（机械电子工程专业论文）液压阀的节流温升与热形变的研究.pdf

l 一 ii-iiiiiiil。lli。ii3iizliii5ii9ill矽 t e m p e r a t u r er i s eb yt h r o t t l i n ga n dt h e r m a ld e f o r m a t i o no f h y d r a u l i cv a l v e b y c a o y o n g b e ( h e n a nu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g f l u i dm e c h a n i c s i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f l a n z h o uu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rj ih o n g m a y , 2 0 1 1 学位论文原创性声明和版权使用授权书 兰州理工大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得 的研究成果。除了文中特另j l j u 以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个 人或集体已经发表或撰写的成果作品。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。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承 担。 作者躲带趣 嗽刚年占肿日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权兰州理工大学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。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文 全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 带影 i 数 ， 日期：矽。年70 月簟p 日 日期：功1 1 年6 月i 口日 硕f 】j 学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景和意义1 1 1 1 液压技术在工程机械中的应用一l 1 1 2 液压滑阀广泛应用于液压系统：1 1 1 3 锥阀是一种常用的阀口形式3 1 1 4 阻尼孔是构成液压阻尼和液桥的主要形式之一3 1 2 国内外关于温度对液压阀影响的研究现状4 1 3 论文主要内容6 第2 章油流温升与固体热膨胀理论分析7 2 1 油流温升理论7 2 1 1 流体的粘性与温升7 2 1 2 流体热物理分析中的控制方程一8 2 1 3 流体的能量损失1o 2 2 零件热变形1 2 2 2 1 材料热物性12 2 2 2 零件热变形的影响因素1 2 2 3 本章小结1 3 第3 章液压阀内部流场的数值解析1 5 3 1 仿真模型确定15 3 1 1 非全周开口滑阀1 5 3 1 2 全周开口液压阀19 3 1 3 阻尼孔2 0 3 2 非全周开口滑阀内部流场的数值解析一2 0 3 2 1 流场仿真概述2 1 3 2 2 液压滑阀v 形节流槽流场的数值解析2 1 3 2 3 液压滑阀u 形节流槽流场的数值解析2 8 3 2 4 液压滑阀k 形节流槽流场的数值解析3 3 3 2 5 液压滑阀孔形节流槽流场的数值解析3 6 3 3 全周开口液压阀内部流场的数值解析3 7 3 3 1 全周开口液压滑阀流场的数值解析3 8 3 3 2 锥阀内部流场的数值解析3 9 3 4 阻尼孔内部流场的数值解析4 2 3 5 本章小结4 4 第4 章液压阀内部温度分布和热变形4 5 4 1 有限元分析概述4 5 液压阀的节流温升与热形变的研究 4 2 阀芯、阀体内的温度场解析4 6 4 2 1 液压滑阀v 形节流槽阀芯、阀体温度分布4 6 4 2 2 液压滑阀u 形节流槽阀芯、阀体温度分布j 一：- ：= ：4 7 4 2 3 液压滑阀k 形节流槽阀芯、阀体温度分布4 9 4 2 4 全周开口阀阀芯、阀体温度分布5 1 4 2 5 阻尼孔处温度分布5 2 4 3 阀芯、阀体受热形变5 3 4 3 1 液压滑阀v 形节流槽阀芯、阀体受热形变5 3 4 3 2 液压滑阀u 形节流槽阀芯、阀体受热形变5 4 4 3 - 3 液压滑阀k 形节流槽阀芯、阀体受热形变5 5 4 3 4 全周开口滑阀阀芯、阀体受热形变5 6 4 3 5 锥阀受热形变5 7 4 3 6 阻尼孔处受热形变5 7 4 4 本章小结5 8 总结与展望。