APP下载

二级节流阀口空化特性表征研究

2015-10-29李四海袁士豪

中国机械工程 2015年16期
关键词:阀口节流阀液流

李四海 袁士豪

1.浙江省特种设备检验研究院,杭州,310020 2.浙江制氧机集团有限公司,杭州,310004

二级节流阀口空化特性表征研究

李四海1袁士豪2

1.浙江省特种设备检验研究院,杭州,3100202.浙江制氧机集团有限公司,杭州,310004

探讨了二级节流阀口空化概率的表征,并在经典空化数σ基础上提出了适用于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化指数计算式。在节流阀口空化表征基础上研究了U形和V形节流阀口的空化特性曲线,得出如下结论:U形和V形节流阀口的空化气蚀剧烈区始终集中在较小过流截面A2上,并且当阀口体积流量方向反转时节流空化特性表现出明显差异;当流体流入过流截面A1时A2截面上的空化指数要大于流体流出过流截面A1时A2截面上的空化指数,从宏观上则反映为流入截面A1时的体积流量要小于流出A1时的体积流量。

节流阀口;空化表征;特性曲线;体积流量

0 引言

高性能多路阀是工程机械、农业机械等现代化设备液压控制系统中的关键控制器件,通过多路阀来控制系统油路的通断可以实现液压执行机构的复杂复合动作,故多路阀性能的优劣会对高性能液压机械的工作性能产生较大的影响。当系统外部负载具有较大的时变性时,多路阀阀芯将处于恶劣工况,节流阀芯过大的压降将会使阀芯节流处于剧烈的空化气蚀状态,这将会对液压阀的寿命产生非常大的影响。为了尽可能地抑制节流阀口的空化气蚀现象,在实际节流阀口的设计中会较多地应用异形分压节流阀口,异形分压节流阀口具有多个分压节流截面,可以较好地分散阀口过大的节流压降[1-3]。到目前为止,应用通用流场有限元分析软件对液压阀内部流道的流场进行有限元分析的研究已经取得了不少成果[4-6]。还有学者针对液压阀、液压泵等液压元件进行了仿真加试验的研究[7]。同全周阀口节流相比,异形分压节流阀口的水力直径较大,抗阻塞性较好,且容易获得较小的稳定流量。然而到目前为止,对影响分压节流阀口节流性能的关键因素——空化现象的研究还不是很多,至于用量化手段表征空化现象的研究则更加鲜见。

本文研究了表征节流阀口空化特性的空化指数的数学表达形式,从经典空化数σ的定义出发,探讨了适合于二级节流阀口空化剧烈程度表征的空化数计算公式,并将其运用到典型二级节流阀口(U形和V形节流阀口)的空化特性分析。

1 二级节流阀口空化特性的表征

空化现象是阀口节流中最难解决的问题之一,由于阀口设计等原因,节流阀口的节流过程往往伴随着阀口剧烈的空化气蚀现象,使液压阀的使用寿命大大缩短。空化气泡的产生不仅与流体的气液分离压力pg有关,还与液体中气核的大小和数量有直接的关系。为了量化空化气泡产生的客观条件,人们提出了量纲一初生空化数的概念,以此表征不同条件下空化气泡产生的概率,经典的量纲一空化数σ定义为

(1)

式中,p∞为参考流体的绝对压力;v∞为参考流体的速度;ρ为液体密度。

其中,p∞与v∞是相对应的,即v∞为压力方向的来流速度。

显然,经典空化数σ的计算中需要知道所关注流场的压力和流体速度,而在实际中要想计算出节流阀口的节流速度是很困难的,为此要想较好地表征节流阀口的空化气蚀特性,就必须重新寻找新的空化指数计算形式,以使其适用于分压节流阀口。

一般,当某一流场存在压降Δp的时候,在该流场附近会存在一个流场压力的最小值pmin,定义该流场区域内的最小压力系数Cpmin为

(2)

从式(2)中可以看出,当该流场内的最小流体压力值pmin到达气液分离压力pg附近时,最小压力系数Cpmin在数值上与经典空化数σ相等。忽略油液的重力势能,则理想伯努利方程可以写为

