动座式节流阀阀口特性仿真与试验研究

动座式节流阀阀口特性仿真与试验研究

章伟杰

宁波埃美柯铜阀门有限公司 浙江宁波 315202

摘要:本文作者结合水的理化性质，建立二级节流的动座式节流阀计算流体力学模型，对其水力特性包括流场、压力场、气蚀、流量压差特性、液动力特性等进行研究;在此基础上，研制一种新型的动座式水液压节流阀，并利用CFD仿真软件优化阀口结构，阐述不同引流孔数量、阀芯锥角及阀芯结构对节流阀动态性能的影响，为液压控制系统设计、节流阀性能优化提供一定的参考。

关键词:水液压;二级动座式阀口;流动特征;气穴;液动力

1前言

传统液压驱动技术是以矿物油作为工作介质，即油液压驱动技术。在水下工作时，由于工作介质和环境介质的不相容性，油液压驱动技术存在严重的弊端。而水液压传动技术是直接以天然淡水或者海水代替矿物油作为工作介质的绿色液压技术。水介质的无污染、成本低、阻燃性和安全性好，以及水液压系统的动态特性好、温升小等突出优点，使得水液压技术在一些应用场合具有油压技术无法比拟的优势。在液压系统中，液压执行元件的运动速度、稳定性以及响应时间等性能，通常由液压控制元件决定，其性能优劣直接影响系统整体的工作性能。

2阀芯与阀座结构设计及液动力分析

节流阀包括带有腔体的阀芯、阀芯中杆、阀座、阀体、前端盖、后端盖等，其中阀芯、前端盖、后端盖、阀芯中杆均与阀体固定连接，阀体上有进水口和出水口与腔体相通，阀芯和阀座采用两级台阶结构，由阀座控制阀的开度。此结构继承了锥阀结构密封性好、无滞后、可调整微小流量、易加工和故障少等优点，又能减少气蚀，抑制振动、噪声，提高节流阀的工作稳定性。阀座上设置引流孔，平衡阀座两侧轴向力，有效减小阀口的湍流流动噪声和工作时的空化噪声。从源动力可以分析能不能迅速建立液动力与液压力的平衡是影响阀工作稳定性的关键性问题。此研究设置的阀座二级台阶结构上的引流孔能迅速建立液动力与液压力的平衡，减小在阀座迅速开启、关闭中所引起的液动力，有效保障节流阀工作的稳定性。

3阀口仿真

对阀口流场进行仿真研究，假设流体介质不可压缩，壁面不传热且没有滑移，忽略系统其他零件动态特性的影响;不计流体的黏性阻尼和流体质量，流体介质为纯水，密度为998.2kg/m3，黏度为1.005×10－3Pa·s;出口压力设为大气压，入口直径为20mm;由于水的汽化压力高、流速大、水力学直径小、雷诺数大等特殊性质，引入ＲNGκ－ε湍流模型(能量方程κ和耗散方程ε)和多相模型(Mixture);动座式节流阀体为中心对称结构，可将其简化为单侧平面结构，其中阀公称直径通过等效面积法简化，环形结构采用PolygonMerging(多边形合并)简化，阀出口对阀口和阀的气蚀受力影响较小，这里未做特殊处理。对动座式节流阀进行仿真分析，研究不同锥角组合的阀芯对阀口动态特征的影响、不同开度和压力对阀口的动态特征的影响，并对比分析不同情况下阀口的气蚀程度，优选出气蚀程度最小的组合。

3.1阀芯锥角的影响

阀芯锥角α1、α2分别取30°＆120°、45°＆120°、60°＆120°、90°＆120°，对动座式二级节流阀口的流速特征、q－Δp特征及阀座所受液动力Fy进行仿真。首先对相同边界条件、不同阀芯锥角组合下阀口流速特征进行讨论，进口压力设定为8MPa，开度2.5mm下，结果如图所示，结果表明:α1=45°时，一级阀口和二级阀口处的液流速度方向θ2趋向于90°，此时阀座所受的液动力最小。

