液壓橫移式加熱爐出鋼機(jī)設(shè)計(jì)含9張CAD圖,液壓,橫移式,加熱爐,出鋼機(jī),設(shè)計(jì),cad 機(jī)械工程學(xué)報(bào) 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(shí)驗(yàn)室流體傳動(dòng)及控制，大連海事大學(xué)，大連116026，中國(guó) 2 國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的流體傳動(dòng)及控制，浙江大學(xué)，杭州310027，中國(guó) 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(duì)環(huán)境的適應(yīng)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(lái)越多的關(guān)注。這種液壓換向閥在不斷地改進(jìn)著，新的純水換向閥也被設(shè)計(jì)和制造出來(lái)，本文介紹二位二通換向閥極其工作原理。該閥是一個(gè)三位二通的電液換向閥，針對(duì)嚴(yán)重泄漏和容易造成突然反向沖擊的現(xiàn)象，改進(jìn)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(shè)計(jì)好的并且主閥芯內(nèi)的先導(dǎo)閥要能夠適應(yīng)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(jì)算流體動(dòng)力學(xué)靜壓分布和氣泡圖象的渠道主要依靠閥的兩種結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明這種方法能夠有效地抑制氣穴生成，這項(xiàng)工作為降低液壓系統(tǒng)噪音和振動(dòng)提供了一些有益的參考。同時(shí)，模擬后從基礎(chǔ)上獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)的信息，靜態(tài)測(cè)試，動(dòng)態(tài)測(cè)試，壽命測(cè)試的完成，結(jié)果表明了液動(dòng)換向系統(tǒng)性能更加優(yōu)越。其壓力要少1.1MPa,切換時(shí)間少0.025s,壓力的上限也要少0.8MPa,這種閥具有良好的機(jī)動(dòng)性能，快速反應(yīng)的特點(diǎn)并且沖擊小。 關(guān)鍵詞：液壓系統(tǒng)， 換向閥， 結(jié)構(gòu)優(yōu)化， 流場(chǎng)分析 1簡(jiǎn)介 因?yàn)槠溆兄S富的傳動(dòng)媒介，環(huán)保，清潔，安全，防火等，液壓技術(shù)在流體傳動(dòng)及控制領(lǐng)域已被證明是一個(gè)重點(diǎn)，液動(dòng)換向閥，作為一個(gè)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(zhuǎn)閥或錐閥。雖然回轉(zhuǎn)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?yàn)楣畋容^大，閥體和閥座之間會(huì)相對(duì)移動(dòng)，黏度也很低。液壓系統(tǒng)泄漏的損失也會(huì)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(dǎo)致難以加工，與此同時(shí)，這很容易引起運(yùn)動(dòng)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(lái)操作它，液壓沖擊對(duì)純水換向閥更加嚴(yán)重。因此，如何減少泄漏，如何實(shí)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(dòng)態(tài)特性是問題研究的關(guān)鍵。 到目前為止，沒有研究報(bào)告純水換向閥。本文提出一系列新的純水換向閥，基于對(duì)密封形式的改變，設(shè)計(jì)合理的預(yù)緊力，優(yōu)化流道。 2 液壓換向閥的實(shí)驗(yàn)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(yàn)階段是一個(gè)兩位三通的電磁換向球閥。不同與傳統(tǒng)的液壓閥，一個(gè)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(dòng)實(shí)現(xiàn)了表面的密封。 唇形填充物安置在兩端，以實(shí)現(xiàn)無(wú)泄漏。彈簧用來(lái)補(bǔ)償摩擦力兩端的主閥芯完全地用來(lái)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(dǎo)閥 閥體 電磁閥 圖1.液壓換向閥的結(jié)構(gòu)草圖 閥的結(jié)構(gòu)原理如下：在閥口有個(gè)阻尼孔，兩個(gè)象半橋一樣的減振器，并且主要由中央孔控制連接著右側(cè)閥門的敏感腔。當(dāng)電磁鐵失去電力時(shí)，主閥閥芯在進(jìn)口壓力作用下移到右邊，水在敏感腔通過先導(dǎo)閥排出，主閥是開放著的。當(dāng)電磁鐵通電時(shí)，水的控制是靠敏感腔，主閥閥芯被壓入閥腔，閥是關(guān)閉著的。 2.1設(shè)計(jì)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(yīng)力狀態(tài)如下： 圖2 .主閥閥芯的軸向力草圖 假設(shè)主閥的進(jìn)口壓力為p,壓力損失忽略不計(jì)，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(huì)有泄漏，如果p1太高，使閥芯方向改變的力將會(huì)增加，閥芯和閥口間的擦傷將會(huì)發(fā)生。根據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，閥芯和閥口接觸的壓力最好是進(jìn)口壓力的2倍，在進(jìn)口的設(shè)計(jì)中，它要求： 2．2 阻尼孔和敏感腔的配合設(shè)計(jì) 對(duì)于換向閥的設(shè)計(jì)，它不僅需要一個(gè)方向的快速變化，但同樣會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的沖擊。