螺旋密封的设计方法a b c r e a s e 方法对螺旋长度的影响进行了详尽的叙述。并举例说明螺旋密封在巴家嘴电站 螺旋密封的设计中的应用，螺旋密封在泵中的应用，螺旋密封在机械密封中的应用，螺 旋密封在高压螺旋泵( h p s ) 中的应用。 赵海峰，侯友夫在文献 1 5 中讲到偏心环状缝隙流公式是经典液压中的常用公式， 有着非常重要的实用价值。但前人在求其计算公式时，并没有对微元体进行受力分析，而 是将偏心环状间隙流的微元缝隙类比于平板间压差剪切流的微元缝隙，直接利用后者的 公式来求解。而且，在求微元缝隙高度h 时也作了近似。这些类比和近似将会导致求解 偏差的出现。鉴于此，本文先对微元体进行受力分析，然后结合牛顿内摩擦定律建立偏微 分方程求解。值得注意的是，由于本文没有出现对微元缝隙高度的近似处理，因此可以认 为，本文得出的结论并不仅仅局限于薄缝隙流动，对内外径相差较大的大缝隙偏心环状 流动也是适用的 许贤良等在文献 1 6 中说在液压技术问题中分析，研究和工程计算时，经常要甩 丌d d 口 口= 到流体力学中的同心环形缝隙流理论，即流量一压力差公式 忆o 而通常的研 究中并未对这一公式由来作过严格的数学分析，只是根据平行板( 平面) 压差流理论作 出变通分析而得出的结论。针对上述情况，引用枯性流体力学的普通方程( n s ) 方 程在圆柱坐标系中形式，考虑到同心环形缝隙流中粘性力为主导条件，忽略惯性力和 质量( 重) 力，考虑到流动的对称性，得出了流体运动微分方程，并进一步推导了速度分 布和流量压差方程，得出与传统理论相异的结论，供进一步研究作参考。 金英子等在文献 1 7 3 中对不同边界条件下，平行放置的平板之间的层流缝隙流动给 出了粘性阻力和沿程损失系数的计算公式，为正确、方便地计算平行平板间流动提供了 理论依据。 金英子，赵宝峰在文献 1 8 中对不同边界条件下，倾斜放置的平板之间的层流缝隙 流动给出了速度分布、粘性阻力、摩擦系数和沿程损失系数的计算公式，为正确、方便 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 地计算倾斜放置的平行平板间流动提供了理论分析和计算的依据。 唐功跃，吴国庭在文献 1 9 中分别对不同外界流动条件下缝隙内的流动及其形成机 理进行了探讨，确定了狭窄缝隙内的流动结构和缝隙内气体的传热过程，经过适当而合 理的简化，得出了缝隙内气体的传热模型及热环境计算模型。用有限差分方法对缝隙内 热环境进行了数值计算，得出不同外流条件下缝隙内热环境受外界气流影响深度与来 流参数的关系曲线。从缝隙流动机理方面说明了计算结果的合理性。并对缝隙内热环境 的计算结果进行了试验验证。分析和试验证明，提出的计算方法具有工程实用精度。 张冬泉在文献 2 0 中以静压滑环的简化模型旋转对称密封为研究对象，建立了在变 粘度条件下这种缝隙的数学模型，推导了其有限元模型，并对其进行了求解，得出了流 体在这种缝隙中的速度场、压力场和温度场的分布规律。 许贤良等在文献 2 1 中根据球面坐标形式的纳维一斯托克斯方程和连续方程，导出 了球面缝隙流的基本运动方程，作了数学求解，在此基础上，根据边界条件，进一步推导 了速度和压力分布方程及流量一压力降方程，供进一步研究作参考。 刘文俊等在文献 2 2 中采用贯流式水轮机转轮内c f d 分析软件，对设计工况下转轮 内部的三维紊流场进行了数值模拟，并增加了缝隙流的流动模型：基于n s 方程和k e 紊流模型，应用贴体座标和交错网格系统，用s i m p l e c 算法对贯流式水轮机转轮 内部的紊流进行数值模拟，得出其内部流场、压力场的分布情况及其水力效率和考虑 缝隙的容积效率。最后将计算结果用t e c p l o t 7 进行处理，分别用矢量图和等值线表示 其内部的流动状态和压力分布，并将普通模型和缝隙流模型分析，比较得出结论。 聂松林等在文献 2 3 中对水压圆周缝隙的流动特性进行了比较全面的仿真研究，根 据圆周缝隙在不同的几何条件以及边界条件下的流线、速度、压力以及气穴分布图，研 究了其流线和气穴的变化特征，着重探讨了系统压力、圆周缝隙的叠合长度和阀芯倒角 等参数对阀1 3 流动特性变化规律的影响。