（机械设计及理论专业论文）纯水溢流阀的设计建模及性能分析.pdf

论文题目： 专业： 硕士生： 指导教师： 纯水溢流阀的设计建模及性能分析 机械设计及理论 张康智 柴光远 摘要 本文首先对纯水传动介质的物理化学性质做了全面分析。理论推导出对于相同管 径、相同流速的管路系统，在层流状态下，纯水在管路中的单位长度压力损失与矿物油 在管路中的压力损失比值，分析了纯水质量控制的重要性，并阐述了磁化、杀菌和精细 过滤等提高纯水质量控制的方法。 对纯水溢流阀的设计理论和方法进行了研究。以油压溢流阀的设计方法为基础，论 述了纯水溢流阀的设计理论和方法与传统油压阀的异同，阐述了纯水溢流阀设计的关键 技术，提出了解决措施。对其结构做了分析，对主要尺寸进行了设计。 分析了纯水溢流阀的结构性能。建立了纯水溢流阀的数学模型，对其静态性能和动 态性能做了研究。利用所建立的数学模型对纯水溢流阀的静态动态特性作了仿真分析， 得出了影响阀体稳定性的主要因素。 关键词：纯水液压传动；溢流阀；静动态性能；计算机仿真分析 研究类型：应用研究 ， -r-m-ll i s u b j e c t ： p e r f o r m a n c ea n a l y s i sa n dd e s i g nm o d e l i n go fp u r e - w a t e rr e l i e f 场l v e s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ： z h a n gk a n g z h i i n s t r u c t o r ：c h a ig u a n g - y u a n ( s i g n a t u r e ) ( s i g n a t u r e ) a b s t r a c t f i r s t l yi n t h i se s s a y , p h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ep u r e - w a t e rt r a n s m i s s i o n m e d i u ma l ea n a l y z e dc o m p r e h e n s i v e l y r a t i oo fu n i tp r e s s u r el o s so fp u r e w a t e ra n dm i n e r a l o i lf l o w i n gi np i p e l i n e sw i t hs a m ed i a m e t e ra n df l o w i n gv e l o c i t yi nl a m i n a rs t a t ei sd e d u c e d i nt h e o r y t h ei m p o r t a n c eo fp u r e w a t e rq u a l i t yc o n t r o li sa n a l y z e d ，a n dt h e m e t h o d s ( m a g n e t i z i n g ，b a c t e r i a k i l l i n g ，f i n ef i l t e r i n g ) o fq u a l i t yc o n t r o la l ee x p o u n d e d d e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d so fp u r e - w a t e rr e l i e fv a l v ea r es t u d i e d t h i se s s a yd i s c u s s e s t h ed i f f e r e n c ea n ds a m e n e s sw h i c he x i s ti nd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d so fp u r e w a t e rr e l i e f v a l v ea n dt r a d i t i o n a lo i lr e l i e fv a l v eb a s e do nd e s i g nm e t h o d so fo i lr e l i e fv a l v e ，k e y t e c h n o l o g i e so ft h ep u r e - w a t e rr e l i e fv a l v ea l ee x p o u n d e da n ds o l u t i o n sa l ep r o p o s e d ，t o o i t s s t r u c t u r ei sa n a l y z e da n di t sm a i ns i z e sa l ed e s i g n e da n dd e s i g nt h e o r ya n dm e t h o d so f p u r e - w a t e rr e l i e fv a l v ea l es t u d i e d t h es t r u c t u r a lp e r f o r m a n c eo fp u r e - w a t e rr e l i e fv a l v ea r ea n a l y z e d m a t h e m a t i c a lm o d e l o fp u r e - w a t e rr e l i e fv a l v ei sb u i l t ，i t ss t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c ea r es t u d i e d s t a t i ca n d d y n a m i cp e r f o r m a n c eo fp u r e w a t e rr e l i e fv a l v ei ss i m u l a t e du s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c h i sb u i l ti nt h i se s s a y , t h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c t st h es t a b i l i t yo f v a l v e b o d ya r eo b t a i n e d k e y w o r d s ：p u r e w a t e rh y d r a u l i ct r a n s m i s s i o n ；r e l i e fv a l v e ； s t a t i ca n dd y n a m i cp e r f o r m a n c e ； c o m p u t e rs i m u l a t i o na n a l y s i s t h e s i s ： a p p l i e dr e s e a r c h 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。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做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：彩冬蕊日期：多，一 ， 。 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 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 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学雠文储龇移辱耘指剥币躲私蔓 6 年6 月( ，日 1 绪论 1 绪论 1 1 引言 社会的发展，要求人类赖以生存的环境是一个安全、无污染、高度文明的、美好的 环境。因此要求科学技术向安全化、生态化、艺术化、环境系统优化的目标发展。 自帕斯卡定理发明几百年来，由于液压具有防锈，润滑性好，粘度大的优点，得以 广泛的应用。人类利用矿物油作为液压系统的工作介质，创造了一代又一代的由液压油 传动与控制的各类主机系统，为社会生产力的发展做出了巨大的贡献。但是，液压油也 给人类带来了环境污染的缺点。 最初的液压传动出现于十七世纪末，介质是水，在随后的一百多年水一直用作传动 介质。到了二十世纪，随着密封技术的发展，矿物型液压油以良好的性能取代水成为主 要的传动介质，推动了液压技术的发展。 七十年代的“石油危机”引发了西方国家研究以水基液代替矿物型液压油作为液压 传动的工作介质，由于采用水基液优越性较多，以至西方液压界认为，水基液液压传动 是八十年代液压技术发展的重要方向，在不久的将来，水基液将成为某些工业部门( 如 冶金、轧钢、机械制造、锻压、煤矿、塑料注射、食品和船泊等) 液压传动的主要工作 介质。 但是八十年代石油价格的猛跌，且采用水基液代替液压油，必须对原系统进行改造， 使系统的经济性变差，人们一度对水基液的兴趣降低，水基液只使用在一些特殊的高温 场合。近年来，随着人们对环境保护的重视，西方各国政府制定相应的法律、法规，从 而激起人们研究干净的低成本的矿物型液压油的兴趣。水本身所具有的清洁性和阻燃性 正好满足现代社会对工业工程提出的安全，环境友好的要求，这也是最近几年纯水液压 技术复苏的根本动力。加之新型材料的应用，精密加工技术的进步和新结构的液压元的 研制成功，基本克服了纯水液压传动的诸多缺点。使纯水液压技术取得了巨大的发展。 1 2 纯水的定义及分类1 1 】 目前应用水介质作为液压系统的液压传动通常有水压传动和纯水液压传动两种说 法，它们的内涵是有区别的。 英国流体动力协会水压传动委员会是这样定义水压传动的水：含水量高且粘度小于 5 c s t 的液体。即水压传动的水还包含了添加了某些添加剂的高水基液，在纯水中增加化 学添加剂是为了增加水的粘度，改善水的润滑性和防锈蚀能力，使水基液的性能与传统 的矿物油相近。