(3)

式中,p2为阀口过流截面压力;v2为阀口过流截面平均速度。

此处,p∞和v∞分别为液压流道内压力和液压流道入口处平均速度。

一般液压阀流道的特征尺寸d相对于其阀芯的阀口几何尺寸k要大得多,即d≫k;又由几何关系知:液压阀流道的过流截面Ad的面积Sd与阀口过流截面Ak的节流面积Sk的比值与特征尺寸之间存在如下关系:

由此可知:液压流道的过流面积Sd与阀口过流截面节流面积Sk也满足Sd≫Sk。忽略油液可压缩性,由于体积流量qVd=qVk,且Sd≫Sk,则由此推知液压阀流道内的流速v∞与阀口节流截面的流速v2满足v∞/v2≪1。则式(3)可简化为

(4)

(5)

(6)

其中,p∞看作是节流阀口入口压力,p2为节流阀口出口压力,一般对于多路换向阀口节流,p2≫pg。从式(6)可以看出,阀口的入口压力p∞增大时,节流阀口空化指数σ减小;提高节流出口背压p2时,空化指数σ也相应减小。这与之前对空化气蚀现象的分析是吻合的,用式(6)所定义的节流阀口空化指数σ是合理的。

为适应分压节流阀口节流空化气穴指数的表征要求,可分别计算过流截面A1、A2的空化指数σ1、σ2。依据式(6),定义了分压节流阀口过流截面A1、A2上的空化指数σ1、σ2,即

(7)

其中,p1可视为节流阀口的入口压力,p2则近似认为是两个过流截面A1、A2之间区域内的平均压力,p3则视作节流阀口出口背压。

由U形节流槽和V形节流槽的节流特性可以确定在过流截面A1、A2上的节流压降分配满足下式:

(8)

其中,Cq1S1、Cq2S2为考虑了节流阀口加工工艺性的等效节流截面面积。

考虑到节流阀口各个过流截面上的节流压降与阀口总的节流压降之间的关系,并将式(7)作适当的数学形式的变化,最终得到了节流阀口空化指数的计算式:

(9)

式(9)中所有参数均可以在设计时就确定,从而为设计高性能液压阀的阀口节流形式提供了一定的理论依据。对于式中过流截面A2上的节流压降Δp2,可按照节流压降的分配原则用节流阀口总压降Δptotal表达:

(10)

将式(10)代入式(9)中,得到了依赖于外部设计参数的节流截面空化指数计算式:

(11)

一般我们要研究的空化气蚀现象往往发生在阀口压降较大的时候,为了研究节流阀口在无背压p3(即阀口压降很大)时候的空化特性,可将式(11)变化为

(12)

式(12)是在假设流体是从过流截面A1流入节流阀口的前提下得出的,当液流体积流量qV反向时,即油液从过流截面A1流出时,节流截面空化指数的计算式要修正为

(13)

其中,k也相应修正为

由式(12)和式(13)可知,对于二级节流阀口的空化特性,只需要明确设计参数就可以量化所设计的二级节流槽空化性能,从而可大大缩短节流阀口的设计周期。

2 二级节流阀口空化特性分析

由空化特性的表征公式可知,要获得节流阀口的空化特性,必须首先得到节流阀口的过流截面A1和A2的节流面积大小。

依据图1中U形和V形节流阀口的结构简图,可以得到U形和V形节流阀口节流截面的面积随着阀口开度X的变化函数S1(X)、S2(X)。

(a)U形节流阀口

(b)V形节流阀口图1 U形和V形节流阀口几何特征参数

根据图1所示,对于U形节流阀口,当节流阀口开度X

(14)

当节流阀口开度X≥R时,由图1知过流截面面积S2变成了定值,S1则继续增大,直到节流阀口全开。即

(15)

而对于V形节流阀口,阀口过流截面面积S1始终要大于S2。由于阀芯尺寸相对于V形节流阀口要大得多,因此可以将边界包络线简化成直线,则S1、S2的近似计算式为

(16)