仿真结果表明：随着阀芯和阀套的配合长度增 大，阀口的入射角会变小，气体体积最高比值有所下降：阀1 ：3 倒角之后，流量会明显 增大，出口压力会有轻微下降，出1 3 处气体的含量会有所上升，在圆周缝隙出1 3 处有 发生气穴的趋势；进口压力越大，圆周缝隙出口处气穴也越严重。这些结论对水压元 件的设计具有直接的指导作用。 s p a s o k a ，k s a n k a r a n a r a y a n a s a m y b ， s a n k a rg a 在文献 2 4 中建立了用来确定静态， 8 t s u n d a r a r a j a n c ，k r a j e s h d g 迂回式轴承泄漏压降的半理论模型，并 太原理工大学硕士研究生学位论文 且得出了两个新的术语用来表示不同因素的影响，即腔速度和漩涡损失系数。在这种模 型的基础上，对迂回式轴承做了分析和优化设计。并且通过对开了不同几何参数，不同 几何形状平衡槽的轴承流场进, 行t c f d 仿真和实验研究，得出研究数据，然后应用人工 神经网络算法对这些数据做了最优选择。得出了大尺寸的平衡槽，快的转速，是获得好 压降特性的基本因素。 r a m i r a n t e ，p g m o s e a t e l l i ，l a c a t a l a n o 在文献 2 5 中应用c f d 软件f l u e n t ， 对一种商用单节比例阀的流场动力特性做了研究。结果表明，在阀的小开口度时，阀上 增加的便于测量压力的圆柱槽对流场没有产生大的影响；但是增加的补偿口导致了阀出 油腔的压力降低，减小了径向力；增加的环形槽使得进油腔和出油腔的压力均降低，减 小了液动力。最后指出在滑阀上出现的径向力的不平衡，可以通过优化环形槽和补偿口 的形状得到明显改善。 t e t s u h i r ot s u k i j i 在文献 2 6 中分别对滑阀的二维流动和锥阀的三维轴向流动进 行了模拟。研究了流量的变化频率和幅值大小受作用在阀上的力的影响和阀内流动状态 的影响。 x i a o - l iw a n g ，k e - o i nz h u 在文献 2 7 3 中通过求解改进的雷诺方程，和改进的能量 守恒方程，对一个开有平衡槽的轴承的工作特性进行了研究。从热量，气穴方面做了分 析。结果表明微磁流液润滑轴承的承载能力提高，温度升高，但是摩擦系数和泄漏量有 所减小。另外在全油膜区，微磁流增加了系数a ( 非量钢密度) ，在气穴区，微磁流和 牛顿流体产生相同的a 值。对轴承润滑液的选取具有一定的意义。 。 p r i y a t o s hb a r m a n 在文献 2 8 中使用s t a r 一3 d 仿真软件，进行了两相流动的仿真， 文中给出阀内流场的压力分布，速度分布和气体体积分布图。对优化滑阀的阀腔形状， 有一定的指导意义。 r u a n ，j ，b u r t o n ，r ，u k r a i n e t z ，p 发表了文献 2 9 ，文中说在研究一个阀 的特性时线性理论和数值仿真是经常采用的两种方法。从线性化的阀的模型中，稳定性 的标准被建立。文中分析了与阀的稳态特性和动态特性有关的有关结构参数。通过阀芯 间隙的泄漏量对阀的稳定性油一定的影响。 x w a n g ，a y a m a g u e h i 在文献 3 0 中对盘形的静压推力轴承的承载能力，能量损 失，材料刚度做了理论上的分析，并对一个二维模型做了仿真研究。最后得出，在轴承 的最大承载能力和最小的能量损失性能上，由弹性材料刚性材料组合的轴承，比刚体 刚体材料组合的轴承要好；水压轴承和油压轴承比较起来讲，虽然由于水的泄漏导致的 太原理王= 人学硕士研究生学位论文 能量损失稍大于油压，但是水压轴承引起的摩擦扭矩远远地小于油压轴承，所以总的水 压轴承的能量损失要小于油压轴承。另外，油压轴承的稳定性要好于水压轴承。 