基于高水基液的优越性，在二十世纪七十年代，西方液压界人士认为高 西安科技大学硕士学位论文 水基液压传动是八十年代液压传动的重要方向，并将成为未来某些工业部门液压传动的 主要工作介质。但高水基液的环境相溶性还不够，其中的添加剂对自然生物通常是有害 的，即使无害，他们也会成为微生物生长的培养基。泄漏的水基液会使纸张和纺织品变 色，药品变质和食品变味，它们不能用于木材加工，纺织，医疗器械和食品加工等具有 严格卫生要求的领域。而且水基液的储存，维护和监测要求甚至比矿物油更苛刻。其废 液也不能直接排放到环境中，必须经过处理，因此应用高水基液的总体费用很昂贵。 纯水液压传动中的纯水是指纯粹的天然水简称纯水，含淡水和海水。是指不含任何 添加剂的水。 1 3 纯水液压传动的主要特点 2 1 应用纯水作为液压传动的介质主要具有以下优点： 1 环境友好 世界各国对环境保护非常重视，美国和欧洲绝大多数国家已经指定了严格的法律， 法规，要求厂家有责任，承担他们自己带来的负担( 除了交纳环境税外，还必须回收生 产使用过程中产生的不利于环境的有害物质，否则将增收高额罚款。目前我国也出台了 “谁污染谁治理”，“谁污染谁付费”的环境保护政策，并将要求厂家交纳环境税。 矿物型液压油对环境的污染是众所周知的严重问题。1 升矿物油可使1 0 0 万升水受 到污染；泄漏的油液可使植物或动物死亡，使工作场所地面打滑，空气中充满异味，工 作环境的恶劣。而用纯水作为液压介质时，对环境没有任何危害，无需回收处理。 2 购买和使用成本低 地球上很少有物质像水一样丰富和实用，且随地可取，它不存在液压油的冶炼提纯 运输存储，废液处理等问题。特别是废液的处理费用是很高的，甚至可以说是代价高昂， 通常，处理费用与购买成本相近。而且使用纯水作为液压介质的购买和使用成本仅为液 压油的近1 5 0 0 0 ，特别是在大型和特大型的液压系统中可节省大量的矿物油，经济效益 相当可观。 3 可避免和减少产品污染 产品污染是许多生产行业格外关注的事情，泄漏的油液和水基液会使纺织制品，木 质胶合板受到玷污，也会使纸张变色，药品变质和食品变味。污染还会使某些产品无法 销售，但如果纯水渗进产品中，害处要相对小的多或者没有害处。 4 阻燃性，安全性好 水无毒、不燃烧、可灭火、能消除火灾危险，且工人不再需要呼吸有害的油蒸汽， 也不需要担心皮肤和眼睛受到液压油的伤害。所以应用纯水发生火灾的几率，环境的清 除和工业健康的抱怨就会少的多，厂家要付出的意外事故保险和工人健康保险费用也相 应的会低的多。 2 1 绪论 5 易维护保养 水本身就具有清洁功能，所以纯水液压系统的维护保养非常方便，清洁，维护成本 比油压系统低。 6 利于提高绿色意识 应用纯水作为液压介质可帮助培养全民良好的环境保护意识。纯水液压元件和系统 的生产厂家和用户可以认识到他们的行为是对新型的绿色液压技术的支持，即使付出了 一定代价，也是对人类生存环境和健康安全做出了值得的非常了不起的贡献。 此外，纯水的压缩系数和热膨胀系数分别仅为液压油的2 5 和5 0 ，而比热和导热 系数分别为液压油的2 倍和4 5 倍，所以系统的刚度大，温升低，能提高系统的动态性 能。纯水的粘度低，系统的能量损失小，所以传递效率高。 7 纯水的压缩系数小 压缩损失比矿物型液压油降低2 5 左右，可补偿一部分由于泄漏增加而造成的容积 损失。在水下时，可以不使用回油管、水箱、系统大为简化。 1 4 纯水液压传动所面临的技术挑战【3 】 但是纯水也存在着a 粘度低b 润滑性差c 气蚀性d 腐蚀性等缺点，给纯水液压传 动技术的研究和应用带来了困难，主要存在如下关键问题： 1 气蚀与气蚀磨损 由于纯水介质的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以很容易产生气蚀。由于 水的密度大，可压缩性小，同矿物油相比，水在气泡破裂时产生的压力冲击更大，破坏 力更强，这种冲击压力最高时甚至超过1 g p a 。气蚀的破坏速度与材料的机械性能相关。 对大多数材料来说，硬度是影响气蚀侵蚀的主要因素。气蚀破坏与材料的疲劳强度也有 关系，这是因为不断生成的气泡对锥阀芯产生冲击。另外水中氧气的含量，阀芯的形式， 阀口的开度，出口背压等对气蚀都有影响。 2 拉丝侵蚀和冲蚀 产生拉丝侵蚀的原因有两种，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，大压差下情况更是如此，高的流速过节流口时，会对阀芯与阀 座产生严重的冲刷作用，形成一道道沟痕。另一种是因为纯水溢流阀常用在开式系统， 有时甚至直接放在水底，因而一些小的沙砾会被吸进系统。这些沙砾会在阀座表面刮出 一条条痕迹。冲蚀是水流以一定的角度冲向锥阀芯和阀座表面而造成的。材料的硬度对 拉丝侵蚀有一定的影响，一般来说材料的硬度越高抗拉丝侵蚀越严重。 3 泄漏与效率 由于水的粘度只有油的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。泄漏对水压溢流阀会造成以下影响：使系统的容积效率下降，从而降低总的效率； 西妥科技大学硕士学位论文 使液压元件加工困难。