每一次控制是對(duì)先導(dǎo)閥的校正，兩個(gè)減振器就象兩個(gè)半橋連接起來(lái)，于是節(jié)流閥的后面產(chǎn)生了負(fù)壓，其作用是延遲和調(diào)速。任何時(shí)間供水，敏感腔會(huì)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(jìn)出口壓差，A0是阻尼口的流動(dòng)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(dá)的特點(diǎn)是對(duì)先導(dǎo)閥的推論，當(dāng)沖擊能量太大和節(jié)流面積太小時(shí)，沖擊是相當(dāng)強(qiáng)烈的并且能夠制造更大的波-沖擊波，緩沖效果不是很好；當(dāng)沖擊能量和節(jié)流面積過大時(shí)，振動(dòng)弱，緩沖力較小，剩余速度的存在因?yàn)榫彌_可能引起假想的平衡，這種各向異性和液體混亂的流動(dòng)可以被很好的預(yù)測(cè)。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(lái)模仿沖擊后的效果。因此，在合理的設(shè)計(jì)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(yàn)，直線度必須小于30％。 3．流場(chǎng)模擬和分析 當(dāng)換向閥在設(shè)計(jì)時(shí)，它的壓力損失應(yīng)當(dāng)盡可能的少，換向閥的壓力損失通常由實(shí)驗(yàn)決定的，流體力學(xué)的發(fā)展提供了科學(xué)的方法來(lái)計(jì)算復(fù)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(jì)算優(yōu)化運(yùn)動(dòng)，流動(dòng)和結(jié)構(gòu)的液壓元件可以做到的。 3.1 結(jié)構(gòu)劃分 圖3顯示了主要的液壓通道，主閥通道是一個(gè)三維對(duì)稱結(jié)構(gòu)，三維模型用于流場(chǎng)劃分和流場(chǎng)計(jì)算的研究。 圖3. 主閥流道的結(jié)構(gòu) 流場(chǎng)的剃度區(qū)域和計(jì)算域的差別很大，為了提高計(jì)算精度和減少計(jì)算的工作量，計(jì)算域分為多個(gè)小行業(yè)。初步計(jì)算結(jié)構(gòu)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(fù)雜的流態(tài)存在，更好的組織結(jié)構(gòu)在這一領(lǐng)域和松散組織結(jié)構(gòu)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用。 3.2 數(shù)學(xué)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(yīng)力相關(guān)方程所設(shè)想的，各向異性和混亂流動(dòng)的渦流可以被很好地預(yù)測(cè)。本文利用各向異性k - ε模型模擬流態(tài)流場(chǎng)的換向閥的主閥，其計(jì)算公式的渦流動(dòng)能K和渦流耗散能量ε如下： 渦流頻率ω的計(jì)算公式是： 在那里，ui′′是在i方向波動(dòng)速度，uj′是在J方向的波動(dòng)速度， P是流體密度，μ是絕對(duì)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(zhuǎn)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(jié)果和分析 3.3.1流量特性分析 用流體軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。計(jì)算中有一些假設(shè)如下： 雷諾茲強(qiáng)調(diào)流體是不可壓縮的 ，流動(dòng)保溫，也wal1處沒有遺漏 。假設(shè)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(duì)壓力1MPa 。 圖4顯示了靜壓等值線沿軸對(duì)稱平面的流動(dòng)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(duì)稱平面的主閥流道。可以看出，流體進(jìn)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(dòng)能消失 。 圖5 . 主閥的速度矢量分布 3.3.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化與流場(chǎng)分析 根據(jù)上述分析，在噴嘴形成的主閥芯與主閥口里，因?yàn)橛邢薜慕Y(jié)構(gòu)液體將會(huì)突然彌漫或收縮。這可能會(huì)導(dǎo)致流線急劇的變化，螺旋渦流出現(xiàn)后將流體的動(dòng)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(jié)構(gòu)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(jì)算的通流部分優(yōu)化主要閥門進(jìn)行了在相同條件下。和壓力分布的軸對(duì)稱平面如圖7所示?？梢钥闯觯趪娮煸诹黧w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(jié)構(gòu)優(yōu)化。 圖7. 優(yōu)化后的等壓值 仿真計(jì)算的通流部分優(yōu)化在主要閥門相同條件下進(jìn)行。和壓力分布的軸對(duì)稱平面顯示圖?？梢钥闯觯趪娮煸诹黧w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(jié)構(gòu)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(diǎn)的主閥噴嘴附近，因此有效地抑制結(jié)構(gòu)優(yōu)化的出現(xiàn)低氣壓區(qū)流場(chǎng)。 4實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析 4.1實(shí)驗(yàn)裝置和方法 水壓換向閥設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理和仿真結(jié)果，實(shí)驗(yàn)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性閥門已經(jīng)完成。