直动式海水液压溢流阀的设计与仿真_刘银水
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示 .为了简化分析 , 只取了海水和普通抗磨液压油 2 种介质 .从仿真结果可以看出 , 该阀在海水介质 中具有更好的动态性能 , 阀的响应时间短 , 超调量 小 , 表明该阀对海水介质有比较好的针对性和适 应性 .
很小 , 从另一方面说明 , 该溢流阀的阻尼设计在一 定程度上可以缓解抵消质量变化带来的不稳定性 的影响 , 提高的阀的稳定性 ;当质量取值过大时 , 仿真结果发散 , 即失去了稳定性 . 4 .3 阻尼杆与阻尼套配合间隙的影响
b .增设阻尼器减小阀的冲击振动 .图 1 中阻
尼杆和阻尼套之间形成阻尼腔 , 通过调节阻尼杆 和阻尼套的配合间隙 和配合长度调 整阻尼的大 小 .为了便于加工制造和装配 , 阻尼杆在中部截 断 , 分为前端和后端 2 部分 .
c .阻尼杆和阀芯的接触面采用了球面结构 , 有利于运动过程中阻尼杆的自动对心 , 有效避免 卡紧等现象 .
a.强腐蚀性 .海水是一种腐蚀性非常强的介 质, 会引起化学腐蚀和腐蚀磨损 , 使材料强度降 低 , 这给海水液压溢流阀零件的材料选配提出了 很高的要求[ 5 , 6] .
b .气蚀与拉丝 .海水的汽化 压力高 , 加之溢 流阀口压差大 , 水流速度高 , 水压阀很容易产生气 蚀 .另外 , 高速水流流过节流口时 , 会对阀芯与阀 座产生严重的冲刷作用 , 长期冲刷会在其上面造 成一道道沟痕 , 即形成拉丝侵蚀[ 7] .
c .阀口流量连续性方程 Δq = q +A﹒x +Vp﹒ / β,
式中 :Δq 为溢流阀的输入流量 ;V 为泵出口至溢 流阀阀口的管路容积 ;β 为介质体积弹性模量 .
d .阻尼腔流量方程 q1 =πd1 δ31 p1 /(12μl 1); q2 =πd2 δ32 p1 /(12μl 2),
第9期
2 结构设计
针对上述关键技术问题 , 设计了一 种如图 1 所示的适用于海水介质的直动式溢流阀 , 其额定 压力为 14 MP a , 额定流量为 25 L/ min .该阀在结 构上具有以下特点 .
图 1 直动式海水溢流阀结构原理图
a.采用平板阀口形式 .在相 同通径 、开度和 阀口压差条件下 , 平板阀的通流能力大于锥阀 , 即 在相同阀口压差条件下通过相同流量时 , 平板阀 开度比锥阀小 , 从而提高了阀的调压精度 .
Design and simulation of a seawater hydraulic relief valve
Li u Y i nshui M ao X uyao Wu De f a Y ang Shudong
(College o f M echanical Science and Eng ineering , H uazhong U niversity o f Science and Technolo gy , W uhan 430074 , China)
当 δ取不同的值时 , 溢流阀的 p-t 曲线如图 4 所示 .仿真结果表明 , δ的取值对阀的动态特性影 响比较明显 .若 δ取值偏小 , 则阻尼 腔阻尼作用 大 , 阀响应慢 , 且会出现瞬时冲击 , 超调量大 ;若 δ 取值偏大 , 则阻尼腔作用不明显 , 动态性能欠佳 , 易出现振荡 , 稳定时间长 .进一步仿真结果表明 , 当 δ取值为 2 .0 ×10 -5 ～ 3 .0 ×10-5 m 时 , 溢流阀 的动态响应曲线较为理想 .这也从另一个方面解 释了图 2 中对于同样结构的阀 , 用油作介质时的 超调量和响应时间大于用水作介质时超调量和响 应时间 , 因为油的粘度大于水 , 其作用原理相当于 减小了 δ, 从而增大了阀的阻尼 .
