液壓橫移式加熱爐出鋼機設計含9張CAD圖,液壓,橫移式,加熱爐,出鋼機,設計,cad 機械工程學報 2009年22卷第一期 內(nèi)政部：10．3901／CJME．2009．01．109，可登陸網(wǎng)站www．cjmenet．com， www．cjmenet.com.cn 二位二通活塞換向閥 弓永軍，楊華勇 ,王祖溫 1實驗室流體傳動及控制，大連海事大學，大連116026，中國 2 國家重點實驗室的流體傳動及控制，浙江大學，杭州310027，中國 2008年7月13日收到；2008年11月19日修訂；2008年12月3日接受；2009年2月20日出版 摘要： 由于耐火和對環(huán)境的適應性，以水作為工作流體的液壓回路在制造業(yè)和用戶中得到了越來越多的關注。這種液壓換向閥在不斷地改進著，新的純水換向閥也被設計和制造出來，本文介紹二位二通換向閥極其工作原理。該閥是一個三位二通的電液換向閥，針對嚴重泄漏和容易造成突然反向沖擊的現(xiàn)象，改進后的液壓空間密封為直接密封，主閥閥芯和閥體間的壓緊力是原先設計好的并且主閥芯內(nèi)的先導閥要能夠適應敏感腔。從流量控制的角度看，液壓系統(tǒng)中抵抗氣穴生成的方法也在研究中。用于計算流體動力學靜壓分布和氣泡圖象的渠道主要依靠閥的兩種結構。結果表明這種方法能夠有效地抑制氣穴生成，這項工作為降低液壓系統(tǒng)噪音和振動提供了一些有益的參考。同時，模擬后從基礎上獲得的結構參數(shù)的信息，靜態(tài)測試，動態(tài)測試，壽命測試的完成，結果表明了液動換向系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。其壓力要少1.1MPa,切換時間少0.025s,壓力的上限也要少0.8MPa,這種閥具有良好的機動性能，快速反應的特點并且沖擊小。 關鍵詞：液壓系統(tǒng)， 換向閥， 結構優(yōu)化， 流場分析 1簡介 因為其有著豐富的傳動媒介，環(huán)保，清潔，安全，防火等，液壓技術在流體傳動及控制領域已被證明是一個重點，液動換向閥，作為一個重要組成部分，被廣泛地研究。 傳統(tǒng)的液壓換向閥是滑閥，回轉閥或錐閥。雖然回轉閥和滑閥上的不平衡力很小，但是使它們工作的力更小，泄漏通常更加多是因為公差比較大，閥體和閥座之間會相對移動，黏度也很低。液壓系統(tǒng)泄漏的損失也會更加的高，水液壓系統(tǒng)的損失是油液壓損失的好幾十倍。為了保持合理的低泄漏清除是很小的，這可能導致難以加工，與此同時，這很容易引起運動部件的不工作。至于錐閥，雖然泄漏較小，不平衡的軸向力存在，因此需要更大的力來操作它，液壓沖擊對純水換向閥更加嚴重。因此，如何減少泄漏，如何實現(xiàn)方向低的變化，甚至沒有液壓沖擊，以及如何提高靜態(tài)特性和動態(tài)特性是問題研究的關鍵。 到目前為止，沒有研究報告純水換向閥。本文提出一系列新的純水換向閥，基于對密封形式的改變，設計合理的預緊力，優(yōu)化流道。 2 液壓換向閥的實驗工作原理 圖1顯示的是純水換向閥，這是電液換向閥，樣品試驗階段是一個兩位三通的電磁換向球閥。不同與傳統(tǒng)的液壓閥，一個閥口添加到閥體里，閥腔大于閥體本身，主閥芯安裝到主閥腔中，并且靠閥的滑動實現(xiàn)了表面的密封。 唇形填充物安置在兩端，以實現(xiàn)無泄漏。彈簧用來補償摩擦力兩端的主閥芯完全地用來支撐套管。它是由耐磨材料組成，用這種方法磨損的問題就解決了。 閥體 閥腔 卷軸 先導閥 閥體 電磁閥 圖1.