實(shí)驗(yàn)方法是指有關(guān)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8106-87類似實(shí)驗(yàn)油液壓換向閥實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，流體傳動(dòng)及控制：浙江大學(xué)，中國(guó)。如圖9顯示。 圖9.試驗(yàn)臺(tái)的水液壓元件 圖10顯示了這個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意圖。作為介質(zhì)的水具有強(qiáng)烈的腐蝕性，所有這個(gè)系統(tǒng)的組成部分是不銹鋼材料。 圖10.水壓換向閥的測(cè)試原理 1.變頻器 2 .變頻電機(jī)3 .液壓泵4.過濾器 5.溢流閥6.溫度計(jì)7 。壓力傳感器8.閥門測(cè)試9.單向節(jié)流閥10.流量計(jì) 實(shí)驗(yàn)期間，溢流閥4調(diào)節(jié)入口壓力閥進(jìn)行檢查，轉(zhuǎn)速可變頻率電機(jī)2節(jié)電力馬達(dá)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(cè)量流量計(jì) 4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果 4.2.1換向閥的流量壓差試驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)中壓力損失。溢流閥4充當(dāng)安全閥的安全壓力為18MPa 。閥門測(cè)試，然后是在它的閥芯上的方位，通過流動(dòng)。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(gè)點(diǎn)來(lái)衡量每一個(gè)點(diǎn)的排氣壓力，在此基礎(chǔ)上閥的流量壓差性能曲線是可以實(shí)現(xiàn)的。支持出口壓力閥測(cè)試9可以調(diào)整的單向節(jié)流閥8顯示了關(guān)于流量計(jì)10 ，壓力進(jìn)，出口上顯示壓力傳感器7 。比較流動(dòng)的特性。壓力之間的差異造成的仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所圖。 圖11 .qv - △ p的特性曲線 從圖可以看出，對(duì)于qv “ 15升/分，壓差進(jìn)出口之間的結(jié)果，通流部分先導(dǎo)閥，增加主要是由于流量增加;為qv = 15升/ min時(shí)，壓差進(jìn)出口之間主閥通行和緩慢上升，幾乎像一個(gè)線性的流動(dòng)增加。 此外，測(cè)試結(jié)果大于模擬結(jié)果。這是因?yàn)閴毫p失測(cè)試的總和，壓力損失的主閥和測(cè)試閥。而優(yōu)化的結(jié)果仿真計(jì)算只包括壓力損失主閥。 從比較優(yōu)化前后的主閥結(jié)構(gòu)，可以注意到，優(yōu)化壓力損失的減少主要是主閥。 應(yīng)當(dāng)注意，對(duì)于qv 30升/分的仿真結(jié)果表明，壓力損失之間的進(jìn)出口減少的流動(dòng)增加，但這種情況不會(huì)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(dòng)態(tài)特性試驗(yàn) 調(diào)整溢流閥4和單向節(jié)流閥，使進(jìn)氣壓力測(cè)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(cè)試閥門，80％是最大流量。然后充電和放電的測(cè)試閥額定電壓下的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)選動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線的測(cè)試水壓換向閥。如圖所示： 圖12 .換向閥的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線 從圖，壓力下降時(shí)間表＃ t1小于0.05秒的時(shí)間壓力增加時(shí)刻小于0.05 s.并且充電時(shí)間和放電時(shí)間幾乎是相同。方向變化快，壓力峰值△生產(chǎn)而扭轉(zhuǎn)是減少6 ％ ，扭轉(zhuǎn)沖擊較小，這表明具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。 4.2.3 換向閥的壽命周期實(shí)驗(yàn) 設(shè)置的壓力，進(jìn)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(cè)試閥100升/分，不斷充電和放電在電磁閥的測(cè)試多達(dá)l0000倍，然后檢查的主要組成部分是測(cè)試閥，不應(yīng)有任何損害和過度磨損。圖13（a）,13（b）顯示響應(yīng)曲線連續(xù)定向改變壓力為12MPa和14MPa 。這里澄清，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的閥門幾乎是一致的，方向的變化是可靠和及時(shí)的。 5 結(jié)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(dòng)態(tài)特性得到了。生活中的實(shí)驗(yàn)換向閥經(jīng)營(yíng)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(yàn)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(shè)計(jì)，為其成功的設(shè)計(jì)機(jī)器提供擔(dān)保。 （3）仿真結(jié)果表明，在主閥閥芯和閥口有壓力損失。通過閥門結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一種有效的方法，以減少被發(fā)現(xiàn)的動(dòng)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?fàn)顩r[J ] .中國(guó)機(jī)械工程. 2000年11月2 日 :1430 - 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