为了减小配合间隙，势必要提高加工精度，这将使加工成本和加 工难度提高；在压力很高的情况下，通过微小的缝隙泄漏的流速非常高，易造成拉丝侵 蚀。 4 压力冲蚀，振动和噪声 水的压力冲击比油大，主要是由两个方面的原因：一是水的密度比油大，二是水的 压缩性比较小。因而水的流动惯性大。压力冲蚀时的振动加剧：促使溢流阀阀芯磨损加 剧。 1 5 纯水液压国内外主要研究的课题 纯水有着与矿物油不同的特点，现有的液压元件和系统不能直接用于纯水液压传动。 应该针对纯水液压传动的特点重新研制和设计新的液压元件，认真分析纯水液压传动所 面临的关键技术问题，抓住主要课题进行重点研究，目前纯水液压研究的主要课题大致 如下： 1 纯水压元件中摩擦学问题研究 由于纯水中润滑困难，摩擦副的固体表面处于直接接触状态，很快便会受到磨损。 材料的磨损主要表现有四种形式：粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、磨蚀磨损。在 边界润滑和混合润滑状态下，粘着磨损和磨粒磨损占主要地位。表面疲劳磨损在滚动接 触中明显可见。纯水的腐蚀作用可在较低的接触应力下去除腐蚀表面，而新鲜表面更容 易受到腐蚀，这两个过程的相互作用就形成了腐蚀磨损。对于绝大多数材料而言，上述 四种形式的磨损在水中都在比油中大。由于低粘度，纯水压元件中的间隙流速会很高， 高速水流会对过流表面产生严重的冲刷作用，引起过流表面材料破坏，即冲蚀磨损，当 介质中含有固体污染颗粒时，冲蚀磨损将更严重。因此，深入研究纯水压中的摩擦学问 题，掌握其摩擦机理，合理利用水的有限润滑作用，切实有效的解决水压元件面临的严 重粘着磨损、磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损及冲蚀磨损等摩擦学问题，是能否研制出 高性能纯水液压元件和系统的关键。 2 纯水液压元件及系统的计算机仿真创新 液压仿真技术为我们预测液压系统的性能提供了一个有力的工具，不仅大大的缩短 了液压系统和元件的设计周期，避免了因为重复实验及加工所带来的昂贵费用，而且有 利于及早的发现所研究的系统在动静态特性方面的薄弱环节并加以消除。还可以通过仿 真对所设计的系统有一个深入的了解，从而达到优化系统，优化元件，优化参数的目的。 目前有许多成熟的仿真软件包广泛应用于液压领域的设计过程中，其中德国亚琛工业大 学的d s h 软件和英国b a t h 大学的b a t h f p 是推出的最早软件，在行业中影响也最大。随 着科学的发展，又有数十款液压仿真软件和通用的系统仿真软件应运而生。但是现有的 大多数软件，包括一些通用仿真软件，存在以下几个问题：a 面向原理图建模的图形界面， 4 一 l 绪论 仅仅是一个工具而已；b 实际上只能对简单的液压系统进行仿真，或者说只能是对简化 了的系统进行仿真；c 仿真系统不利于创新思维的运用；d 仿真与优化脱节，事实上仿真 无法直接指导系统的设计优化；e 仿真软件得不到强大的液压元件参数库的支持；软参 数的确定带有很大的盲目性；g 实验与仿真的对比分析功能不强；h 仿真结果的再利用没 有得到深入发掘。随着产品设计中强调源头创新，对仿真技术的研究与软件系统的开发 也提出了新的要求。从国外的相关软件来看，液压仿真技术发展一直受到重视，不断的 在进行开拓和完善。并且仿真技术在液压元件与系统的创新设计中，发挥了重大的作用。 与其它各项技术一样，随着科学技术的进步，液压仿真技术也将与时俱进，发展趋势可 以归纳为这样几个方面：基于网络的仿真技术、协同仿真技术、基于仿真的工况监测与 故障诊断技术、实时仿真技术和面向复杂系统的分布式建模与仿真技术等等。液压元件 及系统的仿真软件的研究与开发必将推动纯水液压技术的发展，所以液压仿真软件的研 究对纯水液压的发展具有重大的意义。 3 各类纯水液压元件及系统的开发与应用研究 水介质与矿物油介质物理化学性能的巨大差别决定着不能将现有的液压元件用于纯 水液压传动。通过研究纯水液压元件和系统对纯水液压传动进行更深刻的认识与分析， 对元件尺寸、静动态性能进行研究，总结其规律及原理对纯水液压传动的发展起着重要 的作用，所以对纯水液压元件和系统的研究也是纯水液压传动研究的一个重要课题。 4 纯水液压元件及系统气蚀，水击发生的机理、危害及控制政策研究 气蚀、水击问题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，特别是纯水液压的发展，气蚀、水击问题显的更为突出。水的汽化压力 是油的千万倍，且水中的溶解气体的提前析出又会诱发水在高于其汽化压力时产生气穴 现象，从而导致气蚀破坏。相对于油压元件而言，纯水液压元件的气蚀机制发生了根本 性的改变，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。因此深入研 究纯水液压元件及系统中气蚀、水击发生的机理，充分认识其危害性，并采取合理有效 的控制策略，避免气蚀、水击现象发生，是迅速推动纯水液压传动系统发展的一个重要 基础。 