液壓換向閥的結構草圖 閥的結構原理如下：在閥口有個阻尼孔，兩個象半橋一樣的減振器，并且主要由中央孔控制連接著右側閥門的敏感腔。當電磁鐵失去電力時，主閥閥芯在進口壓力作用下移到右邊，水在敏感腔通過先導閥排出，主閥是開放著的。當電磁鐵通電時，水的控制是靠敏感腔，主閥閥芯被壓入閥腔，閥是關閉著的。 2.1設計壓緊力和主閥閥芯 主閥閥芯和閥口的接觸面是平的，它們之間必須保持一定的壓緊力才能生效（圖2）。壓緊力根據(jù)控制流體壓力的變化而變化，壓力越高，壓緊力也越高。因此，主閥閥芯和閥口間的泄漏年齡幾乎為零。主閥閥芯的應力狀態(tài)如下： 圖2 .主閥閥芯的軸向力草圖 假設主閥的進口壓力為p,壓力損失忽略不計，因此閥芯的壓緊力為 p1,我們得到： 很顯然p1是存在的，這保證了主閥閥芯壓向閥口，如果p1太小，主閥閥芯和閥口之間將會有泄漏，如果p1太高，使閥芯方向改變的力將會增加，閥芯和閥口間的擦傷將會發(fā)生。根據(jù)我們的實驗，閥芯和閥口接觸的壓力最好是進口壓力的2倍，在進口的設計中，它要求： 2．2 阻尼孔和敏感腔的配合設計 對于換向閥的設計，它不僅需要一個方向的快速變化，但同樣會產(chǎn)生細微的沖擊。每一次控制是對先導閥的校正，兩個減振器就象兩個半橋連接起來，于是節(jié)流閥的后面產(chǎn)生了負壓，其作用是延遲和調(diào)速。任何時間供水，敏感腔會有壓力和壓縮流體的遺漏。將獲得如下方程： F是外力，f是摩擦力，k是彈簧剛度，x是緩沖距離，Ps是敏感腔的壓力，Ad是主閥閥芯的面積，m是主閥閥芯的質(zhì)量，a是加速度，△p是進出口壓差，A0是阻尼口的流動面積，v是沖擊速度，qv是阻尼孔的流體，cq是流出通道的系數(shù)。 從公式（3）-（7）看，表達的特點是對先導閥的推論，當沖擊能量太大和節(jié)流面積太小時，沖擊是相當強烈的并且能夠制造更大的波-沖擊波，緩沖效果不是很好；當沖擊能量和節(jié)流面積過大時，振動弱，緩沖力較小，剩余速度的存在因為緩沖可能引起假想的平衡，這種各向異性和液體混亂的流動可以被很好的預測。困油現(xiàn)象和更大的反沖擊在這篇論文中使用了各向異性k-ε模型來模仿沖擊后的效果。因此，在合理的設計中，這需要阻尼孔符合敏感腔，以及阻尼孔需要有好的性能和直線性。根據(jù)經(jīng)驗，直線度必須小于30％。 3．流場模擬和分析 當換向閥在設計時，它的壓力損失應當盡可能的少，換向閥的壓力損失通常由實驗決定的，流體力學的發(fā)展提供了科學的方法來計算復雜流道內(nèi)的壓力損失。它被證明是一種有效的方法，利用數(shù)值計算優(yōu)化運動，流動和結構的液壓元件可以做到的。 3.1 結構劃分 圖3顯示了主要的液壓通道，主閥通道是一個三維對稱結構，三維模型用于流場劃分和流場計算的研究。 圖3. 主閥流道的結構 流場的剃度區(qū)域和計算域的差別很大，為了提高計算精度和減少計算的工作量，計算域分為多個小行業(yè)。初步計算結構的創(chuàng)建。在主閥口高速域極其附近，速度梯度是非常大的，復雜的流態(tài)存在，更好的組織結構在這一領域和松散組織結構在其他領域的應用。 3.2 數(shù)學模型 3.2.1各向異性的k - ε湍流模型 由于各向異性的K – ε模型采用雷諾應力相關方程所設想的，各向異性和混亂流動的渦流可以被很好地預測。本文利用各向異性k - ε模型模擬流態(tài)流場的換向閥的主閥，其計算公式的渦流動能K和渦流耗散能量ε如下： 渦流頻率ω的計算公式是： 在那里，ui′′是在i方向波動速度，uj′是在J方向的波動速度， P是流體密度，μ是絕對粘度。 