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活塞式液压锥阀充填泵研究

活塞式液压锥阀充填泵研究

作者：曾凯长沙矿山研究院

学位级别：硕士

随着我国环保政策的进一步加强,充填采矿法成为了矿山企业保障绿色安全高效生产的首要采矿方法,其应用为膏体泵送充填工艺以及关键泵送设备的发展提供了广泛的发展空间。目前泵送膏体发展趋势为高含固率、高粘性、细颗粒物料,为满足此... 详细信息

随着我国环保政策的进一步加强,充填采矿法成为了矿山企业保障绿色安全高效生产的首要采矿方法,其应用为膏体泵送充填工艺以及关键泵送设备的发展提供了广泛的发展空间。目前泵送膏体发展趋势为高含固率、高粘性、细颗粒物料,为满足此类物料的高效泵送需求,本文提出了一种新型活塞式液压锥阀充填泵,该充填泵具有结构简单、输送稳定性强、生命周期长、运维成本低等特点,具有良好的应用前景。文中主要完成了充填泵的性能参数分析及结构方案设计,其中涉及液压驱动系统、电气控制系统、锥阀换向机构等方面的设计,本文主要分为四个部分,具体研究内容如下:（1）通过分析充填泵设计指标及实际使用需求,提出了锥阀充填泵的总体设计要求,对其中关键零部件借助于有限元分析进行了详细设计,主要包括:锥阀及泵头阀箱的设计,设计了一种新型的分配阀结构,并对其进行了理论校核,确定设计满足工作要求。（2）基于ANSYS平台对分配阀阀隙流场及锥阀动态冲击特性进行分析,得到了分配阀锥角与阀隙流场流速之间呈负相关,锥角55度时锥阀的动态冲击响应结果突变至最小值。建立锥阀阀隙冲蚀模型,探究了颗粒质量分数、颗粒直径、锥阀角度对于锥阀磨损之间的关系。综合锥阀动态冲击特性与阀隙流场评价结果得出优化后的锥阀锥度为60度。（3）根据设计要求及工况分析,对充填泵液压系统的参数进行计算,对系统中主要液压元件选型,在AMESim软件中建立液压仿真模型,通过仿真验证了液压回路设计的可靠性。进一步分析开式系统在主缸换向时液压冲击产生的原因,提出了在高压侧并接蓄能器的方案,仿真结果验证了并接蓄能器后换向峰值压力与系统稳压基本一致。开发设计了活塞式液压锥阀充填泵控制系统,基于S7-1200PLC实现在该充填泵设备的工作控制、参数设置、故障诊断、状态检测等功能需求,设计的人机交互界面能够满足实际生产需求。（4）对所设计的锥阀充填泵进行样机试制,根据实际工况研究了空载试验、载荷试验及可靠性试验等工业试验下锥阀充填泵的工作性能,试验结果表明本文所提出的锥阀充填泵符合设计要求。综上所述,本文通过有限元分析技术对活塞式液压锥阀充填泵结构进行了优化设计,提高了设备整体性能,并对基于试制样机在实际工况下的性能试验结果进行分析,研究结果表明,所提出的活塞式液压锥阀充填泵具有可靠性、稳定性及安全性,能够满足金属矿山膏体充填设备泵送高含固率、高粘性的细颗粒物料的要求。根据本文的研究内容和所做的工作,得出以下主要成果及结论:（1）充填泵的目标设计流量为60m3/h,冲次为9次/min,冲程为2100mm,活塞直径为230mm。机械结构、电气及液压控制系统的总体设计方案满足要求。（2）利用有限元分析对泵头阀箱进行了应力应变分析,仿真结果显示最大应力为232.84MPa,最大变形量为0.4959mm。流线型阀箱设计有效改善了积料问题。（3）基于Fluent分析得到阀隙流场速度与锥角度数呈负相关最大速度为28.32m/s,锥阀锥度为60°时具有最佳耐磨性及冲击性能。（4）AMESim仿真验证了在高压侧并接蓄能器后液压冲击基本消失。（5）设计的控制系统满足工作需求,分配阀动作所需压力仅为6.5MPa。（6）样机测试结果验证了新型分配锥阀闭合时间为0.326s,满足设计要求。综上所述,本文提出的活塞式液压锥阀充填泵具备高可靠性、稳定性及安全性,能够有效满足金属矿山膏体充填设备泵送高含固率、高粘性细颗粒物料的要求。

关键词：矿山充填充填泵锥阀结构设计有限元分析

液压控制锥阀内流场的数值模拟与试验可视化研究

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机械工程学报 2002年第4期38卷 66-70页

作者：高殿荣王益群申功炘燕山大学机械工程学院秦皇岛066004 北京航空航天大学

用Galerkin有限元法对液压控制锥阀在不同的开口度、不同的阀芯结构、不同的阀座尺寸下的内流场进行数值计算，计算结果以可视的图形图像形式给出。并用DPIV技术对锥阀内流场进行试验可视化研究，试验结果与计算结果吻合。研究结果对设... 详细信息