5 新型工程材料在纯水液压元件中的应用研究 无论海水或者纯水作为液压介质都具有强烈的腐蚀性，所以如何选用耐腐蚀材料是 纯水液压元件研究的关键问题之一。目前采用的新型材料如工程陶瓷，工程塑料及复合 材料不仅具有优异的耐腐蚀性能，而且具有优异的耐摩擦性能，是理想的耐腐蚀材料。 但是陶瓷的化学键主要是离子键和共价键，这种化学键方向性强结合能高，因此陶瓷在 高温下很难发生塑性变形，积聚的能量不能被及时吸收，在外载荷的重复作用下，疏松 区陶瓷颗粒的边界等各处缺陷成为裂纹源，裂纹逐渐扩展，导致材料脱落，最后产生疲 劳断裂剥落坑。工程塑料热变形温度较低，不易获得较高的表面质量，而且吸水，尺寸 西安科技大学硕士学位论文 稳定性差。因此结合纯水液压传动的实际情况研制新型的耐腐蚀材料也是纯水液压传动 研究的一个重要课题。 6 纯水液压传动系统的综合特性的评估策略与方法研究 如何从生命周期的角度来评定纯水压传动系统的技术性能、费用、对环境的影响程 度、劳动保护、能源消耗、资源消耗、应用领域等综合特性，并与传统的液压系统比较， 对于客观认识水压传动的突出优越性，为企业决策者及工程师提供切实可行的技术解决 方案，推动纯水压传动技术迅速发展有着非常重要的作用。 7 纯水液压传动实验装置的设计与研究 由于矿物油和水的物理化学性质不同。因此，对液压元件的要求和性能影响也就不 同。而获得液压元件性能参数的最佳、最可靠的途径就是通过实验测试。油压传动实验 装置和实验技术已经比较成熟，由于纯水液压传动与水压传动具有明显的差异，所以我 们不能只是对油压实验装置进行简单修改而进行纯水液压传动实验，必须结合水的物理 化学性质进行纯水液压元件实验系统的设计，纯水液压实验系统的设计对纯水液压元件 的设计起着举足轻重的作用，但是我国纯水液压传动实验技术还正处于起步探索阶段， 所以研究纯水液压传动实验系统也是纯水液压传动技术研究的一个重要课题。 纯水液压传动是一个多学科交叉的技术、必须重视基础研究，综合运用材料学、流 体力学、理论力学、摩擦学、控制理论、计算机技术、精密加工及精密测量技术等相关 学科的最新研究成果。从合理选材、结构设计、设计理论和方法、加工手段和制造工艺 等入手，有效克服纯水液压传动所面临的腐蚀、泄漏、摩擦磨损、气蚀、水击和污染问 题，才能研发出高性能的水压元件和系统。 1 6 国内外现状与发展趋势【s 】 根据实际生产的要求，针对水介质的物理和化学性质所引起的问题，纯水液压技术 是一个多学科交叉的研究领域，其主要内容包括：工作介质性能的分析、研究和改善； 针对工作介质的特点，研究和开发新材料；基于新材料，进行纯水液压元件的理论设计 和开发：进行系统分析，包括控制技术和传动技术的研究，如图1 1 所示。 到目前为止，德国，英国，丹麦，芬兰，瑞典，新加坡等进行了系统的设计和研究， 研制出相关的柱塞泵，阀，测试仪表等液压元件投入市场。纯水液压技术的研究，西方 国家处于领先地位，在某些技术方面已经取得了突破性的进展。 1 德国 德国h a u h i n c o 公司生产的e h k 一3 k 系列t r i p l e x 柱塞泵输出从8 l m i n ，8 0 m p a 到 7 0 0 l m i n ，1 5 m p a 。适用于粘度从0 5 1 0 - 6 到4 1 0 6m2 s 范围内的所有天然流体，从 h f a 流体到海水。r k p 系列径项柱塞泵输出流量从3l m i n 到2 4 0l m i n ，压力高达 3 2 m p a 。品种齐全的纯水液压阀，有球阀，锥阀，和滑阀三种形式，压力分别为：1 6 m p a ， 6 1 绪论 3 2 m p a 和7 0 m p a ，阀的功能有2 2 ，2 3 ，3 3 ，2 4 ，3 4 ( 位通) 。并且己广泛用于焊接 机器人 图1 1 纯水液压技术研究的主要内容 和金属压力成型等设备。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。通过实验，研究最优制造加工工 艺，确定构件的可靠性，寿命，以降低制造加工成本。应用陶瓷材料后，容积效率有了 明显提高。在轴向柱塞马达中，滑靴，缸体和支承盘广泛采用了陶瓷材料。此外，通过 材料对比实验，一种新型的陶瓷材料r b a o 具有广阔的应用前景。 2 丹麦 丹麦的d a n f o s s 公司已经设计生产出了一系列纯水液压元件。由于广泛采用了不锈 钢、工程塑料、更紧的配合、正常工作压力达1 4 m p a ，流量从1 5 到1 4 0 l m i n 。而且， 效率和寿命达到甚至超过矿物型液压油型液压元件。如轴向柱塞泵，其排量从4 到 8 0m l r , 最大连续运转压力为1 6 m p a 。轴向柱塞马达，其排量从4 到1 2 5 m l r , 最大连续 运转压力为1 4 m p a ，转速高达4 0 0 0 r m i n ，输出功率为8 k w ，而重量仅为4 1 k g 。此外， 还有各种溢流阀，方向控制阀等元件，压力从1 5 1 4 m p a ，流量从2 - - - 3 0 l m i n 。并已应 用到一些实际系统中，比如锻压机、食品机械等。 3 芬兰 芬兰t a m p e r 科技大学研究纯水压传动技术起步早，投入的人力也多，至今己形成 规模，并具有一定的影响。