3.2.2 氣穴模型 氣體平衡方程可以表示為： 在那里，a是氣態(tài)，aa是氣體體積百分比，Pa是氣體密度 ，i是液態(tài)流體，Pl=998.2 kg／m 3（流體密度），和l-aa是流體體積百分比，密度ρ是： Mal，由于氣穴的作用在氣態(tài)和液態(tài)之間相互的轉換，它表示為： Pv是氣體的壓力，n是單位氣泡的數(shù)量，R是氣泡半徑，它表示為： 3.3仿真結果和分析 3.3.1流量特性分析 用流體軟件進行數(shù)值計算。計算中有一些假設如下： 雷諾茲強調(diào)流體是不可壓縮的 ，流動保溫，也wal1處沒有遺漏 。假設閥口面積是4 mm.入口流量為120升/ min.出口的壓力是循環(huán)水路的壓力，其絕對壓力1MPa 。 圖4顯示了靜壓等值線沿軸對稱平面的流動通道的主閥。可以看出，噴嘴在主閥閥芯與主閥口之間。輪廓的壓力密集和壓降大，其中降低到0.7MPa 。 圖4 .壓力等值線的主閥流道（MPa） 圖5顯示了速度矢量分布軸對稱平面的主閥流道?？梢钥闯觯黧w進入腔內(nèi)后，螺旋渦流在主閥閥芯后附近形成，其中心氣壓低，螺旋渦流靠粘性摩擦使流體的動能消失 。 圖5 . 主閥的速度矢量分布 3.3.2結構優(yōu)化與流場分析 根據(jù)上述分析，在噴嘴形成的主閥芯與主閥口里，因為有限的結構液體將會突然彌漫或收縮。這可能會導致流線急劇的變化，螺旋渦流出現(xiàn)后將流體的動能抵消。所有這些都將造成巨大的壓力損失。為了提高性能，水壓定向噴嘴閥結構需要優(yōu)化。 圖6顯示了流道優(yōu)化前后的比較。為了使流線平滑，優(yōu)化閥芯就是生產(chǎn)圓弧的過渡表面，這空隙出現(xiàn)死角。 圖6 .比較流道優(yōu)化前后 仿真計算的通流部分優(yōu)化主要閥門進行了在相同條件下。和壓力分布的軸對稱平面如圖7所示?？梢钥闯?，在噴嘴在流體流入分庭，密度的壓力等值線的降低，壓力梯度降低，和壓力損失降低到0.3MPa后，結構優(yōu)化。 圖7. 優(yōu)化后的等壓值 仿真計算的通流部分優(yōu)化在主要閥門相同條件下進行。和壓力分布的軸對稱平面顯示圖?？梢钥闯?，在噴嘴在流體流入分庭，密度等值線的壓力減小，壓力梯度降低，壓力損失降低到0.3MPa后，結構優(yōu)化。 圖8 . 優(yōu)化后速度矢量分布的流道 沒有螺旋渦流的角落點的主閥噴嘴附近，因此有效地抑制結構優(yōu)化的出現(xiàn)低氣壓區(qū)流場。 4實驗及數(shù)據(jù)分析 4.1實驗裝置和方法 水壓換向閥設計是由不銹鋼材料 。其額定壓力為14兆帕，最大流量120升/分。為了證明糾正設計原理和仿真結果，實驗的靜態(tài)和動態(tài)特性閥門已經(jīng)完成。實驗方法是指有關的國家標準GB 8106-87類似實驗油液壓換向閥實驗已經(jīng)完成國家重點實驗室的測試，流體傳動及控制：浙江大學，中國。如圖9顯示。 圖9.試驗臺的水液壓元件 圖10顯示了這個實驗的示意圖。作為介質(zhì)的水具有強烈的腐蝕性，所有這個系統(tǒng)的組成部分是不銹鋼材料。 圖10.水壓換向閥的測試原理 1.變頻器 2 .變頻電機3 .液壓泵4.過濾器 5.溢流閥6.溫度計7 。壓力傳感器8.閥門測試9.單向節(jié)流閥10.流量計 實驗期間，溢流閥4調(diào)節(jié)入口壓力閥進行檢查，轉速可變頻率電機2節(jié)電力馬達的頻率-變壓器3 ，調(diào)整液壓泵1的流量 ，支持出口壓力閥門調(diào)整 單向節(jié)流閥8和測量流量計 4.2 實驗結果 4.2.1換向閥的流量壓差試驗 實驗中壓力損失。