5 9 1 总结。5 9 2 展望。6 0 参考文献。6 1 致谢。6 5 附录a 攻读硕士学位期间发表及录用学术论文6 6 附录b 科研实践6 6 硕士学位论文 摘要一 液压系统中，液压阀控制着系统中液流的压力、流量和方向，因此液压阀的性 能对整个系统的性能起着至关重要的作用。液压滑阀和锥阀是常用的两种阀结构， 由于滑阀阀芯、阀套( 或阀体) 间配合间隙较小，其在使用过程中常出现卡滞、 卡死、磨损、泄漏等问题。本文采用了理论分析和数值仿真相结合的研究方法， 针对液压阀内因节流而产生的油液和阀内温度变化所导致的阀特性的改变进行了 深入的研究，计算结果表明：节流作用使得与固体接触的油液和固体部分温度较 高，阀口形式对温升影响较大；阀芯、阀体内温度分布不均匀、不对称；阀芯、 阀体受节流温升影响局部变形较大。 主要内容如下： 第1 章，阐述了本课题研究的背景和意义；概述了国内外关于液压阀内温度场、 阀结构受热形变的研究现状和存在的问题；概括了本文的主要研究内容。 第2 章，分析了流体温升理论，对液压系统中温升的主要来源进行了讨论；讨 论了材料和零件随温度变化的变化情况。 第3 章，利用c f d 软件f l u e n t 对滑阀、锥阀、阻尼孔内流场和温度场进行了 分析，得到了阀内部压力、速度和温度随阀口形式、开口量和进出口压差变化的 分布情况。计算结果表明，阀内液流的温度分布不均匀，阀口流束与固体壁面接 近的流体区域温度较高，流束中心部位温度较低，最高温度出现在最靠近流束的 壁面区域，节流口后部出现漩涡的流体温度有所升高；这表明流体温度升高主要 是由于阀口处的高速流体与壁面及其周边低速流体摩擦产生热量和漩涡的粘性耗 散所致。 第4 章，有限元分析软件a n s y s 将第三章分析的温度边界结果加载到对应的阀 芯、阀体中，对阀芯和阀体的热变形进行有限元分析。计算结果显示：阀体和阀 芯的温度分布不均匀、不对称，阀口区域和流束在阀腔内冲击到的固体壁面有局 部高温；节流槽形状和阀口开度对阀内温度分布有较大影响，阀芯和阀体的热变 形主要表现为阀芯局部直径变大、阀体孔局部变小，变形量可达数微米，并伴有 弯曲变形现象上述变形可能导致阀芯卡紧。 最后，对本论文的研究工作和成果进行了总结，展望了下一步的研究工作。 关键词：液压阀；节流温升；热形变：数值模拟 液压阀的节流温升与热形变的研究 a b s t r a c t h y d r a u l i cv a l v ei st h ek e yc o m p o n e n t i nf l u i dt r a n s m i s s i o na n dc o n t r o l t e c h n o l o g y , w h i c hc o n t r o l st h ef l u i dp r e s s u r e ，f l o wr a t ea n df l o wd i r e c t i o n , t h u si t sp r o p e r t i e sh a v ea d e c i s i v ei n f l u e n c eo nt h ew h o l eh y d r a u l i cs y s t e m h y d r a u l i cs p o o lv a l v ea n dp o p p e t v a l v ea r et w ok i n d so ft h eb a s i cc o n f i g u r a t i o n s d u et ot h em a t c h i n gc l e a r a n c eo ft h e s p o o la n dc o v e ri ss m a l l ，t h e r ea r ep r o b l e m ss u c ha sc l a m p i n g ，a b r a s i o na n dl e a k a g e d u r i n gt h ep r o c e s so fu s i n g i nt h i st h e s i s ，t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a ls t u d ya r eu s e dt on v e s t i g a t et h ec h a n g i n go ft h ep e r f o r m a n c eo fv a l v e w h i c hc a u s e db yt h et e m p e r a t u r er i s e av i b r a t i o nr e d u c t i o nm e