研制成功了纯水压系统，采用比例流量控制，最高压力达 4 0 m p a ，流量达1 3 6 l m i n 。最新研制的比例阀，阀芯为陶瓷材料，通过建摸，仿真，对 比实验及一些控制方法提高的阀的性能。 4 日本 日本的荏原研究所，三菱重工，m i y a k a w a 公司，神奈川大学从事了纯水液压的 西安科技大学硕士学位论文 研究。有资料表明，纯水液压泵压力可达2 1 m p a ，转速达1 8 0 0 r m i n ，容积效率为8 6 ， 总效率为8 1 。n e s s i e 研究了应用于食品机械的纯水液压系统。此外，日本的水液压传 动技术非常领先，使用深度可达1 2 5 0 0 m 。 我国纯水液压技术也已经起步。华中理工大学从八十年代初承担“六五”、“七五”高 水基液液压传动重点科技攻关项目的研究，九十年代以来在此基础上展开海水液压传 动技术的研究，于1 9 9 2 年底研制出一台单柱塞式海水液压泵样机。随后，开始研制海 水阀配流轴向柱塞泵，配流阀为锥阀，阀芯采用工程塑料软密封：滑靴和斜盘摩擦副之 间采用陶瓷，完全由海水润滑；泵壳体和缸体的材料是铝合金6 0 6 1 ，柱塞的材料是4 4 0 ， 柱塞孔内侧衬上高强度塑料或铅基锡青铜。最大转速为1 3 5 0 r m i n ，出口压力3 m p a ，最 大流量9 3 l m i n ，容积效率为8 6 ，总效率是8 1 。浙江大学主要开展自来水为介质的 相关技术。 纯水液压传动的控制技术研究包括电液比例，伺服阀和系统的研究。现在已经研制 出响应频率为1 2 1 5 h z ，3 0h z , 1 2 5h z 的纯水比例方向阀，陶瓷滑阀和伺服阀。纯水 比例或伺服控制主要在安全、防火场所应用来获得高精度的位置、力、速度控制，已经 应用在焊接机械人，锻压成型压力机和轧钢生产线上。目前看来，纯水液压技术在食品 工业的应用也很成功。由于食品工业有严格的卫生要求，而油压系统的泄漏，污染很难 避免，所以被气动或电机系统所取代。但由这组成的系统经济性较差，气动系统的精度 控制特性差、压力低、效率低及电机系统“三防”要求严格等缺点。相比而言，纯水液压 系统不仅满足了食品工业严格的卫生要求，而且没有气动和电机系统的缺陷，因而在牛 奶厂，磨面机等机器上得以广泛的应用。因此，纯水液压传动技术在消防，原子反应堆， 高压清洗，造纸业和林业机械中也有应用。 对环境保护的日益关注导致人们对纯水液压传动产生了浓厚的兴趣。纯水固有的安 全性和清洁性使我们不为费油处理、清洗、燃烧和工人的安全而担心。同时，纯水液压 传动巨大优越性已经使这项技术研究走向更广阔的领域。 纯水液压传动已经成为液压领域新的重要发展方向之一。b a c k e 教授预计纯水液压 传动在今后将占整个世界液压行业的1 0 。 我国在此项技术的研究也已起步，加上我国液压生产行业的积极参与，还是有可能 缩小与西方国家的差距。而且对资源相对匮乏，环境污染较为严重的现状改变具有重大 而深远的意义。 纯水液压传动技术的研究和应用将给我国的经济建设带来巨大的经济效益，可以预 测它将在下列工业部门得以迅速利用和推广： 消防、冶金、采矿、原子能动力厂、化工生产等安全性较高的环境 食品、医疗、电子、纺织、造纸、包装等行业 海洋工业和航天航空工业 8 1 绪论 内河船泊和河道工程 大型民族游乐设施 水下作业工具及机械手的驱动 1 7 本文的研究内容 本文将对纯水的粘度与质量控制，纯水溢流阀的设计和研制进行研究，具体内容如 下： 纯水的粘度特性分析与质量控制 纯水溢流阀的设计 溢流阀的静动态特性分析 纯水溢流阀的动态仿真研究 1 8 本章小结 本章主要介绍了课题研究的背景和意义，分析了当前纯水液压研究的主要方向，给 出了纯水液压元件所面临的主要技术难题并提出了基本的解决方案，确定了本课题的主 要工作和采取的技术路线。 9 西安科技大学硕士学位论文 2 1 纯水的物理性质 2 纯水的特性分析和质量监控 ( 一) 惯性 惯性是物体所具有的反抗改变原有运动状态的物理性质，它主要取决于质量。质量 越大，惯性就越大，运动状态就越难改变。对于各种不同流体，同体积内的质量是不同 的。为了表明流体的惯性，一般采用单位体积的质量来表示，称为密度，以p 表示， 则： p ：一m 眩i m 3 ) m 一体积为啪均质流体的质量( 堙) 一一v 一该均质流体的体积k 3 ) 而在流体力学中用比重来表示上述特征，设以7 表示比重，则： ：g - - ( u l m 3 ) ( 二) 压缩性和膨胀性 a 压缩性 流体分子间有一定的间隙，作用在流体上的压力增加时，其分子间距离缩短，因而 流体的体积减小，密度增加，这种性质称为流体的压缩性，这种流体称为压缩性流体， 否则称为非压缩性流体。流体可压缩性的大小一般可用压缩率来表示，即作用在体积为 v 的流体上的压力，如果增加p ，其体积随之减小a v 时，压缩率可表示为： = 呦( _ 等h 篙一p a 1 ) 式中 p ，p 一压力( 砌) y ，v7 一压力为p 和p 时流体的体积k 3 ) 和一压力增量( p a ) d v 一压力增加到p + 和时的流体体积减少量b 3 ) b 弹性系数 处于压缩状态的流体，产生一种向外的膨胀力，这种力可被看成是一种弹性力。