用Galerkin有限元法对液压控制锥阀在不同的开口度、不同的阀芯结构、不同的阀座尺寸下的内流场进行数值计算，计算结果以可视的图形图像形式给出。并用DPIV技术对锥阀内流场进行试验可视化研究，试验结果与计算结果吻合。研究结果对设计低能耗、低噪声液压锥阀具有指导意义。

关键词：锥阀有限元法流场可视化数值模拟液压控制

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锥阀阀口气穴流场的数值模拟与试验研究

机械工程学报 2002年第8期38卷 27-30页

作者：高红傅新杨华勇築地徹浩浙江大学流体传动及控制国家重点实验室杭州310027 日本上智大学理工学部机械工学科

采用NNGk-ε湍流模型数值模拟了锥阀阀口的气穴流动。运用工业纤维镜与高速摄像机等组成流场可视化试验系统,多方位地观察了阀口附近的气穴现象,对其进行数字图像处理后,获得了气穴流场的分布信息,与仿真结果比较,吻合良好,表明RNGk-ε... 详细信息

采用NNGk-ε湍流模型数值模拟了锥阀阀口的气穴流动。运用工业纤维镜与高速摄像机等组成流场可视化试验系统,多方位地观察了阀口附近的气穴现象,对其进行数字图像处理后,获得了气穴流场的分布信息,与仿真结果比较,吻合良好,表明RNGk-ε湍流模型能有效地描述锥阀等液压元件的阀口气穴流动。同时采用涡流式位移传感器、激光位移器和数字应变测量仪等构成的检测系统,研究了气穴流场诱发的阀体与阀芯振动。

关键词：数值模拟试验研究锥阀气穴流场仿真流动显示液压传动

电控单体泵锥阀下游区域瞬态流场变化特性研究

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农业机械学报 2016年第5期47卷 360-365页

作者：安晓东刘兴华孙柏刚胡煦东北京理工大学机械与车辆学院北京100081

电控单体泵导通高低压油路时,锥阀区域流场十分复杂,对泄压断油特性影响比较大,为了研究电控单体泵喷油系统回油过程中锥阀下游区域瞬态流场的变化特性,利用高速摄像方法,对锥阀下游流场进行了可视化试验,提取空化泡群的边界轮廓并计算... 详细信息

电控单体泵导通高低压油路时,锥阀区域流场十分复杂,对泄压断油特性影响比较大,为了研究电控单体泵喷油系统回油过程中锥阀下游区域瞬态流场的变化特性,利用高速摄像方法,对锥阀下游流场进行了可视化试验,提取空化泡群的边界轮廓并计算其亮度,对其空化周期时间和亮度变化进行了分析,并结合Fluent软件对瞬态流场变化进行了仿真计算。结果表明:随着凸轮转速的增加,锥阀下游区域流场发生空化现象的平均空化周期时间近似呈线性减小,平均亮度逐渐增大;随着锥阀阀芯的往复运动,锥阀下游区域出现多个涡流区域,并不断变化;在怠速工况(500 r/min),平均空化周期时间和波动标准偏差最大,分别为4.5 ms和0.15。

关键词：电控单体泵锥阀瞬态流场空化泡群

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锥阀附近水力特性的三维数值模拟研究

计算力学学报 2011年第1期28卷 108-112页

作者：魏文礼李超西安理工大学水利水电学院西安710048

采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k-ε湍流模型来模拟锥阀附近的水流水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法。通过对计算的压力场以及流线的分析,指出锥阀在水力消能中的作用。数值模拟结果与试验资料的比较分析表明两者吻合较... 详细信息

采用可压缩的两相流模型,辅以Realizable k-ε湍流模型来模拟锥阀附近的水流水力特性,对于自由水面的处理采用了VOF法。通过对计算的压力场以及流线的分析,指出锥阀在水力消能中的作用。数值模拟结果与试验资料的比较分析表明两者吻合较好,从而验证了该模型在锥阀湍流模拟中的可靠性。

关键词：锥阀数值模拟消能湍流

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基于双向流固耦合的锥阀阀芯位移可靠性分析

东北大学学报（自然科学版） 2023年第5期44卷 667-673页

作者：黄贤振栾晓刚朱丽莎刘慧珍东北大学机械工程与自动化学院辽宁沈阳110819 东北大学航空动力装备振动及控制教育部重点实验室辽宁沈阳110819 肇庆学院机械与汽车工程学院广东肇庆526061

传统的阀芯位移稳定性是在系统参数确定的前提下进行的,然而,在实际生产的使用过程中,各种系统参数具有不确定性.针对此问题,建立了一个锥阀工作动态过程的有限元分析模型,采用双向流固耦合和重叠网格方法分析求解压力入口下锥阀的动态... 详细信息

传统的阀芯位移稳定性是在系统参数确定的前提下进行的,然而,在实际生产的使用过程中,各种系统参数具有不确定性.针对此问题,建立了一个锥阀工作动态过程的有限元分析模型,采用双向流固耦合和重叠网格方法分析求解压力入口下锥阀的动态响应过程.考虑参数随机性的影响,以阀芯稳定后位移是否超过许用位移量为衡量标准建立阀芯位移波动的极限状态方程,通过Monte-Carlo仿真和Kriging方法,对阀芯稳定后位移的波动情况进行了可靠性分析.研究发现,阀芯稳定位移波动范围小于理论值的19%,阀芯稳定位移的可靠度随着入口压力的增大而降低.