将式(14)~式(16)代入式(12)和式(13),并代入U形节流阀口的结构参数(L=6 mm,H=2 mm,R=1 mm)和V形节流阀口的结构参数(L=6 mm,H=1 mm,θ=80°),得到了U形节流阀口和V形节流阀口在过流截面A1、A2附近的空化指数曲线。

图2 流入流出A1时U形节流阀口空化指数σ1、σ2

图2为U形节流阀口的空化特性曲线。从流入流出过流截面A1的空化指数特性曲线可以发现,在过流截面A1附近,当液流方向是流入过流截面A1时,其空化指数σ1A1i要小于液流流出过流截面A1时的空化指数σ1A1o;同理,液流方向是流入过流截面A1时,在过流截面A2上的空化指数σ2A1i要大于液流流出过流截面A1时的空化指数σ1A1o。在同样的阀口外部流场条件下,发现对于U形节流阀口,其空化气蚀剧烈的区域始终集中在过流截面A2上,但是在液流方向不同的时候,其空化的剧烈程度还是表现出了明显的不同。同样是过流截面A2,在液流流入过流截面A1的时候,其空化剧烈程度要明显高于液流流出过流截面A1时,且在流出过流截面A1的时候,在A2上不容易产生空化饱和现象,而在流入过流截面A1时,过流截面A2的空化指数σ2A1i在很小的阀口开度X时就出现空化饱和现象,即在A2上空化剧烈程度相当高。虽然在过流截面A1上,当液流流入A1时的空化指数σ1A1i要小于流出A1截面时的空化指数σ1A1o,但从总体来看,空化气蚀剧烈程度始终是流入A1截面时要大于流出A1截面时。当液流流入A1时,在很小的阀口开度X下,空化气蚀现象就迅速向过流截面A2上集中,随后A2上空化指数σ2A1i迅速达到饱和,而A1上的空化剧烈程度却迅速下降,整个阀口开度的变化过程除了在阀口开度很小的一段时间内,流入过流截面A1时的空化特性基本上体现在过流截面A2上。相对于流入过流截面A1时,液流流出过流截面A1时的空化特性的变化相对要均衡一些。在小阀口开度下,液流流出过流截面A1时,在A1过流截面会出现短暂的空化饱和现象,随着阀口开度的增大,在A1过流截面的空化剧烈程度降低,而在过流截面A1上的空化指数虽然也会上升,但其上升的速率明显远小于液流流入A1时,且在液流流出过流截面A1时U形分压节流槽发生空化饱和的概率远小于流入过流截面A1时。

为了验证关于空化气蚀的理论分析,设计了液压流量实验系统。由图3实验原理可以知道:左侧为实验节流阀口入口压力调定部分。从变量泵2泵出的液压油经过高压软管3、滤波装置4和过滤器5进入节流入口。变量泵出口处的高压软管和滤波装置可以最大限度地衰减液压油的压力波动,从而获得更加稳定的压力流量。