直动式海水液压溢流阀的设计与仿真
刘银水 毛旭耀 吴德发 杨曙东 (华中科技大学 机械科学与工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘要 :针对海水液压介质的特点 , 对直动式海水液压溢流阀 的关键技 术问题进 行了分 析 , 设计了一 种直动 式 水压溢流阀 .该阀的额定压力为 14 M Pa , 额定流量为 25 L/ min .通过采 用平板式阀口 、增设阻尼器 、阻尼 杆与 阀芯接触处设置球面结构 , 在阀芯柱面上开直槽 以及合适的选材等 方面提出 了解决气蚀 、振动 和调压精 度等 问题的措施 , 建立了该阀的数学模型 , 在仿真分析的基础上 , 得到阀的主要结构参数即介质 、运动质量 、阻尼以 及管路容积对阀动态响应特性的影响 .仿真结果 表明该阀具有较好的动静态性能 . 关 键 词 :海水液压 ;溢流阀 ;直动 ;阻尼 ;数值仿真 中图分类号 :T H137 文献标志码 :A 文章编号 :1671-4512(2010)09-0125-04
流阀应用于海水液压中所面临的关键技术问题进 行了简要分析 , 设计了一种直动式海水液压溢流 阀 , 对该阀的动态性能进行了仿真分析 , 优化后的 阀在海水液压水下作业工具系统中取得了成功的 应用 .
1 关键技术
与油压ห้องสมุดไป่ตู้动相比 , 以海水作为工作介质的海
收稿日期 :2010-02-26 . 作者简介 :刘银水(1973-), 男 , 教授 ;杨曙东(通信作者), 教授 , E-mail:yang sd @public.wh .hb .cn . 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50975101);国家高技术研 究发展计划 专项经费 资助项目 ;921 工程资 助
DOI :10 .13245 /j .hust .2010 .09 .002
第38卷 第9期
华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版)
2010年 9月
J.H uazhong U niv .of Sci.& Tech .(N atural Science Edition)
Vo l.38 No .9 Se p. 2010
b .阀心运动微分方程 m¨x +(B1 +B2 )﹒x +k(x +x0 )= pA +p1 (A1 -A2 )-πcqcvd x p ,
式中 :p1 为阻尼腔压力 ;A , A1 和 A2 分别为溢流 阀口通流面积和阻尼杆后端有效作用面积和阻尼 杆前端截面积 ;cv 为阀口速度 系数 ;m 为运动部 分质量 , 主要包括阀心质量 、阻尼杆质量和约 1/3 调压弹簧质量 ;B1 和 B2 分别为阻尼杆后端和阻 尼杆前端运动的阻尼系数 , Bi =πμdil i / δi (i =1 , 2), 其中 di 和 l i 分别为阻尼杆后端和前端的直径 及其与阀套的有效接触长度 , μ为介质的动力粘 度系数 , δ为阻尼杆与阀套配合的间隙 ;k 为调压 弹簧的刚度系数 ;x0 为弹簧的预压缩量 .
Abstract :A seaw ater direct-acti ng relief v al ve , w ho se rated pressure i s 14 M Pa and rated f low is 25 L/ min w as designed , aft er the key problem s of seaw ater direct-acting valve w ere analy zed .T he cavi tat io ns ero sion , vibration and low er pressure precision etc .w ere so lved by ado pt ing f lat v alue po rt , adding a damper , set ti ng a sphere betw een the damping bar and the spoo l value , layi ng 4 straight channels alo ng the cy lindrical surf ace o f spoo l v alue and sui table m aterial .T he mat hemat ic m odel of the v alve was establi shed and numerical sim ula tion w as done .T hen , the influences of so me m ajo r st ruct ural parame ters such as the medium , mo ving mass , damping and v olume of pi pes o n t he dy namic perf ormance o f t he v alve were obt ai ned .T he simulatio n result s show that t he valve has g ood dy namic and stati c characte ri stics . Key words:seaw ater hy draulics ;relief valve ;direct-acting ;dam ping ;numerical simulatio n
刘银水等 :直动式海水液压溢流阀的 设计与仿真
· 127 ·
式中 :q1 为阻尼杆后端间隙流量 ;q2 为阻尼杆前 端间隙流量 .
e .阻尼腔流量连续性方程 q1 +q2 +(A1 -A2)﹒x =-V0 ﹒p1/ β ,
式中 V0 为阻尼腔容积 .