t h o di sp u tf o r w a r dt o s o l v et h e s ep r o b l e m s t h en u m e r i c a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f f l u i da n ds o l i dw a sn o n u n i f o r mi nt h es p o o lv a l v e t h et e m p e r a t u r eo ft h ej e tf l o w c l o s e dt ot h es o l i dw a l lw a sh i g h e r ，a n dt h et e m p e r a t u r ei nt h ec e n t e ro ft h ej e tw a s l o w e r i na d d i t i o n ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ea r el o c a t e do nt h es o l i dw a l ln e a rt ot h e o r i f i c ea n do nt h ew a l li nv a l v ec h a m b e ri m p a c t e d b yt h ej e t t h em a x i m u m d e f o r m a t i o ni ns p o o la n dv a l v eb o d yc a u s e db yt h et e m p e r a t u r er i s ec o u l dc o m eu pt o s e v e r a lm i c r o n s ，a n dt h e r ew a sa no v e r a l lb e n d i n gd e f o r m a t i o ni nt h es p o o la n dv a l v e b o d y t h e s et w ot y p e so fd e f o r m a t i o nc o u l dd i r e c t l yl e a dt ot h ep h e n o m e n o no fs p o o l c l a m p i n g t h em a i nc o n t e n to f t h i st h e s i s ： i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a n c eo ft h i st h e s i si sp r e s e n t e d t h e h i s t o r ya n dc u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s so nt e m p e r a t u r ef l u i da n ds t r u c t u r ed e f o r m a t i o no f h y d r a u l i cv a l v ea r er e v i e w e d l a s t l y , t h em a i nr e s e a r c hs u b j e c t sa r ep r e s e n t e d i nc h a p t e r2 ，t h et h e o r yo ft e m p e r a t u r er i s e i nf l u i df l o wa n dt h ei n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r et o t h es t r u c t u r ed e f o r m a t i o na r ep u tf o r w a r d a n dt h et r e n d i n go ft h e d e f o r m a t i o ni nv a l v ec a u s e db yt h et e m p e r a t u r ec h a n g ew a sd i s c u s s e d i nc h a p t e r3 ，i nd e f e r e n tp r e s s u r e ，o p e n i n ga n dv a l v ep o r t ，t h r e e d i m e n s i o n a lf l o w f i e l d ，t e m p e r a t u r ef i e l di ns p o o lv a l v e 谢t l ln o t