1.稳压阀 2.变量泵 3.高压软管 4.滤波装置 5.液流过滤器 6.流量计 7、8、9、10.压力传感器 11.背压阀图3 二级节流阀口实验原理

调定U形和V形节流阀口入口压力、出口压力分别为5 MPa、0.1 MPa和3 MPa、0.1 MPa,并设置不同的阀口开度,记录在不同阀口开度下的体积流量。

图4为U形节流阀口流量实验曲线(入口压力分别为5 MPa、3 MPa,出口压力均为0.1 MPa),由图4可知:当液流的流向相反时,其流量会出现不相等的现象。

图4 流入流出A1时U形节流阀口体积流量实验值

在图4中,给出了在不同进出口压力下的U形分压节流阀口的过流流量实验值。从该实验曲线中可以看出:在阀口开度X的中间区段,液流流出过流截面A1时的体积流量qVA1o要稍大于流入过流截面A1时的体积流量qVA1i;当处于小阀口开度X或接近阀口全开的时候,液流流入过流截面A1时的体积流量qVA1i与流出A1时的体积流量qVA1o基本上相当。这从U形节流阀口节流空化特性曲线(图2)可以得到解释:在阀口开度X较小的时候,当液流流入过流截面A1的时候,过流截面A1和A2上的空化指数σ1A1i和σ2A1o的数值都比较大,且A1、A2上的空化剧烈程度分布相对较均衡,σ1A1i和σ2A1i的数值与当液流流出A1时在截面A1上的空化指数σ1A1o非常接近,即在小阀口开度时流入、流出A1截面的液流在U形节流阀口内的空化剧烈程度相近,在抵消空化气泡影响后的实际通流截面很接近,宏观上即表现为小阀口开度时流入、流出过流截面A1的体积流量在数值上基本相等;当阀口开度接近全开的时候,流入、流出过流截面A1时的空化剧烈集中区始终在过流截面A2上,且体积流量流向相反时空化指数σ2A1i、σ2A1o基本一样,宏观表现为接近阀口全开时流入、流出截面A1的体积流量qVA1i和qVA1o基本相等;当阀口开度X处于中间区域时,流入截面A1时,空化饱和区很快就集中在过流截面A2上,此时U形节流阀口的体积流量qVA1i基本达到饱和状态,不再随着阀口开度的增大而继续增大。而当液流流出过流截面A1时,由图2可知,在过流截面A1和A2上的空化指数并没有出现很大差值,即在液流流入A1时,过流截面上的空化剧烈程度比较均衡,并没有出现明显的空化程度剧烈的集中区,且σ1A1i和σ2A1o均小于液流流入A1时的σ2A1i,从宏观角度看就表现为在阀口开度的中间区域内流入过流截面A1的体积流量qVA1i要稍小于流出过流截面A1的体积流量qVA1o。

与U形节流阀口相似,将V形节流阀口过流截面A1、A2的面积计算式(式(17))代入式(13)和式(14),得到V形节流槽空化特性曲线,如图5所示。

图5 流入流出A1时V形节流阀口空化指数σ1、σ2

从图5可以看出对于V形分压节流阀口而言,当液流流入过流截面A1的时候,在过流截面A2上的空化指数σ2A1i要大于流出截面A1时的空化指数σ2A1o;当液流流出过流截面A1时,在A1截面上的空化指数σ1A1o要明显大于液流流入A1时的空化指数σ1A1i。由图4亦可以看出对于V形节流阀口,其空化气穴的集中区域始终位于过流截面A2附近,即V形节流阀口节流性能的好坏主要取决于过流截面A2上的空化特性。

从图5的V形节流阀口体积流量实验曲线中可以发现,当液流的流向相反时,其流量与U形节流槽相似,会出现流量翻转时在同一阀口开度下流量不相等的现象。

图6 流入流出A1时V形节流阀口流量实验值

图6所示为V形节流阀口体积流量实验曲线,当节流体积流量qV流向相反的时候,其对应的体积流量qVA1o和qVA1i存在差异,并不是完全相等,且在整个阀口开度的范围流出过流截面A1的体积流量qVA1o始终要比流入过流截面A1时的体积流量qVA1i大一些,这一现象可以从V形节流阀口过流截面空化特性曲线图5中得到解释:V形节流阀口过流截面A1、A2上的空化指数为一定值,与阀口开度X无关。又由于V形分压节流阀口的空化特性主要体现在过流截面A2上,由图5可以看出,当液流流入A1截面时在A2上的空化指数σ2A1i要大于流出A1时的空化指数σ2A1o,由此可知当液流流出A1截面的时候,在空化集中区A2处的空化气蚀剧烈程度相比液流流入A1截面时要小一些。由此可以推断当液流流出A1截面时,V形节流阀口的实际等效过流截面面积Ae要比流入过流截面A1时的大一些,由阀口节流流量计算式可知液流流出过流截面A1时的体积流量要比流入过流截面A1时的体积流量大一些。