4 仿真分析
4 .1 流体介质的影响 取不同 介质时溢 流阀的 p-t 曲线 如图 2 所
为了简化分析处理 , 建立特性方程时做以下 假设 :阀芯运动时不考虑摩擦力和瞬态液动力 ;忽 略阀内部的泄漏和流体质量的影响 ;溢流阀的出 口压力为零 .在上述假定条件下 , 海水液压溢流阀 的动态特性方程可用如下方程表示[ 8 , 9] .
a .阀 口流 量方 程
q =cqπdx 2p/ ρ, 式中 :q 为阀入口流量 ;cq 为阀口流量系数 ;d 为 阀口直径 ;x 为阀口开度 ;p 为阀入口压力 ;ρ为流 体介质密度 .
c .调压精度 .由于调节压力与弹簧刚度 、开 口大小有关 , 而弹簧刚度一般设计得较大 , 因此阀 的调压精度对阀口开度的变化比较敏感 , 亦即阀 的调整压力受阀的开度变化影响较大 , 需要从结 构上采取措施提高其调压精度 .
d .振动与 冲击 .液压系 统一般 都是欠 阻尼 的 , 而海水的密度比油大 , 压缩性和粘度比油小 , 因此其振动和冲击问题更突出 , 除了从系统的角 度来减小之外 , 还需要从元件的结构设计等方面 采取措施 .
目前在淡水 液压溢流阀方 面 , 丹麦 Danf oss 公司 、德国 Hauhi nco 公司 、日本 Kayaba 公司 、芬 兰 H Y T A R O Y 公司等均有产品供应市场[ 1] .国 内华中科技大学 、浙江大学等也研制出了水压溢 流阀[ 2] .在海水液压溢流阀方面 , 国内还没有成熟 的产品供应市场 .与先导式溢流阀相比 , 直动式溢 流阀结构简单 、工作稳定可靠 、密封控制容易 、泄 漏量小 , 这些特点使得其在以海水为工作介质时 具有 突出的优势[ 3 , 4] .本 文对直动式海水液压溢
d .平板阀阀芯圆柱面上开了 4 个半圆柱直 槽 .导向圆柱面及上面的槽可以减小阀芯开启后 的侧向摆动以及由此产生的振动 .
零部件采用耐蚀合金和工程塑料 , 即阀芯材 料为 17-4PH , 阀套材料为 PEEK , 阀体 316L , 弹 簧则采用了 3J1(Ni36Cr TiA l).
3 数学模型
项目 .
· 126 ·
华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)
第 38 卷
水液压传动具有价格低廉 、资源丰富 、阻燃性好 、 安全性高 、压缩系数小 、泄漏时不会产生污染等优 点 , 但海水的强腐蚀性 、低粘度和高汽化压力等也 给海水液压元件的研制带来了一系列的挑战 , 就 海水液压直动式溢流阀而言 , 其关键技术问题主 要有以下几个方面 .
很小 , 从另一方面说明 , 该溢流阀的阻尼设计在一 定程度上可以缓解抵消质量变化带来的不稳定性 的影响 , 提高的阀的稳定性 ;当质量取值过大时 , 仿真结果发散 , 即失去了稳定性 . 4 .3 阻尼杆与阻尼套配合间隙的影响
b .增设阻尼器减小阀的冲击振动 .图 1 中阻
尼杆和阻尼套之间形成阻尼腔 , 通过调节阻尼杆 和阻尼套的配合间隙 和配合长度调 整阻尼的大 小 .为了便于加工制造和装配 , 阻尼杆在中部截 断 , 分为前端和后端 2 部分 .
c .阻尼杆和阀芯的接触面采用了球面结构 , 有利于运动过程中阻尼杆的自动对心 , 有效避免 卡紧等现象 .
a.强腐蚀性 .海水是一种腐蚀性非常强的介 质, 会引起化学腐蚀和腐蚀磨损 , 使材料强度降 低 , 这给海水液压溢流阀零件的材料选配提出了 很高的要求[ 5 , 6] .
b .气蚀与拉丝 .海水的汽化 压力高 , 加之溢 流阀口压差大 , 水流速度高 , 水压阀很容易产生气 蚀 .另外 , 高速水流流过节流口时 , 会对阀芯与阀 座产生严重的冲刷作用 , 长期冲刷会在其上面造 成一道道沟痕 , 即形成拉丝侵蚀[ 7] .
c .阀口流量连续性方程 Δq = q +A﹒x +Vp﹒ / β,
式中 :Δq 为溢流阀的输入流量 ;V 为泵出口至溢 流阀阀口的管路容积 ;β 为介质体积弹性模量 .
d .阻尼腔流量方程 q1 =πd1 δ31 p1 /(12μl 1); q2 =πd2 δ32 p1 /(12μl 2),
第9期
2 结构设计
针对上述关键技术问题 , 设计了一 种如图 1 所示的适用于海水介质的直动式溢流阀 , 其额定 压力为 14 MP a , 额定流量为 25 L/ min .该阀在结 构上具有以下特点 .