c h e sa n dw i t h o u tn o t c h e s ，v a l v ec o n ea n d d a m p i n gh o l ew a sc a l c u l a t e db yu s i n gs o f t w a r ef l u e n ta n da n s y s ，w h i c ho b t a i n e d t h ep r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ，v e l o c i t yd i s t r i b u t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n t h er e s u l t s 坝：掌位论文 s h o w s ：1 1 l et e m p e r a t u r eo ff l u i dw a sn o n u n i f o r mi nt h es p o o lv a l v e n et e m p e r a t u r eo f t h ej e tf l o wc l o s e dt ot h es o l i dw a l lw a sh i g h e r , a n dt h et e m p e r a t u r ei nt h ec e n t e ro ft h e j e tw a sl o w e r a n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei sl o c a t e do nt h es o l i dw a l ln e a r e s tt ot h ej e l t h i ss h o w st h a tf l u i dt e m p e r a t u r er i s ei sm a i n l yc a u s e db yf r i c t i o nb e t w e e ne a c hh i g h s p e e df u i d ，l o ws p e e df l u i da n dt h ew a l l i nc h a p t e r4 ，t h r e e - d i m e n s i o n a lt e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m a ld e f o r m a t i o no ft h e s p o o la n dv a l v eb o d yw e r ea n a l y z e db ys o f t w a r ea n s y s 1 1 1 eb o u n d a r yt e m p e r a t u r eo f t h ef l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni nf l u i df i e l da n a l y s i si sa p p l i e d 鹊ap l a n el o a dt ot h e m o d e lo ft h es p o o la n dv a l v eb o d y , t h e r e b ys o l v i n gt h et h e r m a lf i e l do ft h es o l i d n l e r e s u l t s s h o w s ：t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n o nt h eb o d ya n ds p o o li su n e v e na n d a s y m m e t r i c ，a n dt h eh i g h e s tt e m p e r a t u r ei sl o c a t e do nt h es o l i dw a l ln e a rt ot h en o t c h a n do nt h ew a l li nv a l v ec h a m b e ri m p a c t e db yt h ej e t n es h a p eo fn o t c ha n do p e n i n g s o fv a l v eh a v eas u b s t a n t i a le f f e c to nt e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o ni nt h ev a l v e 硼kt h e r m a l d e f o r m a t i