流 体弹性力的大小，用体积弹性系数表示，弹性系数恰是压缩率的倒数，以k 表示，则： 1 0 2 纯水的特性分析和质量控制 k - 1 ，= - vd p ( p a ) d vp 水在各种压力下的压缩率，见表2 1 表2 1 水的压缩率m 2 n 、 温度 0 1 0 2 0 5 0 压力 ( 1 0 1 3 2 5 0 ) 1 0 3 p a 5 1 8 0 1 0 1 0p a4 9 3 5 1 0 1 0 p a4 8 4 4 1 0 一1 0 p 口 f 2 5 0 5 1 0 ) x1 0 3 p a 5 0 0 8 1 0 1 0 砌4 8 5 4 1 0 1 0 p a4 7 0 1 1 0 1 0 p 口 ( 5 1 0 - 7 6 0 ) 1 0 3 p a 5 0 2 7 1 0 1 0 p a4 6 7 0 l o 一1 0 砌4 4 9 7 1 0 1 0 砌 ( 7 6 0 1 0 1 ) 1 0 3 p a 4 9 5 6 1 0 1 0 p a4 6 4 0 1 0 1 0 砌4 4 6 6 1 0 1 0 p a ( 1 0 1 3 5 1 0 1 1 0 4 p 4 6 9 1 1 0 1 0 砌4 4 1 5 1 0 1 0 p a4 2 8 3 1 0 1 0 砌4 1 0 9 1 0 1 0 砌 ( 0 5 1 1 0 1 ) 1 0 5 p a 4 1 0 9 1 0 1 0 p a3 8 9 5 1 0 1 0 p a3 7 5 3 l o - l o p a3 6 1 0 1 0 1 0 p 口 ( 1 0 1 1 5 2 ) 1 0 5 p a 3 5 2 8 1 0 1 0 砌3 4 3 6 ) ：( 1 0 1 0 p 口3 3 3 4 1 0 1 0 砌3 2 1 2 1 0 1 0 p a c 膨胀性 流体随温度的变化，其体积发生相应变化的性质，称为热膨胀性，简称膨胀性。流 体膨胀性的大小用膨胀系数表示，它是流体的温度每升高1 ( ) ，其体积的相对变化值， 以屈表示，则：p , - 矿1 面d v ( 1 碱1 。c ) 式中，刀一液体温度的增量；其它符号意义同前。 水的膨胀系数见表2 2 表2 2 水的膨胀系数( 1 k ) 温度 2 7 4 - 2 8 3 。c2 8 3 2 9 3 。c3 1 3 3 2 。c3 3 3 - 3 4 3 。c3 6 3 3 7 3 。c 压力 o 9 8 1 1 - 0 - 40 1 4 1 0 - 41 5 0 1 0 - 44 2 2 1 0 45 5 6 1 0 - 47 1 9 1 0 - 4 9 8 l 1 0 - 40 4 3 1 0 一4 1 6 5 1 0 - 4 4 2 2 1 0 - 4 5 4 8 1 0 _ 47 0 4 1 0 - 4 1 9 6 1 0 _ 40 7 2 1 0 - 41 8 3 1 0 44 2 6 1 0 - 45 3 9 1 0 4 ( 三) 粘性 流体对剪切力的抗阻很小，水从高处往下流，这是由于水在重力的作用下，沿着水 的表面方向有分力，这个分力对于静止的水来说是剪切力。在水表面受剪切力的部位， 静止状态就遭到破坏，水立即开始滑动，产生无限制的剪切变形，这就是流动。不仅水 具有对剪切力抗阻很小的特性，其它流体也同样具有这种特性，既流动性。流体的这种 能力表示流体的另一种物理性质，既流体的粘性。 粘性就是流体阻止发生剪切变形的一种特性。当相邻质点有相对移动时，质点间所 西安科技大学硕士学位论文 产生的摩擦力，就是由于流体有粘性的结果。这种摩擦力，产生于流体内部，故称内摩 擦力。粘性存在于流体内部，即使在相对速度等于零的相对平衡情况下，粘性也存在， 但是不存在相对运动，粘性作用显示不出来。由于粘性的存在，流体在运动过程中，因 克服内摩擦力必然要做功，所以流体的粘性，也是流体中产生机械能量损失的根源。 1 粘性的表示方法及相互关系 ( 1 ) 动力粘度( 绝对粘度) 根据牛顿内摩擦定律而导出的粘度单位加动力粘度，通常以表示。其单位为 帕秒( p a s ) ，即n s m 3 。l 帕秒表示距离为1 米的两层流体，相对速度为1 米秒，在 每平方米面积上所作用的剪切摩擦力为l 牛顿时的粘度。 ( 2 )运动粘度 由于许多方程式中出现有绝对粘度与液体密度的比值，于是流体力学中就把同一温 度下的这一比值定名为运动粘度，以y 表示。即： v ：丝 p ( 3 ) 条件粘度 条件粘度：各种粘度计所测的液体粘度。它受到粘度计，测试条件， 液体的绝对 粘度，液体的重度的影响，所以只能相对的表示液体的粘性。 恩氏粘度：温度一定时，2 0 0 c m 3 的液体流过恩氏粘度计所用的时间，与2 0 等体 积的蒸馏水流过同一粘度计所需的时间之比，叫恩氏粘度，用。e 表示。 赛氏通用粘度：6 0 c m 3 被试液体，温度一定，流过孔径为0 1 7 6 c m 的赛氏粘度计所 、需的时间，叫赛氏通用粘度。 2 温度对粘度的影响 所有液体的粘度都随温度的变化而变化。因此对于每一种液体都能绘制一条粘度随 温度变化的曲线。