t e o d o rs k i e p k o ，r a m e s hk s h a h 在文献 3 1 中对交流换热器的泄漏问题进行了研 究，文中说交流换热器在工作时的泄漏问题是不可避免的，产生泄漏主要原因是由于阀 的泄漏和缝隙的泄漏。本文讨论了一种方法，这种方法是测量泄漏量多大时就会对交流 换热器有害的方法。指出实际中交流换热器换热效率的降低的主要原因是与泄漏有关。 因此研究泄漏的原因和种类，对研究交流换热器效率降低具有重大的意义。 b u l a n i c k i ，p l m b o u n d s ，j p r a n c e ，l r e y n o l d s 发表了文献 3 2 ，文中 说：水工联合会把泄漏量的减小作为一项重要的挑战，经过调查得出系统中大的泄漏主 要是由一些小的泄漏引起的。通过控制压差的方法来减小泄漏量是有效地措施但是非常 昂贵的。本文研究了一种方法，通过这种方法对泄漏量进行在线控制，预测何时泄漏量 超标，并及时把结果反馈给系统，以便让系统及时作出应对措施。 ， g r a n d a g e ，r e ，在文献 3 3 叙述了在水利系统中过大的压力引起泄漏量的增加， 从而造成极度的浪费，文中描述了如何避免使阀产生过大的压力。通过实验对这个阀进 行了详细的描述，并通过实地实验验证使用了这个阀后，可节约3 0 的水资源。 1 ，3 选题的意义和目的 本研究工作获得了国家自然科学基金“液压阀液动力补偿方法、计算公式的完善及 应用研究”，项目批准号5 0 6 7 5 1 4 7 的资助。 随着现代科学技术的飞速发展，2 0 世纪是流体传动与控制技术逐步走向成熟的世 纪。流体传动与控制技术不仅可以充当一种传动方式，而且可以作为一种控制手段，充 当了连接现代微电子技术和大功率控制对象之间的桥梁，成为现代控制工程中不可缺少 的重要技术手段脚1 。 滑阀在液压控制系统中的应用非常普遍，是各类液压阀类中采用最多的一种结构形 式。滑阀阀芯阀套之间具有一定的配合间隙，配合间隙内的流场特性直接影响阀的性 能。阀芯阀套之间配合间隙的大小随着阀芯阀套的长度大小、直径大小、间隙大小，阀 芯上是否有锥度是否有均压槽，阀芯阀套中心线是否有偏心距等的不同而不同，这些组 件内部尺寸包括阀芯形状、阀套内孔与阀芯配合部分的形状及尺寸等均由设计者决定。 1 0 太原理工大学硕士研究生学位论文 对阀芯阀套之间间隙特性的研究，以及结构参数的优化，是液压技术中重要的研究方向。 随着阀芯阀套之间间隙参数的不同，间隙之间的流体流动的一些现象也会改变，但 总是以流体在间隙之间流动的运动学和动力学为基础的，所以应当把研究阀芯阀套之间 缝隙内流体的流动状况以及流体与阀芯阀套的固体部件之间的动力学相联系。近年来随 着计算机技术和计算流体动力学理论的发展，应用c f d 方法对液压阀阀芯阀套之间间隙 的流场进行仿真计算和可视化分析，成为一种可能。 滑阀液压元件卡紧故障是液压系统中最为常见的故障之一，严重地威胁着生产和作 战训练的安全。液压元件出现液压卡紧时，会对液压系统以及阀的工作性能产生很大影 响，轻者会使液压元件内的相对移动件( 如阀芯等) 运动时的摩擦阻力增加，造成动作迟 缓，甚至动作或自动循环错乱的现象，从而使系统失效。重者会使液压元件内的相对移 动件完全卡住，不能运动，造成不能动作( 如换向阀不能换向等) 的现象，甚至还会危及 设备甚至人身安全。 r 过大的泄漏量不但能造成能量损失，同时影响执行机构的正常工作和运动速度。 因此探讨不同形状缝隙中有关运动的规律，深入了解压力轮廓图、速度矢量图、速 度大小等高线图的可视化分析以及阀芯所受径向力，阀芯阀套之间缝隙的泄漏量等内 容，对阀芯阀套之间缝隙参数设计和缝隙间流道的优化设计具有重要的实际意义。 1 4 本课题的主要工作 对液压阀阀芯阀套之间缝隙的流场进行数值模拟，可以通过自己编程或者计算流体 动力学( c f d ) 软件来实现。但由于自己编程耗时而且通用性不大，效率低，特别是对于 三维数值模拟，更是如此。因此，本课题中使用c f d 软件来进行仿真研究。 本文根据实际中可能存在