o no fs p o o la n dv a l v eb o d ym a i n l yr e f l e c t e do nl o c a ll a r g e rd i a m e t e ro ft h e s p o o la n dl o c a ls m a l l e rd i a m e t e ro ft h eb o d yh o l e t h em a x i m u md e f o r m a t i o nc o u l d c o m eu pt os e v e r a lm i c r o n s ，a n dt h e r ew a sa no v e r a l lb e n d i n gd e f o r m a t i o ni nt h es p o o l a n dv a l v eb o d y a sar e s u l t ，t h ed e f o r m a t i o nm a yl e a dt os p o o lc l a m p i n g a tt h ee n d ，s o m ec o n c l u s i o n si nt h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c h p r o p o s a l sa r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：v a l v e ，t e m p e r a t u r e r i s eb yt h r o t t l i n g ，t h e r m a ld e f o r m a t i o n ，n u m e r i c a l a n a l y s i s i i i 硕 ：学位论文 1 1 课题研究背景和意义 第1 章绪论 1 1 1 液压技术在工程机械中的应用 流体传动与控制技术不仅可以作为一种传动方式，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l l j 。 液压技术在现代工程机械领域中起着无可替代的巨大作用【2 】。由于液压技术具 有功率重量比大、配置灵活、动力传输和控制方便等特点，被广泛应用于各类工 程机械【3 】。工程机械作为主要的施工设备，目前9 5 以上均采用了液压传动与控制 技术。液压传动与控制技术的发展，是促进工程机械主流方向不断发展的前提条 件：在对重量有严格限制、安装空间狭窄的条件下，实现对大功率、多执行器 的集中灵活控制( 机位、远控、遥控) 。在只能以发动机作为源动力的恶劣条件下， 达到功率综合利用与限制。在相对较恶劣的外场工作环境和受油箱容积限制出 现较高油温的情况下，保证了运作的安全性、可靠性、舒适性。环境友好。液 压传动与控制技术的优劣对工程机械整机性能的影响越来越大【4 1 。液压技术不仅加 快了工程机械更新换代的速度，保证了其可持续发展，工程机械也反过来促进了 液压技术的新发剧s - 。丌。 人们对高质量、高水平、高效率的工程机械需求越来越迫切。随着我国改革 开放的进一步深入，国家越来越重视对于基础建设和基础设施的投资。据权威部 门统计，2 0 1 0 年全球工程机械销售总额1 3 l o 亿美元，其中国内占4 0 6 1 亿美元，这 无疑对国内工程机械的发展既是机遇又是挑战【引。如何有效地发挥液压技术在提高 工程机械主机的控制性能、安全性、可靠性等方面的作用，是工程机械行业和液 压行业所必需面对的课题 2 1 。 1 1 2 液压滑阀广泛应用于液压系统 液压阀液压技术中重要的基础元件【8 】。在液压系统中，液压阀控制着系统中油 液的压力、流量和方向，因此液压阀的性能对整个系统的性能起着至关重要的作 用。同时，滑阀在液压系统中的应用非常普遍( 见图1 1 ，1 2 ) ，是各类液压阀中采 用最多的一种结构形式【9 】，工程机械液压系统的操作舒适性、可靠性、安全性及节 能等特性在很大程度上取决于液压控制阀的性能。一个好的液压控制阀应该具有 优良的操作性、振动小、噪声低、控制性能优良和节能等特点，因此对滑阀进行 深入的研究，实现滑阀结构的优化设计，提高滑阀的操作性能，就显得十分必要。 滑阀分为全周开e l 型滑阀和非全周开e l 型滑阀，非全周开口型滑阀( 见图1 2 ) 在阀 围宽，容易获得小的稳定流量，故应用范围较广泛。节流口处流动状态比较复杂， 局部能量损失较大，易造成阀芯、阀体局部温升变形，造成卡阀现象。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、锥度的方向、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。