图2 1 即通用液压介质的粘度温度曲线。 ( 四) 表面张力 液体分子间有内聚力，而液体与气体交界的自由面上，各个方向的内聚力不能达到 平衡时，将产生分子的内压力，液体在这种内压力的作用下，有使自己的体积缩小为 最小的趋势，并在接触面上形成一层膜，其上受有微小的张紧力，即表面张力。单位 面积上的表面张力称为表面张力系数，以仃表示： 。一一p 7 ) h g d “一 4c o s 臼 2 纯水的特性分析和质量控制 式中， p 一水的密度； p 一空气的密度； p 一液面与固体壁面的接触角； d 一细管内径。 表2 4 为不同温度下一些液体的表面张力系数( n m ) 图2 4 不同温度下一些液体的表面张力系数( n m ) 2 2 粘度特性分析 2 2 1 粘度与流动状态和能量损失的关系川 从图2 1 中可以看出，在常温下矿物油液压油的粘度是纯水的3 0 倍左右。 一般来说，对于相同管径，相同流速的水压管路系统和油压管路系统，如果流动状 态相同时，则它们各自在管路中单位长度的压力损失存在如下关系： 在层流状态下 瓮2 等2 丽1 在紊流状态下 对于圆管中的流动， 瓮= i v _ f f 由_ _ 水t i 4 = 4 一o 4 3 其雷诺系数为： r e ：型：一v d 有时在油压系统中的层流状态，在相同速度下，水压系统的流动可能发生变化，成 为紊流状态。 1 0 0 0 还 动 粘 度1 0 0 鲁 富 巴1 0 0 1 、 、 、 吣x 一 、 、是迤电 f 1 、 、? 矗。 、l 、 一水一厶二醉 一岛砧度暇匿油 、 、卜 、， 厶1 岳 匕 、专心、， 飞 弋 一 、l 1 记、l 一弋 ，、 、一 i 旧j 矗、7 、 、f 而万棼孔他液( 5 9 5j ， 矿物液且i 油一 一! ：? d ，、0 ， = = 、 水 2 0 02 04 06 0 8 01 0 0 1 2 01 4 01 6 0 温度( ) 图2 1 各种液压介质的粘度温度特性 例如在直径d = 0 2 0 m m 内，流体的速度均为v ：2 所s 时，由于 t , = 0 6 5 c p油= 2 0 c p p 水= 0 9 9 5 1 0 3 k g m 3 p 油= 0 8 8 1 0 3 堙m 3 计算得到： r e = 6 1 1 0 4 r e 油= 0 17 1 0 4 此时，油的流动为层流，水的流动为紊流。 它们的沿程损失系数分别为： 对于层流厂：丝 r e 对于紊流厂：尘半 r e y 4， 即得： 靠= 0 0 2 0 0厶= 0 0 3 7 6 每单位长度的流体流动摩擦损失所造成的压力损失分别为 卸水= 8 0 p a m p 油= 1 2 0 p a m 所以a p , ：一2 卸油 3 故由于流动状态的改变，水压系统的压力损失要增加。 1 4 2 纯水的特性分析和质量控制 如果为保持相同的压力损失，此时，对于层流状态下的管路，其流量为： d ：丛望 则有 赛= 等瑚 对于在紊流状态下的管路，其流量为： i75=赤242 望 0 u d 口u d 则有 u l 警：= ( 杀) 。2 5 ( 嚣 。7 5 丁西= = ：5 5 所以，纯水液压系统的流量都要大于油压系统的流量。这必然导致液体的流速增加， 元件和系统发生冲蚀和气蚀的可能性也相应增加。 2 2 2 粘度与密封润滑的关系1 4 】 通过如图2 2 所示的两平行板间隙层流的泄漏流量是： 线= 盎卸等= 等硼 为了获得相同的泄漏流量，在用水介质时就必须减少间隙高度，此时 篮：7 丛：o 3 2 1 这表明纯水液压元件的配合间隙只能是油压元件的1 3 ，水压元件的润滑薄膜厚度 也只有油压元件的1 3 。而油压元件中滑动摩擦副的配合间隙1 0 u m 左右，水压元件中 滑动摩擦副的间隙不得大于3 2 u m 。 显然，粗糙的表面会导致泄漏和磨损加剧。为了减小泄漏和避免磨损，配合表面必 须具有很高的质量。这也是纯水液压传动中必须要求精密d h - r i 拘原因，也是纯水液压和 系统成本高的缘故。 西安科技大学硕士学位论文 图2 2 平行平板间的缝隙流 2 3 质量控制 5 1 液压介质的质量对液压元件和系统的可靠性和寿命有很大影响，所以用自来水做液 压介质时，也必须对水的质量进行控制。自来水的成分不仅仅是水分子，还包括氯离子、 钙离子、镁离子等其它离子。在自来水中如果氯离子的含量超过2 0 0 m g l ，即使不锈钢 材料也会发生腐蚀破坏。同样，如果自来水的p h 值超过6 5 - - 8 的范围，材料发生腐蚀 的几率也将大大增加。镁离子和钙离子结合产生硬垢。同时自来水中的微生物和颗粒还 会降低系统效率，损坏元件。 自来水的质量主要由硬度，颗粒含量，微生物含量这几部分决定。因此，自来水的 质量控制主要是对硬度、颗粒、微生物含量进行控制。 2 3 1 硬度控制 自来水中镁、钙离子的含量决定了自来水的硬度。镁、钙离子的含量越高则硬度越 高，且容易形成水垢。因此要控制水垢的形成，就是对水的硬度进行控制。降低水的硬 度和镁，钙离子的活性降低的方法很多。 其中，可对自来水进行软化，虽然能消除水垢的形成，但是腐蚀却很严重。因为矿 物质离子