3 结论

(1)由经典空化数的定义出发,结合二级节流阀口的几何结构特点,研究了二级节流阀口节流空化特性的表征,并推导出了二级节流阀口空化指数的计算公式。(2)通过对U形和V形节流阀口空化特性的研究,发现U形和V形节流阀口的空化剧烈区始终集中在过流截面A2附近,在过流截面A2上的空化剧烈程度会对阀口节流特性产生很大的影响。(3)由U形和V形二级节流阀口的空化特性曲线可知:体积流量从过流截面A1到A2时,节流截面A2的空化指数要明显大于体积流量从过流截面A2到A1时过流截面A2上的空化指数。(4)体积流量不同流向时过流截面上空化现象剧烈程度的不同在宏观上表现为不同流向时节流阀口体积流量出现不一致。

[1]Ye Q F,Chen J P.Dynamic Analysis of a Pilot-operated Two-stage Solenoid Valve Used in Pneumatic System[J].Simulation Modeling Practice and Theory,2009,17:794-816.

[2]Dasgupta K,Karmakar R.Modeling and Dynamics of Single-stage Pressure Relief Valve with Directional Damping[J].Simulation Modeling Practice and Theory,2002,10:51-67.

[3]Choi I K,Arvind J K,Georges L,et al.Scaling of Cavitation Erosion Progression with Cavitation Intensity and Cavitation Source[J].Wear,2012,279:53-61.

[4]Jazi A M,Rahimzadeh H.Waveform Analysis of Cavitation in a Globe Valve[J].Ultrasonics,2009,49:577-582.

[5]Catania A E,Ferrari A,Spessa E.Temperature Variations in the Simulation of High-pressure Injection-system Transient Flows under Cavitation[J].International Journal of Heat and Masstransfer,2008(51):2090-2107.

[6]Li Z,Jing L,Yuan R B,et al.The CFD Analysis of Twin Flapper-nozzle Valve in Pure Water Hydraulic[J].Procedia Engineering,2012,31:220 -227.

[7]Fu X,Du X W,Zou J,et al.Simulation and Experiment of Bubbly Flow Inside Throttling Groove[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2007,20(5):37-41.

(编辑卢湘帆)

Study on Two-stage Throttle Port Cavitation Characterization

Li Sihai1Yuan Shihao2

1.Zhejiang Special Equipment Inspection Institute,Hangzhou,310020 2.Zhejiang Hangyang Group,Hangzhou,310004

The cavitation characterization of two stage throttle port was studied,and using classical cavitation definitionσ,new-form cavitation characterization index was obtained,which was applicable,to two stage throttle port.In the calculation formulae of new-form cavitation characterization index,all design parameters needed by two-stage throttle port were included.Applying the calculation formule,cavitation characterization curves of U and V throttle ports were plotted,and it is observed from the plots that whether U or V throttle port, cavitation concentration region is always around sectionA2,and that the cavitation characterization index of sectionA2when liquid flows into sectionA1is always larger than that ofA2when liquid flows out from sectionA1;the macroscopic phenomena is that flow rates of different flow directions are different, and also flow rate out of sectionA1is larger than that of flow rate into sectionA1.

throttle port;cavitation characterization;cavitation curve;flow rate of volume

2014-08-04

TH137.52DOI:10.3969/j.issn.1004-132X.2015.16.007

李四海,男,1982年生。浙江省特种设备检验研究院工程师、硕士。主要研究方向为动力机械及节能装备技术。发表论文10余篇。袁士豪,男,1983年生。浙江制氧机集团有限公司工程师、博士。

猜你喜欢

阀口节流阀液流
LW12-550型罐式断路器储气罐黄铜节流阀开裂原因分析
并联节流管汇压力调节特性及实验研究
大导流面柱塞型节流阀冲蚀规律研究*
库姆塔格沙漠东南部柽柳液流特征及其与气象因子的相关分析
节流阀的阀杆钎焊YG8结构改进
通用汽车4T65E型自动变速器油路控制过程解析(下)
通用汽车4T65E型自动变速器油路控制过程解析(上)
基础振动下直动式溢流阀的阀口泄漏分析
液流电池理论与技术——电化学阻抗谱技术原理和应用
风场配套用全球最大全钒液流电池储能系统