图 1 直动式海水溢流阀结构原理图
a.采用平板阀口形式 .在相 同通径 、开度和 阀口压差条件下 , 平板阀的通流能力大于锥阀 , 即 在相同阀口压差条件下通过相同流量时 , 平板阀 开度比锥阀小 , 从而提高了阀的调压精度 .
Design and simulation of a seawater hydraulic relief valve
Li u Y i nshui M ao X uyao Wu De f a Y ang Shudong
(College o f M echanical Science and Eng ineering , H uazhong U niversity o f Science and Technolo gy , W uhan 430074 , China)
当 δ取不同的值时 , 溢流阀的 p-t 曲线如图 4 所示 .仿真结果表明 , δ的取值对阀的动态特性影 响比较明显 .若 δ取值偏小 , 则阻尼 腔阻尼作用 大 , 阀响应慢 , 且会出现瞬时冲击 , 超调量大 ;若 δ 取值偏大 , 则阻尼腔作用不明显 , 动态性能欠佳 , 易出现振荡 , 稳定时间长 .进一步仿真结果表明 , 当 δ取值为 2 .0 ×10 -5 ～ 3 .0 ×10-5 m 时 , 溢流阀 的动态响应曲线较为理想 .这也从另一个方面解 释了图 2 中对于同样结构的阀 , 用油作介质时的 超调量和响应时间大于用水作介质时超调量和响 应时间 , 因为油的粘度大于水 , 其作用原理相当于 减小了 δ, 从而增大了阀的阻尼 .
直动式海水液压溢流阀的设计与仿真
刘银水 毛旭耀 吴德发 杨曙东 (华中科技大学 机械科学与工程学院 , 湖北 武汉 430074)
摘要 :针对海水液压介质的特点 , 对直动式海水液压溢流阀 的关键技 术问题进 行了分 析 , 设计了一 种直动 式 水压溢流阀 .该阀的额定压力为 14 M Pa , 额定流量为 25 L/ min .通过采 用平板式阀口 、增设阻尼器 、阻尼 杆与 阀芯接触处设置球面结构 , 在阀芯柱面上开直槽 以及合适的选材等 方面提出 了解决气蚀 、振动 和调压精 度等 问题的措施 , 建立了该阀的数学模型 , 在仿真分析的基础上 , 得到阀的主要结构参数即介质 、运动质量 、阻尼以 及管路容积对阀动态响应特性的影响 .仿真结果 表明该阀具有较好的动静态性能 . 关 键 词 :海水液压 ;溢流阀 ;直动 ;阻尼 ;数值仿真 中图分类号 :T H137 文献标志码 :A 文章编号 :1671-4512(2010)09-0125-04
流阀应用于海水液压中所面临的关键技术问题进 行了简要分析 , 设计了一种直动式海水液压溢流 阀 , 对该阀的动态性能进行了仿真分析 , 优化后的 阀在海水液压水下作业工具系统中取得了成功的 应用 .
1 关键技术
与油压ห้องสมุดไป่ตู้动相比 , 以海水作为工作介质的海
收稿日期 :2010-02-26 . 作者简介 :刘银水(1973-), 男 , 教授 ;杨曙东(通信作者), 教授 , E-mail:yang sd @public.wh .hb .cn . 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50975101);国家高技术研 究发展计划 专项经费 资助项目 ;921 工程资 助
DOI :10 .13245 /j .hust .2010 .09 .002
第38卷 第9期
华 中 科 技 大 学 学 报 (自然科学版)
2010年 9月
J.H uazhong U niv .of Sci.& Tech .(N atural Science Edition)
Vo l.38 No .9 Se p. 2010
b .阀心运动微分方程 m¨x +(B1 +B2 )﹒x +k(x +x0 )= pA +p1 (A1 -A2 )-πcqcvd x p ,
式中 :p1 为阻尼腔压力 ;A , A1 和 A2 分别为溢流 阀口通流面积和阻尼杆后端有效作用面积和阻尼 杆前端截面积 ;cv 为阀口速度 系数 ;m 为运动部 分质量 , 主要包括阀心质量 、阻尼杆质量和约 1/3 调压弹簧质量 ;B1 和 B2 分别为阻尼杆后端和阻 尼杆前端运动的阻尼系数 , Bi =πμdil i / δi (i =1 , 2), 其中 di 和 l i 分别为阻尼杆后端和前端的直径 及其与阀套的有效接触长度 , μ为介质的动力粘 度系数 , δ为阻尼杆与阀套配合的间隙 ;k 为调压 弹簧的刚度系数 ;x0 为弹簧的预压缩量 .