关键词：可靠性锥阀流固耦合 Monte-Carlo仿真 Kriging方法

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基于计算流体动力学解析的液压锥阀噪声评价

中国机械工程 2007年第22期18卷 2687-2691页

作者：刘晓红柯坚西南交通大学成都610031

结合试验结果和计算流体动力学的解析结果,研究液压锥阀的噪声评价方法。对Oshima和Ichikawa试验所用的液压锥阀进行计算流体动力学解析,得到流入和流出两种工况下,对应不同的锥面夹角时阀座上的压力分布和速度分布。对压力和速度进行... 详细信息

结合试验结果和计算流体动力学的解析结果,研究液压锥阀的噪声评价方法。对Oshima和Ichikawa试验所用的液压锥阀进行计算流体动力学解析,得到流入和流出两种工况下,对应不同的锥面夹角时阀座上的压力分布和速度分布。对压力和速度进行积分加权分析,结合前人试验所得液压锥阀噪声特性,找到一种基于压力分布和漩涡脱离回流的液压锥阀噪声特性评价方法。应用该方法对实际液压锥阀进行噪声评价,评价结果与试验结果一致,证明了该方法的可行性。

关键词：锥阀噪声压力分布漩涡脱离积分加权计算流体动力学

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低压下锥阀振荡空化的可视化试验研究

机械工程学报 2018年第20期54卷 139-144页

作者：闵为王东郑直欧培伟冀宏兰州理工大学能源与动力工程学院

锥阀是压力控制阀中常用的阀结构形式,其阀芯的轴向振荡直接影响着压力控制阀的调压精度和工作稳定性。针对先导级锥阀,运用可视化的试验方法,研究锥阀在弹簧预压缩量不变且开启压力低于2.5 MPa时的阀芯振荡过程和阀口空化现象。结果表... 详细信息

锥阀是压力控制阀中常用的阀结构形式,其阀芯的轴向振荡直接影响着压力控制阀的调压精度和工作稳定性。针对先导级锥阀,运用可视化的试验方法,研究锥阀在弹簧预压缩量不变且开启压力低于2.5 MPa时的阀芯振荡过程和阀口空化现象。结果表明,阀芯的振荡型态与流量密切相关。在流量低于2.0L/min的失稳振荡现象中,阀芯会撞击阀座,阀口处流场瞬间断流,大量气泡在阀口尾部快速溃灭,并出现明显的回弹现象;在流量高于2.6L/min的失稳振荡现象中,阀芯不会撞击阀座,阀口处出现有空化和无空化两种情况,且有空化失稳振荡时的阀芯振动和压力波动幅值明显大于无空化时;流量介于2.0～2.6 L/min时,阀芯的失稳振荡处于过渡区间,撞击阀座和不撞击阀座的现象都可能出现。

关键词：锥阀阀芯碰撞振荡空化高速摄像

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锥阀空化现象及多相流耦合强度研究

流体机械 2018年第2期46卷 29-35页

作者：张建斌冯玉林范宜霖李妍王晓钧陶国庆吴冲合肥通用机械研究院有限公司安徽合肥230031

为了研究锥阀空化条件下流体与阀芯之间的相互作用,通过结合ANSYS Fluent和System Coupling软件平台实现锥阀和流体间相互耦合的数值模拟,得到锥阀在内流和外流条件下双向流固耦合时的空化区域气体体积分数和单向、双向耦合时的阀芯0~3 ... 详细信息

为了研究锥阀空化条件下流体与阀芯之间的相互作用,通过结合ANSYS Fluent和System Coupling软件平台实现锥阀和流体间相互耦合的数值模拟,得到锥阀在内流和外流条件下双向流固耦合时的空化区域气体体积分数和单向、双向耦合时的阀芯0~3 s时段内等效应力分布云图。对比分析发现在结构突变区域空化明显,外流空化区域较大,空化程度比内流严重。在锥面上应力集中明显,最大应力集中在阀芯尖端;内流时的等效应力远大于外流时的等效应力;流固双向耦合时的等效应力大于流固单向耦合时的等效应力;流固双向耦合时的阀芯尖端的最大等效应力波动形态与气泡的波动形态有较好的一致性。

关键词：锥阀空化多相流固耦合强度