液压阀稳态流场分析及液动力补偿研究

作     者：丁馨铠 

作者单位：齐鲁工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李瑞川

授予年度：2023年

学科分类：080704[工学-流体机械及工程] 08[工学] 080401[工学-精密仪器及机械] 0807[工学-动力工程及工程热物理] 0804[工学-仪器科学与技术] 

主      题：液压阀 稳态流场 液动力 优化分析 

摘      要：液压阀作为液压系统的重要控制元件,其工作性能对液压系统的稳定性、精准性和可靠性有着重要影响。探究阀内流体流速和压力等参数随工作条件的变化规律进而探究阀内流场分布规律对合理设计阀芯、阀体及流道结构以提高液压阀的综合性能具有重要意义。液压阀在工作过程中几乎时时刻刻都在承受液动力的干扰,液动力过大会使得阀芯运动受阻、动作不精准甚至出现阀芯启闭失效、抖动和失控等现象,因此探究液动力的作用形式和影响因素以及合理补偿液动力对提高液压阀的稳定性、精准性具有重要意义。本文利用CFD技术分析了液压阀在不同开度条件、不同压差条件和不同环形腔直径比条件下的稳态流场分布规律。通过分析液压阀在不同开度条件下的稳态流场发现,节流出口处的射流角与开度成反比关系,当射流角较小时会在出口外侧壁面处产生较大的漩涡,节流出口处的压力分界面与水平面的夹角随着开度的增大而逐渐减小。通过分析液压阀在不同压差条件下的稳态流场发现,阀内流体速度、压力以及压力分界面的分布形式基本不受压差的影响,但相同位置处的压力和速度的数值与差压成正比关系,流体最大速度与压差成非线性关系,流体最大压力与压差近似成线性关系。通过分析液压阀在不同环形腔直径比条件下的稳态流场发现,环形腔直径比越大,环形腔内流体流速越大,压力越小,且腔内漩涡越不明显。详细推导了常见的U形节流槽和三角形节流槽节流面积计算公式,基于Matlab/Simulink分别建立了两种节流槽节流面积的计算模型,研究了节流槽结构参数对节流面积的影响规律,分析了节流槽在不同开度条件和不同压差条件下的稳态流场分布规律。分析了液压阀液动力产生的原因,并详细推导了液压阀稳态液动力和瞬态液动力的计算公式,指出了影响液动力的关键因素。基于液动力产生机理,提出了一种导流槽结构用以补偿液压阀液动力。通过对比两种阀在不同开度条件及不同压差条件下的稳态流场发现,导流槽可有效增大节流出口处射流角。通过对比两种阀在不同开度条件及不同压差条件下的液动力发现,两种阀的液动力均随着开度的增大而增大,且压差越大,液动力随开度变化越明显,两种阀的液动力均随着压差的增大而增大,且开度越大,液动力随压差变化越明显。分析了导流槽结构参数对液动力补偿特性的影响,以液动力最小为优化目标对导流槽结构进行了优化分析。拟合出了液动力与导流槽结构参数的多项式回归模型,分析了各参数的单因子响应和交互因子响应,探究了各参数与响应之间的关系。建立了各参数与液动力的响应曲面,通过对曲面图和等高线图的分析,进一步探究了各因子对液动力的影响比重,得到了以液动力数值最小为目标的导流槽结构参数最优解,通过试验验证了导流槽结构对液动力补偿的有效性,并分析了液动力补偿稳定性特性。