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课题o m 6 。 u 形槽 图1 1多路换向阀阀芯 孔形槽 v 形槽k 形槽 v 形和u 形组合槽 图1 2 滑阀上的各种节流槽 过大的泄漏量不但会造成能量损失，同时也可能建立不了系统所需要的压力， 影响执行机构的正常工作、运动速度和执行精度【l 钔。因此探讨不同形状缝隙中有 关运动的规律，深入了解压力分布图、速度矢量图、温度分布等高线图的可视化 分析以及阀芯阀体受温度影响的变形情况，阀芯、阀套之间缝隙的泄漏量等内容， 对阀芯阀套之间间隙参数选择、间隙流道的优化设计和阀芯、阀体整体设计均具 有重要的实际意义。 液压阀卡紧是液压系统中较为常见的故障之一，严重地威胁着系统的稳定性 和安全性【1 1 j6 1 。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 压元件内的相对运动件完全卡住，不能运动，造成不能动作( 如换向阀不能换向等) 2 硕士学位论文 的现象，甚至还会危及设备及人身安全，间隙大小和阀口结构设计的不合理将严 重降低液压阀的使用寿命。而阀内节流口处的温度变化引起的变形将影响阀芯、 阀套的配合间隙，因此，对液压阀阀芯、阀体配合副受温度影响的研究具有重要 的实际意义。 1 1 3 锥阀是一种常用的阀口形式 除滑阀外，液压锥阀是液压控制技术中另一重要的基础元件，由于其密封性 好、可以实现完全断流、过流能力强、响应快、抗污染能力强、对油中杂质不敏 感、流量动态特性好等优点，获得广泛应用，特别在液压插装阀中，大都采用锥 阀结构：锥阀在工作过程中，由于其流道的复杂性和节流口的存在，液体在其内 部的流动情况非常复杂，对锥阀的性能如流体噪声、流量特性、能量利用率、控 制性能等都有较大的影响【1 7 - 1 8 1 。从液压控制元件的研究发展历程来看，长期以来， 阀体内流道的设计方面并没有充分考虑其内部的流动产生的温升现象对其性能和 稳定性的影响，或将其内部流动进行简化处理【1 9 刎。实际上，液压控制元件的精 确设计和节能降噪的控制及运动的可靠性等共性问题必须深入到元件内部流动中 去研究。流体介质在具有复杂流道组成的密闭腔内流动时会出现多种复杂的流态， 如旋涡、气穴、喷流、脉动流等，这些流态正是影响阀性能的根本原因。而从流 场的微观角度深入研究流道形状、流场流态和温升状况之间的关系，通过对流道 形状的优化可以对流场施加一定的控制，或利用、或消除某种流态，以达到减小 温度影响、优化锥阀性能的目的。 1 1 4 阻尼孔是构成液压阻尼和液桥的主要形式之一 在液压控制阀中，经常使用阻尼孔以构成液桥和阻尼，也是常见的一种阀口 形式，阻尼孔是较细的小孔，它是一种长度较短的局部阻力，液体从中流过会产 生较大的压力损失，它的过流面积可以是固定的( 固定阻尼孔) ，也可以是可调节的 ( 可变阻尼孔) ，当有油液流动时，在阻尼孔两端会形成压差。阻尼孔的直径一般较 小( 0 5 1 5 m m ) ，孔长和孔径比溯一般也不大( 1 5 8 ) ，为了使流量系数尽可能少受 油温等的影响，希望在工艺可能的情况下孔长尽可能小一些，由于孔径较小，内 部流动可能是层流，也可能是紊流。其长度和孔径对压差的建立有较大影响，而 节流作用引起的温度的变化将导致阻尼孔形状发生变化，所以，对阻尼孔处的节 流温升和由此产生的热变形进行研究，具有一定的基础性意义和实用价值。 本文以减少液压阀卡阀为目标，对典型液压滑阀和锥阀结构受节流温升的影 响进行了深入的研究，并对阻尼孔受节流温升的影响进行了分析，为液压滑阀、 锥阀和阻尼孔的设计和开发提供新的思路和方法。因此，本研究具有重要的基础 性意义。 液压阀的节流温升与热形变的研究 1 2 国内外关于温度对液压阀影响的研究现状 目前液压工业已成为全球性的工业【3 】，液压技术和计算机控制技术的不断发展 进步，为液压传动技术赋予了完美的特性与巨大的生命力。近1 0 年来，挖掘机、 装载机、沥青摊铺机、混凝土泵车、混凝土搅拌运送车、振动压路机等建筑机械 得到了迅猛发展。 。 我国实施改革开放政策以来，液压件行业先后引进了4 0 多项国外先进技术， 累计投入1 6 亿多元用于技术改造，使我国液压件，特别是工程机械的液压件技术 质量水平及可靠性有了较大的提高，“九五”以来，国内液压行业在引进国外先进技 术基础上，研制开发成功的新产品达4 0 0 余种【6 l ，大大提高了对主机的配套能力。 但国内对工程机械液压技术的研究仍尚处于起步发展阶段，还未形成比较完 善的设计理论及方法。对于一些高精度的核心元件还主要依赖进口。 国外先进的工程机械液压技术主要集中在企业，由于各个企业间的相互竞争， 都将其核心技术保护而不对外公开，所以相关的理论和参考文献很少见。