图1不同阀芯锥角组合的流速特征

当阀芯采用不同锥角组合时，不同阀芯锥角组合下，阀口流量都出现流量饱和现象，相同压力差下锥角组合为45°＆120°、60°＆120°相比30°＆120°、90°＆120°有稳定的流量特征曲线，且不同锥角组合下阀口出现流量饱和的压差在14～16MPa。初步得出小开度情况下锥角组合为45°＆120°、60°＆120°时，节流阀有较好的流量特征性能。口开度在2.5和4.5mm时，不同阀芯锥角组合下，阀口流量都出现了流量饱和现象;锥角组合为45°＆120°时，阀口在中开度2.5mm下，具有稳定的q－Δp的特征曲线，在大开度4.5mm下，既符合设计要求，又有稳定的q－Δp特征曲线。

3.2阀座液动力分析

通过以上分析，综合考虑动座式节流阀阀口流量特征、气蚀特征、最小流量稳定性，阀芯锥角组合为45°＆120°时，节流阀所表现的性能最佳，以下关于液动力的研究以此组合为模型进行分析。首先设定阀芯锥角组合α1、α2为45°＆120°，阀口进口压力为8MPa，针对不同开度下阀座所受液压力进行仿真，随着开度的增大，阀座所受的液动力增大，当开度达到2mm时，液动力达到最大，随后呈减小趋势。

4试验研究

对以上分析中得出的性能最佳阀芯锥角组合α1、α2为45°＆120°进行了样机加工和试验研究以验证仿真结果。该阀除了采用耐气蚀材料外，在结构上采用二级节流的阀口机构形式。对节流阀进行压力流量特征、气蚀特征试验，在试验之前将被测节流阀两端接口分别与液压阀性能试验系统的进出口相连，打开截止阀19、26;在试验过程中，调整节流阀17的开口大小作旁路节流用，使高压水达到被试节流阀的额定流量，然后对被试节流阀进行试验研究。通过在阀前后设置流量传感器、压力传感器、温度传感器等测量各接口的流量、压力、温度，各传感器数据实时传输到数据采集系统，再由数据采集系统整合到计算机。根据试验需求搭建液压综合性能试验台系统，试验参数如下:试验介质为纯水，压力范围0～16MPa，背压0～1MPa，流量0～160L/min，阀口开度0～4.5mm，试验温度15～30℃。为了与仿真对比阀口及节流通道的气穴特征，拆解被试节流阀，阀在一定工作条件下工作2100h观察阀口处及节流通道的气蚀特征。从实物图中可以看出，二级阀口在阀口锥角组合为45°＆120°时，阀口处和节流通道处基本无气蚀现象，而在二级节流口的背面出现气蚀现象，这与仿真结果基本吻合。分析节流阀的流量变化曲线、气穴现象和液动力曲线，该动座式节流阀有良好的动态响应特征，说明二级节流的动座式阀口有一定的研究价值，为进一步研究提供了理论基础。

5结论

综上所述，动座式二级阀座阀口比一级阀芯阀口有更好的抗侵蚀、流量－压差特征。阀芯锥角组合为45°＆120°时，动座式阀口的性能最佳，设置6个节流孔和阀芯中杆机构能有效降低液动力对阀性能的影响。节流阀额定压力为14MPa，额定流量为160L/min，具有良好的压力－流量特征。在小流量状态下，节流阀流量波动比较小。仿真和试验结果表明，选择合适的阀芯锥角组合及在阀座上设置合适的引流孔、阀芯中杆机构能有效提高节流阀的性能，所研制的节流阀具有良好的静动态性能。

参考文献:

［1］杨华勇，周华．水液压技术研究新进展［J］．液压与气动，2013(2):1－6．

［2］陈晋市，刘昕晖，元万荣，等．典型液压节流阀口的动态特性［J］．西南交通大学学报，2012，47(2):325－332．

［3］弓永军．纯水液压控制阀关键技术研究［D］．杭州:浙江大学，2005．

［4］温燕杰，王新华，刘春波．水压控制阀的发展现状与展望［J］．机床与液压，2006(11):230－233．