溢流閥4充當安全閥的安全壓力為18MPa 。閥門測試，然后是在它的閥芯上的方位，通過流動。為了使液體流經(jīng)閥9增加逐步從零到額定流量，調(diào)整液壓泵，并選擇幾個點來衡量每一個點的排氣壓力，在此基礎上閥的流量壓差性能曲線是可以實現(xiàn)的。支持出口壓力閥測試9可以調(diào)整的單向節(jié)流閥8顯示了關于流量計10 ，壓力進，出口上顯示壓力傳感器7 。比較流動的特性。壓力之間的差異造成的仿真和實驗結果表明所圖。 圖11 .qv - △ p的特性曲線 從圖可以看出，對于qv “ 15升/分，壓差進出口之間的結果，通流部分先導閥，增加主要是由于流量增加;為qv = 15升/ min時，壓差進出口之間主閥通行和緩慢上升，幾乎像一個線性的流動增加。 此外，測試結果大于模擬結果。這是因為壓力損失測試的總和，壓力損失的主閥和測試閥。而優(yōu)化的結果仿真計算只包括壓力損失主閥。 從比較優(yōu)化前后的主閥結構，可以注意到，優(yōu)化壓力損失的減少主要是主閥。 應當注意，對于qv 30升/分的仿真結果表明，壓力損失之間的進出口減少的流動增加，但這種情況不會出現(xiàn)，這表明有很多差異的仿真流量較小。 4.2.2換向閥的動態(tài)特性試驗 調(diào)整溢流閥4和單向節(jié)流閥，使進氣壓力測試閥9的額定壓力為14MPa ，出口的壓力P 是給予支持的壓力，大量流體流經(jīng)測試閥門，80％是最大流量。然后充電和放電的測試閥額定電壓下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選動態(tài)響應曲線的測試水壓換向閥。如圖所示： 圖12 .換向閥的動態(tài)響應曲線 從圖，壓力下降時間表＃ t1小于0.05秒的時間壓力增加時刻小于0.05 s.并且充電時間和放電時間幾乎是相同。方向變化快，壓力峰值△生產(chǎn)而扭轉是減少6 ％ ，扭轉沖擊較小，這表明具有良好的動態(tài)響應特性。 4.2.3 換向閥的壽命周期實驗 設置的壓力，進口壓力閥的變量值和出口的壓力P 。將仍然是指定的壓力和支持的液量流經(jīng)測試閥100升/分，不斷充電和放電在電磁閥的測試多達l0000倍，然后檢查的主要組成部分是測試閥，不應有任何損害和過度磨損。圖13（a）,13（b）顯示響應曲線連續(xù)定向改變壓力為12MPa和14MPa 。這里澄清，動態(tài)響應特性的閥門幾乎是一致的，方向的變化是可靠和及時的。 5 結論 （1）這一新的換向閥的壓力損失小，在額定條件下，它的速度方向變化很快，而其液壓沖擊也弱。因此，良好的動態(tài)特性得到了。生活中的實驗換向閥經(jīng)營正常，其方向是可靠的性能改變這種油液壓閥。 圖13 . 換向閥的壽命試驗曲線水壓 （2）至于泄漏，傳統(tǒng)的清理是改變定向密封。而矛盾的需求，快速的方向變化和液壓沖擊，壓力和匹配的減震器和敏感腔的設計，為其成功的設計機器提供擔保。 （3）仿真結果表明，在主閥閥芯和閥口有壓力損失。通過閥門結構優(yōu)化，一種有效的方法，以減少被發(fā)現(xiàn)的動蕩和壓力損失，并提高其性能。 參考資料 [1] 楊華勇，周華.換向閥的研究和發(fā)展狀況[J ] .中國機械工程. 2000年11月2 日 :1430 - 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