只能从 其各个公司的产品样本【4 4 4 6 1 和一些公开发表的论文【4 7 巧5 】中了解国外液压产品的大 致结构和发展趋势等。 目前，国内有关工程机械液压阀比较系统的设计理论及方法的文献和资料很 少。只有液压专业的部分教科书对工业液压系统中的液压阀的设计理论做了较全 面的介绍，里面涉及到了一些有关液压阀的设计理论及典型结构，但其内容上也 没有形成完整的液压阀的设计理论。 虽然国内有关工程机械液压阀设计理论的研究较少，但国内仍有一些学者对 液压阀在工程机械上的应用做了不少的研究【1 1 。3 9 1 。如： 太原理工大学的赵艳平【1 2 】分析了圆柱滑阀副中产生液压卡紧力的边界条件， 并提出了在阀芯中开震颤信号等措施解决阀卡紧现象；许贤良等1 2 3 】对阀内流道布 置对液动力的影响进行了分析，对液压阀阀道中的三维流体流动进行了数值分析， 对阀腔内速度场进行了p 测量。 刘晓红【2 4 彩】针对液压滑阀在使用过程中因节流温升而发生的阀芯卡死现象， 建立了二维c f d 模型。对不同工作压力、径向间隙以及不同开口量的间隙内温度 分布进行了数值解析，得到了在对应情况下径向间隙内的温度分布，并对仿真结 果进行了分析，得出了工作压力、开口大小和径向间隙对径向间隙内的温度分布 的影响，为液压滑阀设计提供了一定的理论参考。 高红1 2 6 j 针对平衡阀内气穴流动，采用平衡阀的半剖模型，运用流动可视化装 置实验观察了平衡阀内的阀口气穴发生状态。并将r n gk - 湍流模型与多相流技术 相结合，应用于平筏阀阀口气穴流场的数值模拟。计算了二维对称的气穴流场内 的压力、速度及气体体积比等的分布，获得了流场内的气穴分布信息，与实验结 果吻合良好，表明r n gk - 湍流模型能够有效地描述平衡阀等液压元件内部阀口的 4 硕士学位论文 气穴流动情况。 浙江大学的路甬祥、西安交通大学曹秉刚、北京航空航天大学付永领等 2 8 - 3 0 | 国内学者在液压阀的液动力方面进行了理论分析、流场仿真及试验研究。 浙江大学冀宏博士【3 l 。3 4 】在对液压阀芯节流槽气穴噪声特性的研究中，分析了 典型节流槽的结构特征，对节流槽节流面积计算进行了探讨，提出了非全周开口 滑阀流量特性中的“流量回环”现象。发现液流进出节流槽的方向不同，稳态液动力 大小和方向均有变化。流入节流槽方向时液动力较小，在阀口开度的中间区段， 液动力使阀口趋于开启，在小开口和接近全开口时，液动力使阀口趋于关闭。 兰州理工大学王东升【3 5 。3 6 1 等人对不同节流槽型阀口面积进行了理论推导，对 节流槽滑阀阀口流量系数及稳态液动力进行了计算，对于节流槽滑阀的数字化设 计和精确性能预测具有重要的学术和实用价值。 浙江大学航空航天学院李松【3 7 】对u 形和v 形两种节流口的节流阀油流温升及 阀芯变形进行了研究，基于c f d 模拟得到的温度场，采用f e a 方法，对u 形和v 形 节流阀阀芯变形进行了模拟，首次采用了c f d 和f e a 结合的方法，也为相关领域的 研究提供了参考。 国外少数学者对阀内流体流动分析、流动显示、液动力的实测及补偿进行了 研究【4 7 巧1 1 。 d e lv e s c o v a 【4 7 】基于f l u e n t 软件对液压换向阀内的流动分别进行了二维轴对 称和三维的数值模拟，并对换向阀的液动力进行了分析。三维模拟结果证明环流 引起的压力损失不可忽略，故二维轴对称数值模拟不可靠。此后，d e lv e s c o v a 4 8 1 利用f l u e n t 对换向滑阀进行了3 种非定常模拟。第一种是在滑阀阀芯移动，边界 条件设定为固定压力情况下的数值模拟；第二种是滑阀开度固定，进口压力为波 动压力的数值模拟；第三种则是在阀启动时，进口设为阻尼波动压力的数值模拟， 以此评价定常流动在滑阀数值模拟中的适用范围。 l u g o w s k y t 4 9 1 通过实验发现，阀内轴向液动力不仅受阀口形式的影响，还受阀 芯的几何形状及附壁效应等因素的影响。b o r g h i 5 0 】测量并记录了多种不同典型节流 阀在不同阀口开度下的质量流量、压降、液动力等数据。分析数据显示出阀口形 状对流量特性、射流角等的影响。 然而，随着液压系统向着高压、大流量方向的发展，对液压阀的性能提出了 更高的要求，在高压和温度变化较大的情况下，液压阀的优化设计也显得迫在眉 睫，在压差较大情况下，液压阀结构受节流温升影响较大。因此，相对于传统液 压阀的设计方法，采用更加科学、有效的设计方法是必要的。随着计算机技术的 高速发展，出现了以c a d c a e 、c f d 等技术手段为依托的设计方法，它们正逐步 取代传统的设计方法。 