Abstract :A seaw ater direct-acti ng relief v al ve , w ho se rated pressure i s 14 M Pa and rated f low is 25 L/ min w as designed , aft er the key problem s of seaw ater direct-acting valve w ere analy zed .T he cavi tat io ns ero sion , vibration and low er pressure precision etc .w ere so lved by ado pt ing f lat v alue po rt , adding a damper , set ti ng a sphere betw een the damping bar and the spoo l value , layi ng 4 straight channels alo ng the cy lindrical surf ace o f spoo l v alue and sui table m aterial .T he mat hemat ic m odel of the v alve was establi shed and numerical sim ula tion w as done .T hen , the influences of so me m ajo r st ruct ural parame ters such as the medium , mo ving mass , damping and v olume of pi pes o n t he dy namic perf ormance o f t he v alve were obt ai ned .T he simulatio n result s show that t he valve has g ood dy namic and stati c characte ri stics . Key words:seaw ater hy draulics ;relief valve ;direct-acting ;dam ping ;numerical simulatio n
刘银水等 :直动式海水液压溢流阀的 设计与仿真
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式中 :q1 为阻尼杆后端间隙流量 ;q2 为阻尼杆前 端间隙流量 .
e .阻尼腔流量连续性方程 q1 +q2 +(A1 -A2)﹒x =-V0 ﹒p1/ β ,
式中 V0 为阻尼腔容积 .
4 仿真分析
4 .1 流体介质的影响 取不同 介质时溢 流阀的 p-t 曲线 如图 2 所
为了简化分析处理 , 建立特性方程时做以下 假设 :阀芯运动时不考虑摩擦力和瞬态液动力 ;忽 略阀内部的泄漏和流体质量的影响 ;溢流阀的出 口压力为零 .在上述假定条件下 , 海水液压溢流阀 的动态特性方程可用如下方程表示[ 8 , 9] .
a .阀 口流 量方 程
q =cqπdx 2p/ ρ, 式中 :q 为阀入口流量 ;cq 为阀口流量系数 ;d 为 阀口直径 ;x 为阀口开度 ;p 为阀入口压力 ;ρ为流 体介质密度 .
c .调压精度 .由于调节压力与弹簧刚度 、开 口大小有关 , 而弹簧刚度一般设计得较大 , 因此阀 的调压精度对阀口开度的变化比较敏感 , 亦即阀 的调整压力受阀的开度变化影响较大 , 需要从结 构上采取措施提高其调压精度 .
d .振动与 冲击 .液压系 统一般 都是欠 阻尼 的 , 而海水的密度比油大 , 压缩性和粘度比油小 , 因此其振动和冲击问题更突出 , 除了从系统的角 度来减小之外 , 还需要从元件的结构设计等方面 采取措施 .
目前在淡水 液压溢流阀方 面 , 丹麦 Danf oss 公司 、德国 Hauhi nco 公司 、日本 Kayaba 公司 、芬 兰 H Y T A R O Y 公司等均有产品供应市场[ 1] .国 内华中科技大学 、浙江大学等也研制出了水压溢 流阀[ 2] .在海水液压溢流阀方面 , 国内还没有成熟 的产品供应市场 .与先导式溢流阀相比 , 直动式溢 流阀结构简单 、工作稳定可靠 、密封控制容易 、泄 漏量小 , 这些特点使得其在以海水为工作介质时 具有 突出的优势[ 3 , 4] .本 文对直动式海水液压溢
d .平板阀阀芯圆柱面上开了 4 个半圆柱直 槽 .导向圆柱面及上面的槽可以减小阀芯开启后 的侧向摆动以及由此产生的振动 .
零部件采用耐蚀合金和工程塑料 , 即阀芯材 料为 17-4PH , 阀套材料为 PEEK , 阀体 316L , 弹 簧则采用了 3J1(Ni36Cr TiA l).
3 数学模型
项目 .
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华 中 科 技 大 学 学 报(自然科学版)
第 38 卷
水液压传动具有价格低廉 、资源丰富 、阻燃性好 、 安全性高 、压缩系数小 、泄漏时不会产生污染等优 点 , 但海水的强腐蚀性 、低粘度和高汽化压力等也 给海水液压元件的研制带来了一系列的挑战 , 就 海水液压直动式溢流阀而言 , 其关键技术问题主 要有以下几个方面 .