5 6 硕十学位论文 第2 章油流温升与固体热膨胀理论分析 2 1 油流温升理论 2 1 1 流体的粘性与温升 粘性是流体的重要特性，流体的运动规律与粘性密切相关，它是流体运 动过程中产生阻力和能量损失的主要原因之一【5 6 。自然界中的实际流体都具 有粘性，流体由大量分子组成，当相邻两层流体作相对滑动或剪切变形时， 由于流体分子问的相互作用，会在相反方向上产生阻止流体相对滑动或剪切 变形的剪应力，称为粘性应力【5 7 1 。而且，由于粘性作用，流体会黏附于它所 接触的固体表面，与贴近固体表面的运动流体产生相对运动，实验证明，粘 性应力同粘性系数和相对滑动速度有关。流体单位面积上的摩擦阻力称为摩 擦应力，亦称切向应力，用公式表示为【5 6 】： f = 华 ( 2 1 ) 口1 ， 该式称为牛顿内摩擦定律，它表示作用在流体层间的切向应力的大小与 速度梯度成正比，其比例系数为流体的动力黏度。同样的流体，速度梯度大 时，切向应力大；反之，切向应力小，速度梯度为零时，切向应力为零，流 体以相同的速度运动或处于静止状态时，切向应力为零，也可以说是流体的 粘性没有表现出来。速度梯度表示流动运动速度在其法线上的变化率，也可 以说是流体微团的角变形速度。 流体的粘度有动力粘度p 和运动黏度v ，运动黏度为动力黏度与流体密度的比 值，运动黏度为动力黏度的大小与流体的种类及温度和压强有关。一般情况下， 压强对流体的黏度影响较小，可以忽略不计，只考虑温度的影响。液体的黏度随 温度的升高而降低，构成液体黏度的主要因素取决于分子间的吸引力，当温度升 高时，分子间吸引力将减小，所以黏度下降。但在高压作用下，液体黏度将随着 压强升高而增大，如在1 0 5 个工程大气压下，水黏度可以增大到在一个工程大气压 下黏度的两倍 5 6 , 5 7 j 。 在液压油的物理特性中，对液压装置性能影响最大的足黏度。黏度高，则液 压油组成分子之间的内摩擦增大，这对液压元件的密封性和润滑性固然有利，但 同时也会造成因内摩擦引起的发热和因流动阻力而引起的压力损失和功率损失； 由于流体中存在着粘性，流体的一部分机械能将不可逆地转化为热能，并使流体 流动出现许多复杂现象，例如边界层效应、摩阻效应、非牛顿流动效应等【5 8 】。有 些流体粘性很小，例如水、空气，液压油粘性很大，它在流动中产生的能量损失 7 乱无章、涡体旋转、相互掺混的现象，规律性不明显，一般说来，湍流是普遍存 在的，而层流则是属于个别情况f 5 9 1 。在一定的条件下，层流和紊流可以相互转化， 随着流速的增加，层流将慢慢失去其稳定性，出现一定的波动，当速度继续增加， 层流将转变为紊流状态。从试验的角度来讲，层流流动就是指流体流动的层与层 之间相互没有任何相互干扰，层与层之间流动既没有质量的传递，也没有动量的 传递；而湍流流动中层与层之间的流动相互有所干扰，而且相互干扰的力度还会 随着流动的加剧而增大，层与层之间既存在质量的传递又存在动量和能量的传递 【5 6 】 0 判断流体流动状态的重要参数为雷诺数，其值是否大于临界雷诺数r e e d ，是 判定其状态的标准，雷诺数可用下式表示： r e ：鲨 ( ，2 - 2 ) d 其中： v _ 流体平均流速 d 水力直径 v _ 流体运动黏度 对于圆管内的流体流动，当r e _ _ 8 0 0 0 1 2 0 0 0 时， 一定为湍流；当2 3 0 0 r e 8 0 0 0 时，流动处于层流与湍流间的过渡区【5 7 1 。对于本文 所研究对象，根据式2 2 计算可得，节流口区域的流动雷诺值远大于临界雷诺数， 为紊流状态。 由此可知，紊流是雷诺数远大于临晃雷诺数的一种流动状态，其运动特征主 要可归纳为：随机性、涡旋性、扩散性和耗散性。紊流的涡旋性、耗散性将产生 较大的能量损失，紊流的扩散性使流体更有效地将能量、动量、温度等向各个方 向扩散、传送，紊流是三维有涡流动，且伴随着涡的强烈的脉动，通过涡量场的 拉伸变形，形成不同大小的涡旋，而这些涡旋在紊流中均要在流动中取得能量， 能量由大尺度的漩涡向小尺度的传递，最后聚集在小尺度的漩涡之中，最终通过 流体的粘性耗散掉【6 0 1 。耗散掉的能量将转换为流体的内能，最终表现出使流体温 8 硕士学位论文 度升高。 流体流动所遵循的物理定律是建立流体运动基本控制方程组的依据。这些定 律主要包括：质量守恒、动量守恒、动量矩守恒、能量守恒、热力学第二定律， 及状态方程和本构方程。在实际计算时还要考虑不同的流态，如层流与湍流。流 动若是湍流，系统还要遵守附加的湍流输运方程。如果流动包含不同成分( 组元) 的混合或相互作用，系统还要遵守组分守恒定律。热物理过程控制微分方程就是 这些守恒定律的数学描述。 ( 1 ) 连续性方程 连续性方程是质量守恒定律在流体力学中的反映，即同一流体的质量在运动 过程中不发生变化。， 等+ v 仁) = 0 ( 2 3 ) a v7 、7 其中v 为哈密顿算子。 ( 2 ) 动量方程( n s 方